氢基能源可以运用在电力系统“源-网-荷-储”的各环节。
一、工业领域应用
工业目前是我国氢基能源最大的应用领域。氢气是重要的工业原料，已经被 广泛用于合成氨、合成甲醇、石油化工和冶金等工业领域，在双碳目标的约束下， 预计氢基能源在工业领域应用规模将快速增长。
（一）合成氨 合成氨是目前规模最大的氢气消费途径，目前全球超过 37%的氢气用于生 产合成氨。氨是化肥的主要原料，也是重要的工业原料和中间产品，在工业领域 中具有广泛的用途。在化肥工业中，氨是生产氮素化肥的主要原料；在化学工业 中，氨可以用于生产胺、染料、炸药、合成纤维、合成树脂等有机或无机化工产 品；在电子工业中，高纯氨可用于大规模集成电路减压或等离子体化学气相沉积； 在食品工业中，氨可以作为碱性剂、酵母养料、食用色素稀释剂等。 合成氨的主要原料是氮气和氢气，理论上合成 1 吨氨需要 0.18 吨氢气和 0.82 吨氮气。合成氨所需的氮气来源相对简单，一般可以通过空气分离获得。合成氨 所需的氢气来源较为多样，目前主要来源于由煤炭和天然气制备的灰氢，鉴于可 再生能源电解水产生的绿氢具备碳排放低、纯度高的特点，未来绿电制绿氢将成 为氢气的主要来源。
（二）制备甲醇 甲醇是氢应用的另一大途径。甲醇是基础的有机化工原料，可以用来生产烯 烃、甲醛、二甲醚、醋酸、甲基叔丁基醚、二甲基甲酰胺、甲胺、氯甲烷、对苯 二甲酸二甲脂、甲基丙烯酸甲脂、合成橡胶等一系列有机化工产品，被广泛应用 于化工、轻工、纺织、农药、医药、电子、食品上。现代工业利用甲醇制烯烃， 相对于传统石脑油制烯烃具有较强的成本优势，已逐渐成为甲醇的主力消费市场， 当前占据甲醇总需求量的 55％左右。 长远来看，通过以绿色甲醇为原料生产有机化工产品，是化工领域降低碳排 放的重要手段。绿色甲醇，是指在生产过程中零碳排放合成的甲醇，目前绿色甲 醇主要有两种生产途径：一种是生物质制备绿色甲醇，另一种是绿电制绿色甲醇， 其中通过绿电制氢与二氧化碳反应合成甲醇技术路线可以实现二氧化碳大规模 利用，是未来合成绿色甲醇的重要技术路线。
（三）石油化工 氢气是石油化工领域不可或缺的原料之一，加氢裂化、加氢精制等工艺可以 改善、改变重油性质，将重油转化为轻质油品，有效提高石油的精炼效率，获得 更多高附加值的产品。目前，石油化工用氢主要依赖化石能源制氢或工业副产氢， 未来通过绿氢替代的潜力巨大。 （四）冶金行业 氢气可以取代碳作为还原剂用于冶金行业。目前主流的氢冶金技术路线分为 高炉富氢冶金与气基直接还原竖炉冶金两种方式：高炉氢冶金是指通过在高炉中 喷吹氢气或富氢气体参与冶金过程，相关实验表明，高炉富氢还原冶金在一定程 度上能够通过加快炉料还原，减少碳排放，但由于该工艺是基于传统的高炉，氢 气喷吹量存在极限值，一般认为高炉富氢还原的碳减排幅度可达 10%-20%，效 果不够显著；气基直接还原竖炉冶金是指通过使用氢气与一氧化碳混合气体作为 还原剂参与冶金过程，气基直接还原竖炉冶金二氧化碳排放量可减少 50%以上， 更适合用于氢冶金。 冶金行业是碳排放的重点行业，根据《2023 双碳钢铁年度发展报告》，2023 年我国钢铁产业碳排放占全球钢铁产业碳排放总量的 60％以上，是全球钢铁行 业最大的碳排放源，从行业门类来看，钢铁行业碳排放占全国碳排放总量的 15% 左右，碳排放量位居制造业 31 个门类首位。
绿氢被视为冶金行业碳减排的关键，传统的高炉炼铁是以煤炭为基础的冶炼 方式，碳排放占整个工艺流程总排放量的 70%左右，氢气可以代替碳在冶金过程 中的还原作用，从而使冶金行业摆脱对煤炭的依赖，在源头实现降碳。
二、交通领域应用
化石能源清洁绿色替代是交通领域碳减排的路径之一，绿色氢基能源作为交 通燃料，可以应用于公路交通、铁路交通、航空、航海等多种场景，是未来交通 运输行业实现低碳转型的有效途径。
