文/陸穎，上?？茖W(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，科技中國(guó)
2019年11月6日，美國(guó)燃料電池和氫能協(xié)會(huì)(FCHEA)在2019燃料電池國(guó)際研討會(huì)暨能源展上發(fā)布了《美國(guó)氫能經(jīng)濟(jì)路線圖——減排及驅(qū)動(dòng)氫能在全美實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)》。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(guó)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(jì)的迅速興起和發(fā)展進(jìn)程中，不斷壯大相關(guān)產(chǎn)業(yè)活動(dòng)，從而鞏固美國(guó)在全球能源領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。
一、長(zhǎng)期掌握全球能源技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位的戰(zhàn)略意圖
《美國(guó)氫能經(jīng)濟(jì)路線圖——減排及驅(qū)動(dòng)氫能在全美實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)》從產(chǎn)業(yè)界視角出發(fā)，在共享和開發(fā)經(jīng)濟(jì)模型以及有關(guān)未來(lái)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(chǎng)和應(yīng)用的伙伴關(guān)系，長(zhǎng)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(yùn)輸、燃料電池制造和電力行業(yè)的全球領(lǐng)先公司。同時(shí)，麥肯錫公司為之提供了分析支持，美國(guó)電力研究院(EPRI)提供了科學(xué)觀察和技術(shù)支持。美國(guó)能源部國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)專家提供了分析和審查支持。
二、美國(guó)的氫能經(jīng)濟(jì)愿景
根據(jù)估算，到2050年，氫能將滿足美國(guó)終端能源需求的14%，相當(dāng)于每年超過(guò)2468太瓦時(shí)。
競(jìng)爭(zhēng)激烈的氫工業(yè)將加強(qiáng)美國(guó)在能源方面的領(lǐng)導(dǎo)地位。美國(guó)現(xiàn)在是全球最大的天然氣和石油生產(chǎn)國(guó)，出口到超過(guò)35個(gè)國(guó)家。隨著世界各國(guó)尋求發(fā)展氫能從而減少碳排放，美國(guó)有機(jī)會(huì)加強(qiáng)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(jī)會(huì)。
強(qiáng)勁的氫工業(yè)將增強(qiáng)美國(guó)經(jīng)濟(jì)。氫工業(yè)的不斷發(fā)展，為美國(guó)公民創(chuàng)造了就業(yè)機(jī)會(huì)，為美國(guó)企業(yè)創(chuàng)造了收入。通過(guò)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(guó)、日本、韓國(guó)和澳大利亞，這些在氫價(jià)值鏈中運(yùn)營(yíng)的業(yè)務(wù)也將得到增長(zhǎng)。到2030年，美國(guó)氫能經(jīng)濟(jì)每年可產(chǎn)生約1400億美元的收入，并在整個(gè)氫價(jià)值鏈中提供70萬(wàn)個(gè)工作崗位。到2050年，它可以通過(guò)每年創(chuàng)造約7500億美元的收入和累計(jì)340萬(wàn)個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)來(lái)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。
通過(guò)利用國(guó)內(nèi)能源資源和提高能源彈性，氫能將有助于維護(hù)美國(guó)的國(guó)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(chǔ)備，并使核工業(yè)具有競(jìng)爭(zhēng)力。
氫能帶來(lái)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(shí)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(yùn)輸、工業(yè)原料、備用電源及電力系統(tǒng)等領(lǐng)域的規(guī)模化應(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(dá)到1700萬(wàn)噸，到2050年達(dá)到6300萬(wàn)噸。
三、美國(guó)氫能經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)路線
美國(guó)將需要迅速采取行動(dòng)，必須通過(guò)進(jìn)一步投資和減少監(jiān)管壁壘，促進(jìn)研究與開發(fā)的公共政策來(lái)提高競(jìng)爭(zhēng)力，以繼續(xù)在這個(gè)不斷發(fā)展的行業(yè)中保持領(lǐng)先地位。美國(guó)氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展路線分為以下四個(gè)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(jí)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(dòng)的指南，包括更新法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。公眾激勵(lì)措施和標(biāo)準(zhǔn)可以消解初期市場(chǎng)啟動(dòng)時(shí)的壁壘，將更成熟的氫解決方案推向市場(chǎng)，提高公眾意識(shí)和接受度，并繼續(xù)試點(diǎn)氫的其他用途。該階段專注于在前期用戶市場(chǎng)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(jìn)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(lì)措施來(lái)減少進(jìn)入壁壘，并通過(guò)市場(chǎng)機(jī)制來(lái)擴(kuò)大規(guī)模。
在此階段，不斷擴(kuò)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(yùn)輸業(yè)中，將重點(diǎn)發(fā)展燃料補(bǔ)給基礎(chǔ)設(shè)施，以支持推廣燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)，并開始在乘用車和燃料補(bǔ)給站看到第二代產(chǎn)品。推動(dòng)市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，使之匹配運(yùn)輸業(yè)中既有的氫生產(chǎn)設(shè)施的產(chǎn)能和分銷能級(jí)。其他應(yīng)用的試點(diǎn)，例如燃?xì)饩W(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(guó)的氫需求總量約為1100萬(wàn)噸，道路上的FCEV只有7600輛。到2022年底，美國(guó)所有細(xì)分市場(chǎng)的氫需求總量將增長(zhǎng)到1200萬(wàn)噸。全美的道路上行駛FCEV約3萬(wàn)輛。此外，在有足夠的市場(chǎng)需求的情況下，還將會(huì)有5萬(wàn)輛FCEV物料搬運(yùn)工具。
