文/陸穎 上?？茖W(xué)技術(shù)情報研究所，科技中國
2019年11月6日，美國燃料電池和氫能協(xié)會(FCHEA)在2019燃料電池國際研討會暨能源展上發(fā)布了《美國氫能經(jīng)濟路線圖——減排及驅(qū)動氫能在全美實現(xiàn)增長》。該路線圖根據(jù)20家公司和組織的意見編寫而成。路線圖期望美國的決策者和工業(yè)界共同努力并采取正確步驟，在氫能經(jīng)濟的迅速興起和發(fā)展進程中，不斷壯大相關(guān)產(chǎn)業(yè)活動，從而鞏固美國在全球能源領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。
一、長期掌握全球能源技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位的戰(zhàn)略意圖
《美國氫能經(jīng)濟路線圖——減排及驅(qū)動氫能在全美實現(xiàn)增長》從產(chǎn)業(yè)界視角出發(fā)，在共享和開發(fā)經(jīng)濟模型以及有關(guān)未來能源需求和環(huán)境期望的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，勾畫的“建立跨市場和應(yīng)用的伙伴關(guān)系，長久把持全球能源技術(shù)主導(dǎo)權(quán)”的發(fā)展圖景。路線圖的編制成員主要為20家能源、運輸、燃料電池制造和電力行業(yè)的全球領(lǐng)先公司。同時，麥肯錫公司為之提供了分析支持，美國電力研究院(EPRI)提供了科學(xué)觀察和技術(shù)支持。美國能源部國家實驗室和國家可再生能源實驗室的技術(shù)專家提供了分析和審查支持。
二、美國的氫能經(jīng)濟愿景
根據(jù)估算，到2050年，氫能將滿足美國終端能源需求的14%，相當(dāng)于每年超過2468太瓦時。
競爭激烈的氫工業(yè)將加強美國在能源方面的領(lǐng)導(dǎo)地位。美國現(xiàn)在是全球最大的天然氣和石油生產(chǎn)國，出口到超過35個國家。隨著世界各國尋求發(fā)展氫能從而減少碳排放，美國有機會加強和發(fā)展其能源領(lǐng)導(dǎo)地位并在該領(lǐng)域創(chuàng)造就業(yè)機會。
強勁的氫工業(yè)將增強美國經(jīng)濟。氫工業(yè)的不斷發(fā)展，為美國公民創(chuàng)造了就業(yè)機會，為美國企業(yè)創(chuàng)造了收入。通過向希望發(fā)展氫能基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)出口技術(shù)，例如歐洲、中國、日本、韓國和澳大利亞，這些在氫價值鏈中運營的業(yè)務(wù)也將得到增長。到2030年，美國氫能經(jīng)濟每年可產(chǎn)生約1400億美元的收入，并在整個氫價值鏈中提供70萬個工作崗位。到2050年，它可以通過每年創(chuàng)造約7500億美元的收入和累計340萬個就業(yè)機會來推動經(jīng)濟增長。
通過利用國內(nèi)能源資源和提高能源彈性，氫能將有助于維護美國的國家能源安全。氫生產(chǎn)將利用豐富的可再生資源、天然氣和碳儲備，并使核工業(yè)具有競爭力。
氫能帶來重大的環(huán)境和健康效益。除了降低碳排放量之外，用作車用燃料的氫還完全消除了排氣管微粒、氮氧化物和硫氧化物的排放，改善了區(qū)域空氣質(zhì)量，同時減少了溫室氣體排放。
氫能更好地整合低碳電力資源。隨著氫能在交通運輸、工業(yè)原料、備用電源及電力系統(tǒng)等領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用，全美氫需求量將快速拉升。所有這些應(yīng)用所需的氫到2030年可能達到1700萬噸，到2050年達到6300萬噸。
三、美國氫能經(jīng)濟的實現(xiàn)路線
