氢能在交通领域的历史、现状和未来挑战（英）

ADBI工作文件系列 运输部门氢能的历史、现状和未来挑战 尚文龙、宋学旺、廖齐、孟源、严洁敏 、严雅敏 编号1404 2023年7月 亚洲开发银行研究所 尚文龙是北京工业大学助理教授，伦敦帝国理工学院高级研究员。宋学旺是北京工业大学的研究生。廖齐是中国石油大学（北京）的讲师。孟元是丹麦奥尔堡大学的博士后候选人。JieYa是华北电力大学可再生能源电力系统国家重点实验室的副教授。YamiYa是中国石油大学（北京）的讲师。 本文所表达的观点是作者的观点，并不一定反映ADBI、亚行、其董事会或其所代表的政府的观点或政策。ADBI不保证本文中包含的数据的准确性，并且对使用这些数据的任何后果不承担任何责任。使用的术语可能不一定与亚行官方术语一致。 讨论文件在定稿和考虑发表之前，必须进行正式修订和更正。 工作文件系列是以前命名的讨论文件系列的延续；论文的编号继续进行，没有中断或更改。ADBI的工作文件反映了对某个主题的初步想法，并在线发布以供讨论。一些工作文件可能会发展成为其他形式的出版物 。 亚洲开发银行将“中国”称为中华人民共和国，将“韩国”称为大韩民国。建议引用： Shang,W.-L.,X.Song,Q.Liao,M.Yan,andY.Yan.2023.History,Status,andFutureChallengesofhydrogenEnergyintheTransportationSector.ADBIWorkingPaper1404.Token:AsianDevelopmentBankInstitute.Available:https://doi.org/10.56506/VTUD5388 请联系作者以获取有关本文的信息。电子邮件：shangwl_emic@bjut.edu.cn 亚洲开发银行研究所Kasumigaseki大楼，8楼3-2-5Kasumigaseki，Chiyoda-ku 东京100-6008,日本 Tel:+81-3-3593-5500 传真：+81-3-3593-5571 URL:电子邮件： ©2023亚洲开发银行研究所 Abstract 近年来,全球因气候变化导致的极端天气事件日益频繁,全球各国也逐渐认识到全球气候变暖带来的危害。所有国家都在努力促进减少化石燃料能源的消耗，并使用环保且碳排放较低的可再生能源技术。运输部门作为能源消耗和污染排放的主要贡献者，受到越来越多的关注。同时，新能源汽车比燃油汽车更节能、更环保，使其在汽车市场更加盛行，汽车市场蓬勃发展。绿色氢能可作为新能源汽车的可再生、清洁、高效能源，也正逐步应用于交通运输，以推动实现碳中和的目标。本文综述了氢能在交通运输领域的研究,总结了前人的研究成果,并对氢能未来的应用提出了挑战。 关键字:碳中和,氢,气候变化,可再生能源,交通运输 JEL分类：R40 Contents 1. 1.1背景技术1 1.2研究现状1 2.氢能3的应用 2.1氢能生产工艺3 2.2氢能应用分类4 2.3运输中氢能的工艺和技术5 2.4运输中氢能的历史，现状和争议6 3.文献搜索与分析8 3.1文献检索8 3.2文献分析8 4.未来挑战16 5.结论和政策建议18 参考文献20 1.INTRODUCTION 1.1背景 2015年12月12日，巴黎气候大会就全球气候变化达成协议，并设定目标，将长期全球变暖限制在低于2摄氏度，最好低于1.5摄氏度，与工业化前水平相比（Masson-Delmotte等人，2018年）。 为了实现《巴黎协定》提出的温度控制目标，许多国家提出了碳中和的途径，这已成为共同的愿景和正在进行的全球行动计划。在许多国家和地区采取的减排措施中，鼓励开发和采用可再生能源已成为共同的选择（新闻2022），现在有一个巨大的历史机遇来发展后者。同时，作为一种可再生和清洁能源，绿色氢能备受关注，它可以在减少运输部门，工业电力和其他产生大量碳排放的领域中发挥重要作用（Y等人。