氢在能源转型的角色：氢能在交通转型中的作用

来源：氢眼所见

氢能作为一种前沿能源载体，在交通领域日益受到重视，为化石燃料提供了更环保的替代方案。因其在降低交通碳排放、提升能源安全及整合可再生能源于交通系统方面的潜力，氢能正成为未来交通体系的关键组成部分。下图1总结了氢能对交通部门的核心优势。以下是氢能在交通变革中发挥重要作用的具体体现：

图1：氢在运输中的好处

一、氢燃料电池汽车

• 工作原理：燃料电池通过氢氧化学反应发电，从而驱动车辆，其唯一副产物仅为水蒸气。

• 车型范围：氢燃料电池可广泛应用于乘用车、公交车、卡车、火车、船舶乃至飞机等多种交通工具。

• 应用实例：

1）丰田Mirai：量产氢动力轿车，具备长续航与快速加注特性

2）现代NEXO：氢燃料电池SUV，以零排放与创新技术著称
氢燃料电池汽车的效益汇总见表下表1。

表1：氢燃料电池电动汽车的好处

计算案例：燃料电池汽车氢耗测算

问题描述：某FCEV氢耗为1千克/100公里，计划行驶500公里。已知氢能能量密度33.33千瓦时/千克，燃料电池系统效率60%。需计算：行程所需氢量及车辆总能耗。

解决方案：

已知数据：氢耗率1千克/100公里；行驶里程500公里；氢能能量密度33.33千瓦时/千克；燃料电池效率60%。

1）计算需氢量

需氢量 = 行驶里程 / 每千克氢行驶里程

需氢量 = 500公里 / 100公里/千克 = 5千克

2）计算氢能总能量

E_氢能 = 需氢量 × 单位能量密度

E_氢能 = 5千克 × 33.33千瓦时/千克 = 166.65千瓦时

3）计算燃料电池有效输出能量

E_有效 = E_氢能 × 燃料电池效率

E_有效 = 166.65千瓦时 × 0.6 = 99.99千瓦时

结论总结：

(1) 需氢量：5千克

(2) 氢能总能量：166.65千瓦时

(3) 燃料电池有效输出：99.99千瓦时

本案例印证了氢能在交通领域的实用性，尤其适用于长途重载场景。车辆行驶500公里需5千克氢，彰显其高能量密度特性。60%的能量转换效率则突显提升燃料电池效率的重要性。

二、重型与长途运输脱碳

氢能特别适用于重型运输领域，该领域因重量与续航限制难以适用纯电方案。

• 氢动力卡车：Nikola、现代、戴姆勒等企业正研发长途货运氢能卡车。相较纯电方案，氢能卡车具有续航更长、加注更快优势。

• 氢动力列车：阿尔斯通Coradia iLint等氢能列车可在非电气化线路上运行，正逐步取代农业与区域铁路的柴油机车，实现零碳排放。

• 航运应用：氢及其衍生物（如氨）正成为航运业绿色燃料。马士基"绿色航运战略"等倡议正推动氢能成为零排放海运的关键载体。

• 航空应用：空客等企业正在研发的氢动力飞机有望在2035年前实现短中途航班脱碳。液氢凭借高能量密度与零排放特性，可满足航空业严苛的能耗要求。

三、氢能交通基础设施建设

• 全球加氢站建设：日本、德国、韩国等正大力推进加氢网络建设。

• 战略布局：加氢站沿主干道与城市中心战略性布局，支撑FCEV运行。

• 氢能供应链：

1）生产：通过可再生能源电解水制取绿氢

2）输送：通过管道、槽车或液氢形式运输

3）储存：经压缩或液化后储存以保障供应

• 氢能枢纽作用：集生产、储存、加注于一体的氢能枢纽可降本增效。欧盟"氢谷计划"旨在构建支持交通等多领域的区域氢经济体系。

四、可再生能源与交通融合

• 绿氢交通：源自可再生能源的绿氢保障交通领域完全碳中和。

• 混合能源系统：氢能作为可再生电力与交通需求间的桥梁，提供系统灵活性与稳定性。

• 跨时空调节：氢能实现风能太阳能富集地区的能源转化，支撑全球交通能源贸易。

下表2总结了氢能在交通转型中的优势。

表2：氢在交通运输（车辆、航空和船舶）转型中的优势

下表3剖析了氢能应用的关键挑战并提出可行性解决方案。

表3：挑战和解决方案-氢在交通运输转型中的应用

案例：船舶航程氢耗测算

问题描述：某氢动力货船日能耗5兆瓦时，航程10天。氢能能量密度33.33千瓦时/千克，燃料电池效率45%。需计算：(1)总能耗 ；(2)需氢量。

解决方案：

已知数据：日能耗5兆瓦时/天=5,000千瓦时/天；航程10天；氢能能量密度33.33千瓦时/千克；燃料电池效率45%。

1）计算总能耗

E总 = 日能耗 × 航程天数

E_总 = 5,000千瓦时/天 × 10天 = 50,000千瓦时

2）计算需氢总能量（计入效率）

E_氢能 = E_总 / 燃料电池效率

E_氢能 = 50,000千瓦时 / 0.45 = 111,111千瓦时

3）计算需氢量

需氢量 = E_氢能 / 氢能能量密度

需氢量 = 111,111千瓦时 / 33.33千瓦时/千克 = 3,330.3千克

结论总结：

(1) 总能耗：50,000千瓦时

(2) 需氢量：3,330.3千克

此计算印证氢能在航空航运等高能耗领域脱碳的适用性。货船10天航程需3,330千克氢，彰显其规模化应用潜力。氢能的轻质与零排放特性使其成为航运业脱碳的理想选择。

五、全球案例研究

• 日本氢能社会愿景：通过大规模投资氢基础设施，推动燃料电池汽车与绿色交通系统建设

• 加州氢能高速：美国氢设施建设引领者，支撑日益扩大的氢动力汽车车队

• 德国氢能铁路：氢动力列车成功投运，验证零排放替代柴油机车的可行性

六、未来展望

• 绿氢规模化：电解槽技术进步与可再生能源普及将推动绿氢成本下降与普及

• 氢能自动驾驶车队：氢动力自动驾驶车辆在物流、公交及末端配送领域的应用探索

• 氢能国际贸易：通过进出口网络建设，支撑全球脱碳行动，实现清洁能源跨国流通

氢能以其零排放、灵活及可扩展的特性，正引发交通领域的革命。从私家车到国际航运，氢能全方位推动可持续交通未来。若能克服基础设施与成本障碍，氢能有望在全球引领构建环境友好、经济可行且韧性强大的新一代交通体系。

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