美國將需要迅速采取行動，必須通過進一步投資和減少監(jiān)管壁壘，促進研究與開發(fā)的公共政策來提高競爭力，以繼續(xù)在這個不斷發(fā)展的行業(yè)中保持領(lǐng)先地位。美國氫能經(jīng)濟發(fā)展路線分為以下四個階段：
(一)2020年至2022年：立即采取后續(xù)措施
在最初的兩到三年中，目的是在更多的州和聯(lián)邦一級確定可靠且技術(shù)中立的脫碳目標(biāo)。這些目標(biāo)將作為具體政策和監(jiān)管行動的指南，包括更新法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。公眾激勵措施和標(biāo)準(zhǔn)可以消解初期市場啟動時的壁壘，將更成熟的氫解決方案推向市場，提高公眾意識和接受度，并繼續(xù)試點氫的其他用途。該階段專注于在前期用戶市場中的早期商業(yè)可行應(yīng)用，例如在全美范圍內(nèi)推廣燃料電池叉車，在加利福尼亞州進一步部署輕型和重型車輛。這些早期應(yīng)用要求采取多種激勵措施來減少進入壁壘，并通過市場機制來擴大規(guī)模。
在此階段，不斷擴大成熟的應(yīng)用領(lǐng)域(例如叉車)和接近收支平衡的應(yīng)用領(lǐng)域(例如備用電源解決方案)。在運輸業(yè)中，將重點發(fā)展燃料補給基礎(chǔ)設(shè)施，以支持推廣燃料電池電動汽車(FCEV)，并開始在乘用車和燃料補給站看到第二代產(chǎn)品。推動市場需求的增長，使之匹配運輸業(yè)中既有的氫生產(chǎn)設(shè)施的產(chǎn)能和分銷能級。其他應(yīng)用的試點，例如燃氣網(wǎng)絡(luò)中使用混合氣體，則為廣泛利用氫能做準(zhǔn)備。
目前，美國的氫需求總量約為1100萬噸，道路上的FCEV只有7600輛。到2022年底，美國所有細分市場的氫需求總量將增長到1200萬噸。全美的道路上行駛FCEV約3萬輛。此外，在有足夠的市場需求的情況下，還將會有5萬輛FCEV物料搬運工具。
(二)2023年至2025年：規(guī)?；脑缙陔A段
到2025年，實現(xiàn)氫的大規(guī)模生產(chǎn)，在成本降低的同時，使用氫能的地域范圍也不斷擴大，不再局限于起步較早的州。這需要明確的監(jiān)管準(zhǔn)則來協(xié)調(diào)市場參與者并吸引投資。早期市場的政策激勵措施開始從直接支持過渡到可擴展的市場機制。
在此階段，建設(shè)首批大規(guī)模制氫設(shè)施。這些設(shè)施通過使用可再生能源進行水電解、可再生天然氣或碳捕捉與儲存技術(shù)來實現(xiàn)氫的制取。隨著制氫規(guī)模的擴大，與氫有關(guān)的設(shè)備(尤其是汽車燃料電池生產(chǎn)和燃料站設(shè)備)同步擴大規(guī)模，從而降低成本、提升性能。中型和重型燃料電池電動卡車以及新型輕型FCEV品牌和型號將投放市場。服務(wù)于中型和重型車輛的第二代高通量加氫站，提高了初期市場用戶對氫動力商用車的接受度和利用率。
對于建筑物供暖，起步較早的州開始將少量的氫氣混合到供暖管道中，從而推動氫的大規(guī)模生產(chǎn)。在運輸方面，這些州將在現(xiàn)有車隊和試驗站的基礎(chǔ)上擴大輕型乘用車加氫基礎(chǔ)設(shè)施的覆蓋面和容量。在其他州跟進的過程中，制定加氫基礎(chǔ)設(shè)施的推廣計劃。在需求密集的頻繁路線上，部署中長途卡車所需的加氫設(shè)施。此外，氫燃料電池的用途從新建的數(shù)據(jù)中心和電信塔擴展到建筑物的備用發(fā)電。此時的氫能市場開始轉(zhuǎn)為使用低碳氫作為工業(yè)原料。
到2025年，全美各種應(yīng)用的氫總需求量將達到1300萬噸，道路上行駛共計15萬輛輕、中、重型FCEV，同時還有12.5萬輛FCEV物料搬運工具。
(三)2026年至2030年：多元化
