氢能在交通运输领域的历史、现状和未来挑战

ADBI工作文件系列 历史、现状与未来氢能的挑战 在运输部门 尚文龙，宋学旺，廖琦、孟媛、严洁、YaminYan No.1404 2023年7月 亚洲开发银行研究所 尚文龙是北京工业大学的助理教授 伦敦帝国理工学院高级研究员。宋学旺是一名研究生北京工业大学的学生。廖琦是中国大学的讲师 石油（北京）。孟远是奥尔堡大学的博士后候选人，丹麦。严杰是交替国家重点实验室副教授 华北电力可再生能源电力系统 YaminYan是中国石油大学（北京）的讲师。 本文表达的观点是作者的观点，不一定 反映亚行、亚行、其董事会或政府的观点或政策 他们代表。ADBI不保证本文中包含的数据的准确性 andacceptsnoresponsibilityforanyconsequencesoftheiruse.Terminologyusedmay 不一定与亚行官方条款一致。 讨论文件在定稿前需经过正式修订和更正并被视为出版。 工作文件系列是以前命名的讨论文件系列的延续； Thenumberingofthepaperscontinuedwithoutinterruptedorchange.ADBI’sworkingpapersreflectinitialideasonatopicandarepostedonlinefordiscussion.Someworking论文可以发展成其他形式的出版物。 亚洲开发银行将“中国”称为中华人民共和国 “韩国”即大韩民国。建议引用： 尚，W.-L.，X.Song，Q.Liao，M.Yuan，J.Yan，Y.Yan。2023年。历史，地位和氢能在运输领域的未来挑战。ADBI工作文件 1404.Tokyo:AsianDevelopmentBankInstitute.Available:https://doi.org/10.56506/VTUD5388 有关本文的信息，请联系作者。 电子邮件：shangwl_imperial@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 电话:Fax:URL: +81-3-3593-5500 +81-3-3593-5571 www.adbi.org 电子邮件：info@adbi.org ©2023亚洲开发银行研究所 Abstract 近年来，由于气候变化，世界各地发生了极端天气越来越频繁，全球各国也逐渐意识到 全球变暖。所有国家都在努力减少化石消费 燃料能源和使用，而不是可再生能源技术，这是环境 friendlyandhavelowercarbonemissions.Thetransportationsector,asamaincontributorto 能源消耗和污染排放，正受到越来越多的关注。同时时，新能源汽车比燃料更节能、更环保 车辆，使其在蓬勃发展的汽车市场中更加普遍。绿色氢能可以作为一种可再生、清洁、高效的新能源 能源汽车，也逐渐被用于交通运输，以促进这一目标碳中性。本文综述了氢能源在交通运输中的研究 领域，总结了前人的研究成果，并提出了未来面临的挑战氢能的应用。 关键字:碳中和,氢,气候变化,可再生能源,交通运输 果冻分类:R40 Contents 1.简介1 1.1背景1 1.2ResearchStatus1 2.THEAPPLICATIONOF氢能源3 2.1The氢气EnergyProductionProcess3 2.2Classificationof氢气Energy应用程序4 2.3Processesand技术for氢气EnergyinTransportation5 2.4History,Status,and争议of氢气EnergyinTransportation6 3.LITERATURE搜索AND分析8 3.1Literature搜索8 3.2LiteratureAnalysis8 4.未来挑战16 5.结论ANDPOLICY建议18 REFERENCES20 1.INTRODUCTION 1.1Background 2015年12月12日，巴黎气候大会就全球 气候变化，并设定将长期全球变暖限制在2以下的目标摄氏度，最好低于1.5摄氏度，与工业化前相比 水平（Masson-Delmotte等人，2018年）。 为了实现巴黎提出的温度控制目标 协议，许多国家提出了碳中和的途径，这 成为一个共同的愿景和正在进行的全球行动计划。在排放许多国家和地区采取的减排措施，鼓励 开发和采用可再生能源已成为普遍的选择（新闻2022)，现在有一个巨大的历史机遇来发展后者。在同时,作为一种可再生的清洁能源,绿色氢能 受到了广泛的关注，它可以在减少碳方面发挥重要作用运输部门、工业电力和其他领域的排放 产生大量的碳排放(Yu等人，2022年)。2020年9月，在第75届联合国大会主席习近平 宣布中华人民共和国（PRC）将努力达到碳峰值 二氧化碳(CO2)到2030年排放，到2060年实现碳中和(金平2020)。因此,氢能的相关研究具有极其重要的 意义，但也带来了挑战(Zou等人，2022)。 正如预期的那样，氢能领域的研究和开发交通运输业是我国国民经济的重要组成部分 社会，并支撑着不同经济体的繁荣(Selvakkumaran和Limmeechokchai2015)。然而,它负责各种类型的能量消费和温室气体排放，占总碳的15% 排放量(张2022b)。在中国第十四个五年计划的当前时期，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，是 有必要支持新能源汽车和船舶的大规模使用。因此，氢能在交通运输领域发挥着越来越重要的作用 为可持续城市发展做出贡献(Bi等人，2021年)。 氢燃料电池汽车(HFCVs)近年来发展迅速,其中国、德国和美国等许多国家也 加快HFCV加氢站的布局和建设为大力推进氢燃料电池的产业化,除 HFCV、航空和航运也在积极探索氢气的应用能源(张2022a)。