2022年）。2020年9月，习近平主席在第75届联合国大会上宣布，中华人民共和国（PRC）将努力使二氧化碳达到峰值（CO。2）到2030年的排放，到2060年实现碳中和（锦屏2020）。因此，与氢能有关的研究极为重要且意义重大，但也提出了挑战（Zouetal.2022）。 正如预期的那样，氢能在运输领域的研究和开发不断增加。运输业是我们社会的重要组成部分，支撑着不同经济体的繁荣（Selvamara和Limmeechochai2015）。但是，它负责各种类型的能源消耗和温室气体排放，占碳排放总量的15％（Zhag2022b）。在中国第十四个五年计划期间，交通运输部发布了一项工作计划，其中包括实施11个重大项目，包括“绿色低碳交通可持续发展项目”。“围绕降低交通运输碳强度的总体目标,要支持新能源车船大规模使用。因此，氢能在交通运输领域发挥着更重要的作用，并有助于城市的可持续发展（Bi等人。2021)。 氢燃料电池汽车（HFCV）近年来发展迅速，中国、德国、美国等多个国家也在加快HFCV加氢站的布局和建设，大力推进氢燃料电池产业化。除HFCV外，航空和航运也在积极探索氢能源的应用（张2022a）。氢能应用在交通运输领域的发展无疑将极大地促进该领域的广泛和深度脱碳。 1.2研究现状 为了获得对氢的研究现状的大致了解，我们以“氢”为关键词搜索了WebofScience数据库，获得了超过一百万篇相关论文，并从中选择了8000篇关键词 上述论文采用VOSviewer软件进行“共现分析”,分析结果如图1.1和1.2所示。 图1.1：基于氢的关键词共现分析 从图1.1中可以看出，“催化剂”、“结构”、“排放”、“分子”、“形成”、“技术”等术语出现频率最高，这表明学者和研究人员对氢气的生产方法、生产效率、能源结构等方面的关注程度更高。此外，制氢过程中产生的污染和排放也是研究人员关注的焦点。 图1.2：关键词随时间演变的共现分析 研究主题随时间的演变可以在图1.2中看到。根据上图，前几年的研究主题主要集中在结构，分子，形成，催化剂等方面。近年来，随着研究的深入以及对环境和气候问题的关注，研究主题倾向于集中在排放，电力，能源系统，成本等方面。 本研究首先对氢能的研究背景和研究意义进行了分析和总结,然后通过设置关键词搜索相关论文对氢能研究现状和热点进行了分析和总结,并在此基础上,选取交通运输领域与氢能相关的论文进行进一步分析。本研究通过文献综述，简要介绍了氢能的生产制造过程、氢能的分类以及应用于交通领域的技术 ；此外，还介绍了其在交通领域应用的历史、现状和争议。此后，对搜索到的论文进行进一步分类和组织，以分析氢能的应用。最后提出了未来氢能在交通运输领域面临的挑战。 2.氢能的应用 2.1氢能生产过程 氢能的产业链包括其生产、储存、运输、加油和使用。在这些过程中，制氢技术包括其从化石能源、从电解水、从工业副产品和从可再生能源生产，如图2.1所示。 图2.1：生产氢气的方法 从化石能源生产氢气主要涉及使用化石燃料通过化学热解或气化生产氢气。这种技术相对成熟，价格低廉，是目前用于制氢的主要方法。迄今为止,由化石燃料生产的氢主要用作工业过程如肥料和冶金的原料。因为碳。 二氧化碳是在氢气生产过程中产生和排放的，它被称为“灰氢”，可以与碳捕获和储存(CCS)技术结合使用，将“灰氢”转化为“蓝氢”。这项技术的优点是适用于大规模制氢，但排放量高，气体杂质需要净化(Zouetal.2022)。 通过电解生产氢气是通过分解水来生产氢气。这项技术允许使用来自可再生能源的电力，而不会排放二氧化碳或其他有毒物质，因此在真正意义上被称为“绿色氢”。电解水具有高的理论转化效率,并且所获得的氢气是非常纯的。从电解水制氢可分为碱性电解水，酸性质子交换膜电解水，高温固体氧化物电解水和其他电解水技术（Zo等人。2022年）。Lei等人。（2019）通过开发一种在酸碱两相溶液中生产氢气的技术，有效地提高了氢气的生产率和纯度。