電池電動(dòng)汽車正在成為頭條新聞，但燃料電池正在獲得動(dòng)力—這是有充分理由的。氫可以在可再生能源系統(tǒng)和未來(lái)的移動(dòng)性中發(fā)揮重要作用。
在2015年巴黎舉行的COP21會(huì)議上，195個(gè)國(guó)家同意將全球變暖保持在工業(yè)前水平2攝氏度以下。為了達(dá)到這一目標(biāo)，即使人口增長(zhǎng)超過(guò)20億，到2050年，世界仍需要將與能源有關(guān)的二氧化碳（CO2）排放量減少60%。這需要我們的能源系統(tǒng)發(fā)生巨大變化：能源效率的大幅提高，向可再生能源和低碳能源載體的過(guò)渡，以及工業(yè)捕獲、儲(chǔ)存或再利用剩余化石燃料產(chǎn)生的二氧化碳排放的速度的提高。
巴黎協(xié)定兩年后，在波恩舉行的COP23會(huì)議上，氫理事會(huì)（由汽車、石油和天然氣、工業(yè)天然氣和設(shè)備行業(yè)的18家公司組成的聯(lián)盟）提出了氫如何為雄心勃勃的氣候目標(biāo)作出貢獻(xiàn)的愿景。它認(rèn)為氫是向可再生能源系統(tǒng)過(guò)渡的推動(dòng)者，是廣泛應(yīng)用的清潔能源載體。如果認(rèn)真努力將全球變暖限制在2度，安理會(huì)估計(jì)到2050年，氫可能占總減排需求的五分之一左右。如果政策制定者、行業(yè)和投資者加緊努力加快低碳技術(shù)的部署，這一愿景是雄心勃勃的，但也是可行的。
氫在能源轉(zhuǎn)型中可以起到7個(gè)主要作用
氫是一種多用途的能量載體，可以以低碳足跡生產(chǎn)。它可以在能源轉(zhuǎn)換中發(fā)揮7個(gè)主要作用，從能源系統(tǒng)的主干到最終用途的脫碳（圖1）：
強(qiáng)化可再生能源系統(tǒng)（1-3）。通過(guò)提供長(zhǎng)期儲(chǔ)能的手段，氫可以使可再生電力大規(guī)模集成到能源系統(tǒng)中。它允許跨區(qū)域和季節(jié)分配能量，并可作為緩沖，以提高能源系統(tǒng)的恢復(fù)能力。
交通運(yùn)輸部門(mén)脫碳（4）。今天的交通運(yùn)輸部門(mén)幾乎完全依賴化石燃料，產(chǎn)生的二氧化碳排放量超過(guò)20%。氫能車輛具有高性能和快速加油時(shí)間提供的便利性，可以補(bǔ)充電池電動(dòng)車輛，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸部門(mén)的廣泛脫碳。
工業(yè)能源使用側(cè)脫碳（5）。在重工業(yè)中，氫可以幫助使難以通電的過(guò)程脫碳，特別是那些需要高等級(jí)熱量的過(guò)程。氫還可以用于熱電聯(lián)產(chǎn)裝置，以產(chǎn)生工業(yè)用熱和電力。
建筑熱量和電力脫碳（6）。在擁有現(xiàn)有天然氣網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)，氫氣可以依靠現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，并提供一種經(jīng)濟(jì)有效的加熱脫碳方法。
為工業(yè)提供清潔原料（7）。目前氫氣作為工業(yè)原料的用量—每年超過(guò)5500萬(wàn)噸—可以完全脫碳。氫也可用于生產(chǎn)清潔化學(xué)品和鋼，通過(guò)與捕獲的碳一起用作化學(xué)原料并用作鐵礦石的還原劑。
圖1 氫能在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮的7種作用
氫氣在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的作用體現(xiàn)在整個(gè)系統(tǒng)的愿景中
如上所述，氫在能源系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用（圖2），其中最重要的是氫運(yùn)輸部門(mén)的脫碳作用。在氫能委員會(huì)的愿景中，氫氣被大力部署以將全球變暖限制在2度，全球氫需求增長(zhǎng)的三分之一可能來(lái)自交通運(yùn)輸部門(mén)。到2050年，該委員會(huì)成員認(rèn)為，氫動(dòng)力燃料電池汽車可占車輛總數(shù)的20%，約4億輛汽車，1500萬(wàn)至2000萬(wàn)輛卡車和約500萬(wàn)輛公共汽車。在他們的設(shè)想中，氫將在較重和遠(yuǎn)程路段中發(fā)揮更大的作用，因此，由于這些路段的行駛距離較長(zhǎng)，燃料效率較低，氫對(duì)道路運(yùn)輸部門(mén)的總排放減排目標(biāo)的貢獻(xiàn)大約高出其份額的30%。
圖2 氫可以在低碳技術(shù)組合中發(fā)揮關(guān)鍵作用