（一）公路交通 公路交通是交通运输领域碳排放的绝对主体和减排重点。氢基能源在公路交 通运输领域的应用，主要包括氢基能源燃料电池及氢基能源内燃机两种方式。 氢燃料电池是目前在公路交通中应用较为成熟的绿色解决方案。我国氢燃料 电池汽车的发展采取先商用车后乘用车路线，氢燃料电池汽车主要以客车、重型 卡车、牵引车、城市物流车为切入，逐步过渡到乘用车领域。相对于发展趋于成 熟的纯电动汽车，氢燃料电池汽车适合固定路线、中长途干线和高载重场景。据 中国汽车工业协会数据显示，2022 年我国重型卡车销售量为 67.19 万辆，其中氢 燃料重型卡车销售量为 2382 辆，渗透率为 0.35%，预计随着氢能源产业政策、 氢燃料电池技术、加氢站等配套设施的发展，氢燃料电池汽车规模将迎来加速发 展的契机。
氢基能源中甲醇是公路交通领域的最佳替代燃料选项，甲醇可用作内燃机中 的汽油添加剂或替代品，也可应用于改装的柴油发动机车辆，应用场景丰富。甲 醇具有以下优点：一是常温常压下呈液态，便于储运；二是成分单一，燃烧相对 清洁；三是甲醇作为含氧燃料，可以有效改善发动机燃烧反应，提高能源转换效 率，相比按汽油等热值计算平均能量转换效率可提高 20%以上。工业和信息化部 发布的《“十四五”工业绿色发展规划》明确提出“促进甲醇汽车等替代燃料汽车 推广”。目前我国甲醇汽车已具备完整的政策许可、行政管理许可、技术标准许 可、市场准入许可和运行保障许可等相关许可，建成了完整的产品技术链、产业 链和供应链，构建了甲醇乘用车、甲醇混合动力乘用车、甲醇商用车、甲醇自卸 车、甲醇危化品运输车、甲醇增程电动车等组成的多元化产品体系，甲醇汽车产 业即将迎来快速发展的历史机遇。
（二）铁路交通 氢基能源在铁路交通领域的应用主要是氢基能源燃料电池替代传统内燃机 为火车提供新的动力来源，氢基动力火车的优点在于不需要对现有铁路轨道进行 电气化改造即可以实现铁路运输行业的减排。法国、德国和英国等欧洲国家均已 出台国家铁路网络清洁改造升级计划，但在我国铁路高电气化率的背景下，氢基 动力火车需求相对有限。 从技术来看，氢动力火车仍处于研发试验阶段。2022 年，世界上第一列纯氢 动力客运火车在德国正式运营，续航里程达 1000 公里，最高时速达 140 公里； 2021 年，中国试运行国内首台氢燃料电池混合动力火车，满载氢气可连续运行 24.5 小时，平直道最大可牵引载重可超过 5000 吨；2022 年，中国建成了世界首 个重载铁路加氢科研示范站，为氢动力火车供应氢能燃料。
（三）航空 航空业的碳减排很难通过电气化实现，氢基能源为航空业提供了可能的减碳 方案。目前氢能飞机的动力主要包括氢燃料电池、燃氢发动机等，相较于氢燃料 电池，燃氢发动机的发展较为缓慢，这跟氢燃料与航空煤油的许多特性的不同有 密切关系，航空发动机从燃油到燃氢，对结构设计尤其是燃烧室的设计带来了较 大的挑战。 氢动力飞机可能成为中短距离航空飞行的减碳方案，但在长距离航空领域， 仍须依赖航空燃油，因此发展绿色航油将是实现减碳目标最重要的措施。绿色航空煤油是指从非化石资源而来的 C8~15 液体烃类燃料，根据美国环球油品公司 的生命周期分析，绿色航油的温室气体排放量比石油基航空燃料减少 65%~85%。 绿色航空煤油可以通过对植物油、地沟油或其它高含油生物燃料加氢精制生 成；也可以通过将纤维素、木质素等生物质气化生成合成气，经费托合成工艺后， 再加氢裂化、加氢异构改质生成。清华大学研究团队通过设计指向含芳环航煤馏 分为目标产物的工艺路线，从热力学上实现一步生产航空煤油，目前已完成 100 吨/年的小型生产实验。目前，全球绿色航油主要从生物油脂的加绿氢精制生产， 售价在 2700~3100 美元/吨，价格是石油基航煤的 4 倍左右。 美国、英国、欧盟等发达国家和地区已经出台绿色航空发展的顶层战略规划， 预计绿氢将在未来航空业低碳转型中发挥重要作用。