氢能源应用的发展 运输部门无疑将极大地促进广泛和深入的在这个领域的脱碳。 1.2研究现状 为了对氢的研究现状有一个大致的了解，我们 以“氢”为关键词搜索WebofScience数据库，获得 超过一百万篇相关论文，并从中选择了8,000篇。关键字 VOSviewer软件对上述论文使用了“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 如图1.1所示，术语“催化剂”、“结构”、“发射”、“分子”、 “形成”和“技术”出现最频繁，这表明学者和研究人员更加关注生产方法、生产效率和 氢的能源结构。此外，期间产生的污染和排放制氢过程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 TheevolutionoftheresearchtopicsovertimecanbeseeninFigure1.2.According 到上图，前几年的研究课题主要集中在 在结构、分子、形成、催化剂等方面。近年来，随着研究环境和气候问题得到了加强和更多的关注， 研究主题往往集中在排放、电力、能源系统、成本等方面。 本研究首先分析和总结了研究背景和分析总结了氢能的研究现状和热点 通过设置关键词搜索相关论文，研究氢能的主题，并在此基础上，选择了氢能领域的相关论文 运输作进一步分析。通过对文献的回顾，本研究简要介绍了氢能的生产和制造过程， 氢能的分类，以及应用于交通运输的技术场；此外，对其在 还介绍了运输部门。在此之后，搜索的论文是进一步对氢能的应用进行分类和整理分析。 未来氢能在交通领域的挑战是 presented. 2.氢能的应用 2.1氢能生产工艺 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 它的生产来自化石能源、电解水、工业副产品，以及来自可再生能源，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。这项技术是相对的成熟且价格低廉，是目前生产的主要方法 hydrogen.Todate,hydrogenproducedfromfossilfuelshasbeenemployedmainlyas 肥料和冶金等工业过程的原料。由于碳 二氧化碳是在氢气生产过程中产生和排放的，它被称为“灰色” 氢”，并可以与碳捕集与封存(CCS)技术相结合，以将“灰色氢”转化为“蓝色氢”。这项技术的优点是 它适用于大规模制氢，但排放高， 气体杂质需要净化(Zou等人，2022)。 电解制氢是通过分解产生氢 water.Thistechnologyallowstheuseofelectricityfromrenewablesourceswithout 排放二氧化碳或其他有毒物质，因此被称为“绿色真正意义上的“氢”。电解水具有很高的理论性 转换效率，得到的氢气非常纯净。氢电解水的生产可分为碱性电解水， 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(Zou等人，2022年)。 (2019)通过开发一种 在酸碱两相溶液中产生氢气的技术。Dossow等人(2021) 设计了一种可以减少76-78%温室气体排放的工艺。海上风能产生的电解氢也有助于降低 碳系统并有效减少碳排放(Chen等人，2021年)。 工业生产过程中，如在氯碱行业，将产生一个大量的氢气副产物,但这些副产物的纯度不高,净化过程需要高端设备和大量资金 投资。随着氢能产业的不断推进和相关科学技术，工业副产品氢气的优势是该方法具有显著的优势,如成本低、 来源范围，以及回收过程中的低碳排放，但纯化过程比较复杂(杨2022)。 光催化制氢是指可持续、清洁和可再生的 制氢方法，也是研究最广泛、最有前途的方法之一 technologiesisphotolysishydrogenproduction(Zouetal.2022).Theessenceof 光解制氢技术是利用半导体材料作为驱动水分解的催化剂。微生物制氢 技术已经成为一种生产氢气的有前途的方法，因为它方便的制造技术和广泛的来源。常见的 发酵产氢微生物包括各种类型的氢- 产生梭菌，嗜热细菌和大肠杆菌（Vasconcelos， Leitão和Santaella2016；Pugazhendhi，Kumar和Sivagurunathan2019）。 Sadvakasova等人(2020)研究了从 蓝藻细胞，这个过程是太阳能转换的结果。他们得出结论，蓝藻基因突变具有巨大的生产潜力氢应通过基因工程构建，以增加氢 产。 2.2氢能应用分类 氢能的生产、制造和应用是 实现碳中和目标的重要途径,保障国家能源 安全，实现低碳转型（张2022c）。目前，氢能源主要用于能源、钢铁冶金、石化工业、 随着国家经济政策的不断调整和 随着氢能产业技术的不断发展,氢能将应用于更广泛的领域。 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 通过生产绿色能源来产生和完成可再生能源的发展氢能(Cope2022)。然而，风的间歇性和随机性电力和光伏发电影响其连续性和稳定性 并网供电，削弱了电力系统的峰值调节 (Zhouetal.2022).Withthecontinuousprogressandimprovementofgreenhydrogen 能源技术，利用可再生能源发电和生产绿色氢越来越受到关注。同时，成本 制造绿色氢气正在减少，这进一步推动了这一步伐能源转型。 2.2.2氢燃料 作为电力部门的最终能源，氢能 将化学能转化为电能和动能通过一系列 反应，为车辆提供动力。同时，绿色氢也在零碳排放方面具有优势，在 基于绿色氢的电池汽车工业已经变得非常有前途 (Zou等人，2022年)。 2.2.3氢化工原料 目前全球对氢气的需求主要用于合成氨、