在該委員會(huì)的愿景中，氫動(dòng)力機(jī)車也可以取代20%的內(nèi)燃機(jī)車，氫基合成燃料可以為飛機(jī)和貨船提供動(dòng)力?？傊?，如果按照所描述的程度部署氫氣，運(yùn)輸部門(mén)每天可以減少2000萬(wàn)桶石油。
燃料電池可以補(bǔ)充電池以使運(yùn)輸脫碳
氫和電池通常被描述為競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)，近年來(lái)電池受到了很多關(guān)注（“質(zhì)子對(duì)電子”）。然而，這些技術(shù)的相對(duì)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)表明它們應(yīng)該發(fā)揮互補(bǔ)作用。電池電動(dòng)汽車具有更高的整體燃油效率，只要它們不會(huì)因電池尺寸過(guò)大而過(guò)重，使其成為短距離和輕型車輛的理想選擇。氫能夠以更輕的重量?jī)?chǔ)存更多的能量，使燃料電池適用于具有重載荷和長(zhǎng)距離的車輛。更快的加油也使商業(yè)車隊(duì)和其他近乎連續(xù)使用的車輛受益。技術(shù)如何相關(guān)將主要取決于電池技術(shù)將如何發(fā)展以及如何通過(guò)縮放燃料電池生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)成本降低的速度。
到2030年，道路上將需要相當(dāng)于大約8000萬(wàn)輛零排放車輛，到2050年，每人每公里平均二氧化碳排放量將減少70%。實(shí)現(xiàn)這些雄心勃勃的目標(biāo)將需要一系列動(dòng)力系統(tǒng)和燃料。
不僅電池電動(dòng)汽車（BEV）和燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）不會(huì)競(jìng)爭(zhēng)，而且BEV的日益成功實(shí)際上可能推動(dòng)FCEV的采用。這兩種技術(shù)都受益于電動(dòng)汽車的廣泛接受，并且不斷增長(zhǎng)的規(guī)模降低了電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)和其他部件的成本。行業(yè)專家認(rèn)為，BEV和FCEV的總擁有成本可能會(huì)在未來(lái)十年內(nèi)趨同，并且從今天起12或15年內(nèi)與內(nèi)燃機(jī)（ICE）車輛相比具有競(jìng)爭(zhēng)力。
基于其整個(gè)生命周期，F(xiàn)CEV實(shí)現(xiàn)了非常低的二氧化碳排放，部分原因是它們不需要生產(chǎn)能源和資源密集型的大型電池。即使FCEV使用天然氣中的氫而沒(méi)有碳捕獲，它們比內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛排放的二氧化碳減少20~30%。實(shí)際上，氫氣的CO2強(qiáng)度更低：許多加油站通過(guò)可再生電力從電解中提取氫氣供應(yīng)，化石能源的生產(chǎn)可以與有效的碳捕獲和儲(chǔ)存相結(jié)合。
優(yōu)先級(jí)細(xì)分和用例可以引領(lǐng)運(yùn)輸方式
正如通過(guò)技術(shù)轉(zhuǎn)變的其他行業(yè)一樣，氫氣的采用可能會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)（圖3）。
圖3 氫氣的采用可以從乘用車和公共汽車開(kāi)始
氫燃料汽車的商業(yè)化已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于乘用車，因?yàn)闅淙剂掀囎钸m合于更大的細(xì)分市場(chǎng)。在日本、韓國(guó)、美國(guó)（特別是加利福尼亞州）和德國(guó)，三款FCEV（本田Clarity、現(xiàn)代ix35/Tucson燃料電池和豐田Mirai）在商業(yè)上提供，另外10款預(yù)計(jì)在2020年前發(fā)布。需要很長(zhǎng)的正常運(yùn)行時(shí)間的乘坐共乘或出租車服務(wù)可能會(huì)推動(dòng)早期采用，而雄心勃勃的國(guó)家目標(biāo)—如2030年中國(guó)和日本道路上的180萬(wàn)FCEV—可能會(huì)產(chǎn)生額外的動(dòng)力。
由于擔(dān)心當(dāng)?shù)匚廴?，氫氣公交車開(kāi)始受到關(guān)注，特別是在歐洲，中國(guó)，日本和韓國(guó)。韓國(guó)計(jì)劃將26000輛公共汽車轉(zhuǎn)換為氫氣，而僅上海計(jì)劃到2020年購(gòu)買和運(yùn)營(yíng)3000輛燃料電池公共汽車。面包車和小型客車也可以受益于對(duì)城市運(yùn)輸車輛和其他商業(yè)車隊(duì)的嚴(yán)格監(jiān)管。