（四）航运 《2023 年国际海事组织船舶温室气体减排战略》明确提出到 2030 年国际航 运业二氧化碳排放量比 2008 年减少 30%以上，并在 2050 年前后实现净零排放， 氢基燃料作为航运领域的重要碳减排方案，迎来重要发展机遇。目前氢基燃料在 航运中的应用主要包括燃料电池和甲醇燃料两种解决方案。 我国企业和机构基于国产化氢能燃料电池已经启动了氢动力船舶研制，目前 的氢动力船舶主要用于湖泊、内河、近海场景，作为小型船舶的主动力或大型船 舶的辅助动力。2023 年 10 月，我国首艘氢燃料电池动力示范船“三峡氢舟 1”号 首航，标志着氢燃料电池技术在我国内河船舶应用实现零的突破。 绿色甲醇作为国际上公认的清洁燃料，甲醇可以实现船舶低改装成本下柴油 的部分或完全替代。目前日本、新加坡等国家已明确将绿色甲醇作为船舶运输的 燃料，根据船舶经纪公司 Braemar 估算，到 2030 年，仅国际航运巨头马士基一 家对于绿色甲醇的全球需求量即将达到 600 万吨，绿色甲醇在船舶航运领域应用 市场空间巨大。 我国船舶和船舶动力制造行业也在积极推进内河航运、江海直达、近海运输 甲醇燃料动力船舶的制造。2017 年中国船级社发布《船舶应替代燃料指南》，为 甲醇作为船舶动力提供了技术标准和应用指南；以中船重工为主的研究机构也在 积极研发直喷甲醇发动机、甲醇燃料加注单元等甲醇船舶的核心装置。
三、电力领域应用
氢基能源可以运用在电力系统“源-网-荷-储”的各环节。在源端，可通过气 电掺氢和煤电掺氨的方式降低发电端的碳排放；在网端，氢基能源可以通过管道 长距离运输作为特高压电力输送的一种有效补充；在负荷端，电解水制氢是一种 柔性负荷，可为电力系统提供需求侧灵活响应；在储端，氢基能源可以通过燃料 电池回流到电力系统中，氢基能源可作为一种具备长时储存能力的“过程性能源”， 可以实现跨日、月、季节的长时储能，对构建新型电力系统意义重大。
（一）气电掺氢燃烧 气电掺氢燃烧是指在天然气中掺一定比例的氢气用于燃气轮机燃烧发电，气 电掺氢燃烧可以显著削减气电温室气体的排放总量，并减少作为化石燃料的天然 气的消费量，是未来天然气发电实现碳减排的主要路径之一。 近年来，中国持续在气电掺氢燃烧方面开展积极的探索，2021 年 12 月国家 电投荆门绿动电厂成功实现燃气轮机 15%掺氢燃烧运行，其燃气轮机设计最高 掺氢比例达到 30%；同年 12 月，广东省能源集团旗下的广东粤电大亚湾综合能 源有限公司宣布将建设 2 台 600 兆瓦 9H 型燃气—蒸汽联合循环热电冷联产机 组，燃机机组将采用 10%的氢气掺混天然气燃烧，该项目于 2022 年正式开工， 2024 年 1 月成功实现 1 号燃机首次点火；2022 年 3 月，浙江石化燃气—蒸汽联 合循环电站项目采用的三台西门子 SGT5-2000E 机组先后点火成功，此项目是世 界首套采用天然气、氢气、一氧化碳作为混合燃气的气电项目。
全球主要燃气轮机厂商均在积极提高燃机的掺氢燃烧能力，目前 GE 在全球 已有超过 100 台采用低热值含氢燃料机组在运行，累计运行小时数超过 800 万小 时，其中部分机组的燃料含氢量超过 50%，积累大量实践经验。从不同机型看， GE 旗下 E/B 级燃机已具备 100%燃氢能力，其功率最大、最高效的 9HA 级燃机 燃氢能力为 50%，GE 的目标是在 2030 年前实现 9HA 级燃机 100%烧氢能力。 掺氢从 50%到 100%依然有许多技术难题处于研发过程中，总体上包括燃烧技术、 材料技术、控制技术、氮氧化物的控制技术四大类。
（二）煤电掺氨燃烧 在“双碳”目标下，煤电的低碳转型势在必行，煤电掺氨被视为煤电低碳转 型的有效路径，受到越来越多的关注。液氨体积能量密度高、大规模存储和运输 技术成熟；氨的辛烷值较高，更抗爆震，应用场景广泛，且燃烧后的产物可实现 零碳排放，因此，氨可作为替代煤炭的理想燃料。