2026年至2030年階段的發(fā)展特點在于多樣化，在全美范圍內(nèi)擴大基礎(chǔ)設(shè)施。各種制氫途徑被廣泛使用，電解氫生產(chǎn)的規(guī)模持續(xù)擴大，開始與電網(wǎng)和可再生能源生產(chǎn)建立密切關(guān)聯(lián)。建立第一條氫氣傳輸管道，通過季節(jié)性并網(wǎng)和存儲進一步降低成本。
在運輸領(lǐng)域，隨著重型、高通量的加氫站基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)結(jié)成區(qū)域網(wǎng)絡(luò)進而覆蓋全美，中長途氫動力卡車的運輸規(guī)模將不斷擴大。此時，美國大多數(shù)州都已落實了氫經(jīng)濟路線圖，建立布局廣泛的加氫基礎(chǔ)設(shè)施，激活整個FCEV市場。
在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，氨、甲醇和石化產(chǎn)品的生產(chǎn)已過渡到使用低碳氫的模式。通過大規(guī)模制氫，降低了所有部門的生產(chǎn)成本。航空業(yè)和航運業(yè)對脫碳型燃料的需求不斷增長，氫基合成燃料在這兩個產(chǎn)業(yè)中的供應(yīng)規(guī)模持續(xù)擴大。
到2030年底，全美各種應(yīng)用的氫總需求量將突破1700萬噸，售出的FCEV將達到120萬輛，在物料搬運中有30萬輛FCEV搬運工具。同時，全美有4300個加氫站投入運營。隨著制氫成本的降低和基礎(chǔ)設(shè)施的到位，各類制氫解決方案開始競爭。氫經(jīng)濟吸引投資，進一步用于氫能的開發(fā)和推廣。到2030年，年度投資額預(yù)計達到80億美元。
(四)2030年后：在美國廣泛推廣
2030年之后，氫能將在美國各地區(qū)、各行業(yè)大規(guī)模部署。在大多數(shù)的應(yīng)用中，通過充分的外部性定價，讓氫能與化石燃料替代品實現(xiàn)成本均等，之后讓此前的支持性政策逐步退出。
利用碳捕捉與儲存技術(shù)對基于化石燃料的制氫設(shè)備進行改進，讓各種低成本的低碳制氫方式開展公開競爭?？缧袠I(yè)擴大氫能的使用，在進一步降低成本、改善性能的同時，激發(fā)行業(yè)間的協(xié)同效應(yīng)。低碳制氫設(shè)施的全美廣泛布局，氫氣輸送管道網(wǎng)絡(luò)和大型加氫設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的成型，鞏固了美國氫經(jīng)濟的骨干基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。推出不同型號的FCEV來滿足客戶的多樣化需求。從而讓原本難以實現(xiàn)脫碳的工業(yè)部門顯著減少溫室氣體排放，建筑也廣泛實現(xiàn)低碳化乃至脫碳，有更多的零排放汽車上路。
除了為本國市場制造和生產(chǎn)外，向歐洲和亞洲出口氫和技術(shù)，同樣也為美國經(jīng)濟增添了活力。到2050年，美國氫能行業(yè)的總收入每年可能達到7500億美元，包括了FCEV在內(nèi)的所有設(shè)備的銷售和6300萬噸的氫需求量。
四、氫能經(jīng)濟的前進之路
實現(xiàn)此路線圖，需要產(chǎn)業(yè)部門、投資者和政策制定者的共同努力。要釋放美國氫工業(yè)的潛力，需采取以下九項行動：
(1)設(shè)定可靠的、技術(shù)中立的脫碳目標(biāo);
(2)建立公共激勵機制，以消弭初期市場啟動中的障礙;
(3)支持基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè);
(4)跨部門擴大氫能的使用，實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟;
(5)在政府采購中添加基于氫能的選擇;
(6)支持研究、開發(fā)、示范和部署;
(7)協(xié)調(diào)技術(shù)規(guī)范和安全標(biāo)準(zhǔn);
(8)支持外展和員工發(fā)展;
(9)審查能源部門法規(guī)，以確保兼顧氫能。