Dossow等人。（2021年）设计了一种可以将温室气体排放量减少76-78％的过程。海上风能产生的电解氢也可以促进低碳系统并有效减少碳排放（Che等人。2021)。 工业生产过程中，如氯碱工业中，会产生大量的氢气副产物，但这些副产物的纯度不高，净化过程需要高端设备和大量的资金投入。随着氢能工业和相关科学技术的不断进步，工业副产品氢气的优势正在扩大。该方法具有显着的优势，例如其成本低，来源广泛，并且在回收过程中具有低碳排放，但净化过程更为复杂（Yag2022）。 光催化制氢是指一种可持续，清洁和可再生的制氢方法，而最广泛研究和有前途的技术之一是光解制氢（Zo等人。2022年）。光解制氢技术的本质是利用半导体材料作为催化剂来驱动水的分解。微生物制氢技术由于其方便的制造技术和广泛的来源，已成为一种潜在的制氢方法。常见的发酵产氢微生物包括各种类型的产氢梭菌，嗜热细菌和大肠杆菌（Vascocelos，Leitão和Sataella2016；Pgazhedhi，Kmar和Sivagratha2019）。Sadvaasova等人。（2020）研究了从蓝细菌细胞中产生氢气的过程，该过程是太阳能转换的结果。他们得出结论，应通过基因工程构建具有巨大产氢潜力的蓝藻基因突变体，以增加产氢。 2.2氢能应用分类 氢能的生产、制造和应用是实现碳中和目标、保障国家能源安全、实现低碳转型的重要途径之一(张2022c)。目前，氢能主要用于能源、钢铁冶金、石油化工等行业。随着国家经济政策的不断调整和氢能产业技术的不断发展，氢能将被应用到更广泛的领域。 2.2.1氢储能 今天我们应该大力发展风能和太阳能光伏发电，通过生产绿色氢能来完成可再生能源的发展（Cope2022）。但是，风电和光伏发电的间歇性和随机性影响了其并网电源的连续性和稳定性，削弱了电力系统的调峰(Zhoetal.2022年）。随着绿色氢能技术的不断进步和完善，利用可再生能源发电和生产绿色氢气日益受到关注。同时，制造绿色氢的成本正在下降，并进一步推动了能源转型的步伐。 2.2.2氢燃料 氢能作为电力部门的终极能源，通过一系列反应将化学能转化为电能和动能，为车辆提供动力。同时 ，绿色氢在零碳排放方面也具有优势，基于绿色氢的电池在汽车工业中的应用已变得非常有希望（Zoetal。2022年）。 2.2.3氢化工原料 目前全球对氢气的需求主要用于氨合成、炼油厂加氢生产、甲醇生产等（Zoetal.2022年）。随着相关技术的不断发展，加氢技术将越来越多地应用于石油精炼等石化领域。加氢也是制造绿色油的重要技术方法。氢也常用于合成化学产品和含碳化合物，如尿素和工业醇。这些化合物在液化时可以很容易地储存和运输，具有高能量密度，爆炸性较低，并且可以作为液体燃料达到几乎零碳排放，这使得它们成为除了电力传输之外的储存和运输的合适的可再生能源。 2.3运输中氢能的工艺和技术 氢能在运输中的主要应用是使用氢作为能源为车辆提供动力，以减少运输车辆造成的碳排放和空气污染。由于氢能可以为零温室气体排放的运输车辆提供动力(例如，CO2和NOx），许多国家目前正在加快部署氢动力汽车等新能源汽车的速度。随着燃料电池和可再生能源发电技术的快速发展，绿色氢能在交通运输中的应用也逐渐增加（Greee，Ogde和Li2020；Bai等。2022年；Bi等人。2022年；Yag等人。2022年）。Rose和Nema（2020）通过将基础设施位置规划模型与包含电网扩展选项的电力系统优化模型相结合，研究了重型车辆的加氢设施网络。该研究讨论了加氢站和电力系统之间的相互作用，并表明，当两者都被系统地考虑，并与多个部门协同时，它可以有效地降低基础设施建设成本，这可以成为建筑的主要考虑因素。 加氢站.陶等人。（2020）探索了氢燃料电池汽车的分销网络和运输系统的协同规划。在交通网络中引入氢燃料电池汽车，通过规划加氢站的位置，优化内燃机汽车、电动汽车和燃