日本是最早重视煤电掺氨的国家，2014 年日本发布的国家战略性创新创造 方案就涵盖在以蒸汽锅炉为核心的火电站上开展氨—煤混燃技术研究；2021 年， 日本政公布的第六版能源发展规划，提到日本计划首先采用混烧技术，比如 30% 的氢加 70%的天然气，或者 20%的氨加 80%的煤粉，之后逐步提升氨和氢的混 烧比例，计划到 2050 年实现 100%的氨、氢燃烧发电。在技术方面，NEDO（日 本新能源产业技术综合开发机构）委托东京电力公司全资子公司 JERA、IHI、丸 红株式会社和 WoodsideEnergy（澳大利亚伍德塞德能源公司）4 家公司在大容量 燃煤火电中进行了绿氨掺烧的全产业链示范应用。JERA 负责碧南火力发电厂 100 万千瓦机组的运行，IHI 负责研究氨在锅炉中的混烧技术，丸红株式会社负 责运输氨燃料，WoodsideEnergy 负责氨制备。目前 JERA 正规划在碧南火电厂 100 万千瓦燃煤机组上开展氨-煤混燃试验，计划 2024 年在碧南火力发电厂 4 号 机上实现 20%氨混烧。
中国在煤电掺氨方面起步较晚，但是研发进展迅速。2022 年 1 月 24 日，由 国家能源集团开发的“燃煤锅炉混氨燃烧技术”应用项目在山东烟台成功投运，该 技术是我国首次实现 40 兆瓦燃煤锅炉氨混燃比例为 35%的中试验证，实现氨燃 尽率 99.99%，氮氧化物排放浓度不增加。目前，国家能源集团正对广东台山电 厂一台 60 万千瓦机组开展掺氨改造，完成后可在多种工况下达到最高 20%的掺 烧比例。除了国家能源集团，安徽省能源集团和合肥综合性国家科学中心能源研究院联合开展了火电厂掺氨技术的研发，2022 年 4 月至 2023 年 6 月在铜陵电厂 32 万千瓦亚临界发电机组上开展多次工程验证，在国内首次验证了大型火电机 组掺氨燃烧技术的可行性，该工程最大耗氨量 21 吨/小时，30 万千瓦出力下掺烧 比例大于 10%、10 万千瓦出力下掺烧比例达到 35%，不同工况下氨燃尽率均达 99.99%，氮氧化物排放水平与改造前相当。 国内外科研机构的试验结果表明，燃煤锅炉混氨燃烧可使得煤粉和氨良好燃 尽，燃烧后氮氧化物排放不随混氨比例增加而等比例升高，且可通过分级燃烧等 方式显著降低氮氧化物排放。
锅炉掺氨改造根据掺氨比例的不同，锅炉改造的方式也会有所不同，通过国 内目前的掺氨示范项目了解，在掺氨 0-30%的范围内，锅炉的换热结构几乎无需 改动即可满足要求，对锅炉本体的改造主要是集中在燃烧器的加装，包括主燃区 的煤掺氨燃烧器和还原区的纯氨燃烧器。除了锅炉本体之外，还需要配套有大型 氨气化及供应系统，包括有大型氨区，液氨增压系统，液氨管道，液氨蒸发器， 缓冲罐；对于锅炉掺氨比例超过 30%时，相比于纯煤燃烧，氨煤混烧时产生的辐 射换热降低，而对流换热增加，因此部分位置的换热器容量需要进行适当的增加。
（三）氢基能源燃料电池 氢基能源可以通过燃料电池转化为电能回流到电力系统中。燃料电池是一种 将燃料所具有的化学能直接转换成电能的装置，基本原理是燃料进入燃料电池的 阳极，在催化剂的作用下分解成质子和电子，形成的质子穿过膜达到燃料电池阴 极，电子则通过外部电路到达燃料电池阴极形成电流。依据电解质的不同，可以 将燃料电池分为五类：包括碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、 熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等。依据燃料的不同，氢基燃料电池 可以分为氢燃料电池、氨燃料电池和甲醇燃料电池，目前氢燃料电池发展较快。 据测算，目前利用氢基能源的燃料电池纯发电效率约为 50%，通过热电联产的方 式综合效率可达 85%以上。 氢基燃料电池可以单独也可以与电解水制氢系统联合为电力系统提供宝贵 的灵活性调节资源。此外，氢基燃料电池系统还适用于偏远山区、海岛边防、通 信基站、移动电源车等不同规模的固定式、移动式供能场景，具备较广泛的应用 前景。