長(zhǎng)距離運(yùn)載重型有效載荷的卡車是另一個(gè)優(yōu)先考慮的部分。由于長(zhǎng)距離和確定的路線，它們可能需要較少的基礎(chǔ)設(shè)施：一些估計(jì)表明350個(gè)加油站可以覆蓋整個(gè)美國(guó)。豐田等知名制造商以及尼古拉汽車等新創(chuàng)企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始制造重型和長(zhǎng)途卡車，以抓住蓬勃發(fā)展的貨運(yùn)業(yè)的機(jī)遇。
燃料電池列車可以替代非電氣軌道上的許多柴油動(dòng)力機(jī)車。第一條燃料電池電車已經(jīng)在中國(guó)運(yùn)營(yíng)，阿爾斯通的第一輛“液壓”列車將于2018年初開(kāi)始在德國(guó)接載乘客。
要實(shí)現(xiàn)愿景中概述的2050年宏偉目標(biāo)，必須在2030年前實(shí)現(xiàn)重要的里程碑。氫能委員會(huì)估計(jì)，如果大力推廣基礎(chǔ)設(shè)施和擴(kuò)大生產(chǎn)，在加利福尼亞、德國(guó)、日本和韓國(guó)銷售的12輛汽車中就有1輛可以使用氫能。全球范圍內(nèi)，大約有5萬(wàn)輛燃料電池公交車和35萬(wàn)輛燃料電池卡車也將上路，節(jié)省的二氧化碳相當(dāng)于350萬(wàn)輛氫動(dòng)力乘用車。
為了加快發(fā)展勢(shì)頭，行業(yè)、投資者和政策制定者需要加大努力
由加利福尼亞，德國(guó)，日本和韓國(guó)領(lǐng)導(dǎo)的一組地區(qū)正在推動(dòng)開(kāi)發(fā)，每年花費(fèi)超過(guò)8.5億美元用于推進(jìn)氫和燃料電池技術(shù)（圖4）。其他國(guó)家也在積極關(guān)注，包括中國(guó)，中國(guó)正在開(kāi)始擴(kuò)大自己的制造能力以及加油站網(wǎng)絡(luò)。在全球范圍內(nèi)，各國(guó)已宣布到2025年將建造約2800個(gè)加氫站。與全球估計(jì)的60萬(wàn)個(gè)加油站相比，這是一個(gè)很小的數(shù)字，但如果實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就足以覆蓋氫汽車的主要市場(chǎng)（德國(guó)倡議H2Mobility估計(jì)，全國(guó)覆蓋400個(gè)加油站）。
盡管這些投資至關(guān)重要，但要達(dá)到規(guī)模和降低成本還需要更多的投資。目前，通過(guò)燃料電池汽車節(jié)省的二氧化碳的成本估計(jì)超過(guò)1500美元/噸，并且在2030~2035年左右，為了使這項(xiàng)技術(shù)與傳統(tǒng)的技術(shù)達(dá)到平衡點(diǎn)，還需要進(jìn)行大規(guī)模的推廣。降低成本、擴(kuò)大基礎(chǔ)設(shè)施和增加模型選擇是刺激客戶接受該技術(shù)的先決條件。
氫能委員會(huì)估計(jì)到2030年需要2800億美元的投資。這筆投資中約有60%用于擴(kuò)大氫氣的生產(chǎn)，儲(chǔ)存和分配，30%用于系列開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)線和新業(yè)務(wù)模式。不到10%—約200億美元—將需要建設(shè)15000個(gè)站點(diǎn)的全球氫氣加油基礎(chǔ)設(shè)施，目前缺乏該基礎(chǔ)設(shè)施是FCEV采用的主要瓶頸。
擴(kuò)大基礎(chǔ)設(shè)施部署必須進(jìn)一步降低氫成本。在德國(guó)建造一個(gè)中型加油站已經(jīng)花費(fèi)了五年前的一半，大約100萬(wàn)美元，但需要進(jìn)一步減少以支持進(jìn)入大眾市場(chǎng)。根據(jù)規(guī)模，氫氣理事會(huì)估計(jì)每個(gè)FCEV的基礎(chǔ)設(shè)施成本可能低于1000美元。同樣，車輛成本需要進(jìn)一步降低，以支持向大眾市場(chǎng)的推廣。
圖4 政府每年投入大約8.5億美元的氫氣
雖然到2030年每年的總投資需求為200億至250億美元，這對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)重大進(jìn)步，但全球每年已投入超過(guò)1.7萬(wàn)億美元的能源，其中包括6500億美元的石油和天然氣，3000億美元的可再生電力，以及汽車行業(yè)超過(guò)3000億美元。從中期來(lái)看，投資可以創(chuàng)造一個(gè)自給自足的市場(chǎng)，超過(guò)2.5萬(wàn)億美元，并在價(jià)值鏈上創(chuàng)造約3000萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位—基于目前汽車，設(shè)備銷售額每100萬(wàn)美元約12個(gè)工作崗位的乘數(shù)，和石油和天然氣工業(yè)—如果實(shí)現(xiàn)2050年愿景。