(二)2023年至2025年：規(guī)模化的早期階段
到2025年，實(shí)現(xiàn)氫的大規(guī)模生產(chǎn)，在成本降低的同時(shí)，使用氫能的地域范圍也不斷擴(kuò)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(lái)協(xié)調(diào)市場(chǎng)參與者并吸引投資。早期市場(chǎng)的政策激勵(lì)措施開始從直接支持過(guò)渡到可擴(kuò)展的市場(chǎng)機(jī)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(guò)使用可再生能源進(jìn)行水電解、可再生天然氣或碳捕捉與儲(chǔ)存技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)氫的制取。隨著制氫規(guī)模的擴(kuò)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(kuò)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(dòng)卡車以及新型輕型FCEV品牌和型號(hào)將投放市場(chǎng)。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(chǎng)用戶對(duì)氫動(dòng)力商用車的接受度和利用率。
對(duì)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(dòng)氫的大規(guī)模生產(chǎn)。在運(yùn)輸方面，這些州將在現(xiàn)有車隊(duì)和試驗(yàn)站的基礎(chǔ)上擴(kuò)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(jìn)的過(guò)程中，制定加氫基礎(chǔ)設(shè)施的推廣計(jì)劃。在需求密集的頻繁路線上，部署中長(zhǎng)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(kuò)展到建筑物的備用發(fā)電。此時(shí)的氫能市場(chǎng)開始轉(zhuǎn)為使用低碳?xì)渥鳛楣I(yè)原料。
到2025年，全美各種應(yīng)用的氫總需求量將達(dá)到1300萬(wàn)噸，道路上行駛共計(jì)15萬(wàn)輛輕、中、重型FCEV，同時(shí)還有12.5萬(wàn)輛FCEV物料搬運(yùn)工具。
(三)2026年至2030年：多元化
2026年至2030年階段的發(fā)展特點(diǎn)在于多樣化，在全美范圍內(nèi)擴(kuò)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(kuò)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(guò)季節(jié)性并網(wǎng)和存儲(chǔ)進(jìn)一步降低成本。
在運(yùn)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(jìn)而覆蓋全美，中長(zhǎng)途氫動(dòng)力卡車的運(yùn)輸規(guī)模將不斷擴(kuò)大。此時(shí)，美國(guó)大多數(shù)州都已落實(shí)了氫經(jīng)濟(jì)路線圖，建立布局廣泛的加氫基礎(chǔ)設(shè)施，激活整個(gè)FCEV市場(chǎng)。
在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，氨、甲醇和石化產(chǎn)品的生產(chǎn)已過(guò)渡到使用低碳?xì)涞哪Ｊ?。通過(guò)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(yùn)業(yè)對(duì)脫碳型燃料的需求不斷增長(zhǎng)，氫基合成燃料在這兩個(gè)產(chǎn)業(yè)中的供應(yīng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。
到2030年底，全美各種應(yīng)用的氫總需求量將突破1700萬(wàn)噸，售出的FCEV將達(dá)到120萬(wàn)輛，在物料搬運(yùn)中有30萬(wàn)輛FCEV搬運(yùn)工具。同時(shí)，全美有4300個(gè)加氫站投入運(yùn)營(yíng)。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(jìng)爭(zhēng)。氫經(jīng)濟(jì)吸引投資，進(jìn)一步用于氫能的開發(fā)和推廣。到2030年，年度投資額預(yù)計(jì)達(dá)到80億美元。
(四)2030年后：在美國(guó)廣泛推廣
2030年之后，氫能將在美國(guó)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(guò)充分的外部性定價(jià)，讓氫能與化石燃料替代品實(shí)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(chǔ)存技術(shù)對(duì)基于化石燃料的制氫設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，讓各種低成本的低碳制氫方式開展公開競(jìng)爭(zhēng)?？缧袠I(yè)擴(kuò)大氫能的使用，在進(jìn)一步降低成本、改善性能的同時(shí)，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(guó)氫經(jīng)濟(jì)的骨干基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。推出不同型號(hào)的FCEV來(lái)滿足客戶的多樣化需求。從而讓原本難以實(shí)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(shí)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(guó)市場(chǎng)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(guó)經(jīng)濟(jì)增添了活力。到2050年，美國(guó)氫能行業(yè)的總收入每年可能達(dá)到7500億美元，包括了FCEV在內(nèi)的所有設(shè)備的銷售和6300萬(wàn)噸的氫需求量。
四、氫能經(jīng)濟(jì)的前進(jìn)之路
實(shí)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(guó)氫工業(yè)的潛力，需采取以下九項(xiàng)行動(dòng)：(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(lì)機(jī)制，以消弭初期市場(chǎng)啟動(dòng)中的障礙;(3)支持基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè);(4)跨部門擴(kuò)大氫能的使用，實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì);(5)在政府采購(gòu)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。
