電池電動汽車正在成為頭條新聞，但燃料電池正在獲得動力—這是有充分理由的。氫可以在可再生能源系統(tǒng)和未來的移動性中發(fā)揮重要作用。
在2015年巴黎舉行的COP21會議上，195個國家同意將全球變暖保持在工業(yè)前水平2攝氏度以下。為了達到這一目標(biāo)，即使人口增長超過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渡，以及工業(yè)捕獲、儲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會議上，氫理事會（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)作出貢獻的愿景。它認(rèn)為氫是向可再生能源系統(tǒng)過渡的推動者，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，安理會估計到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個主要作用，從能源系統(tǒng)的主干到最終用途的脫碳（圖1）：
強化可再生能源系統(tǒng)（1-3）。通過提供長期儲能的手段，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。
交通運輸部門脫碳（4）。今天的交通運輸部門幾乎完全依賴化石燃料，產(chǎn)生的二氧化碳排放量超過20%。氫能車輛具有高性能和快速加油時間提供的便利性，可以補充電池電動車輛，實現(xiàn)運輸部門的廣泛脫碳。
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程脫碳，特別是那些需要高等級熱量的過程。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5500萬噸—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
氫氣在交通運輸領(lǐng)域的作用體現(xiàn)在整個系統(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輸部門的脫碳作用。在氫能委員會的愿景中，氫氣被大力部署以將全球變暖限制在2度，全球氫需求增長的三分之一可能來自交通運輸部門。到2050年，該委員會成員認(rèn)為，氫動力燃料電池汽車可占車輛總數(shù)的20%，約4億輛汽車，1500萬至2000萬輛卡車和約500萬輛公共汽車。在他們的設(shè)想中，氫將在較重和遠程路段中發(fā)揮更大的作用，因此，由于這些路段的行駛距離較長，燃料效率較低，氫對道路運輸部門的總排放減排目標(biāo)的貢獻大約高出其份額的30%。
圖2 氫可以在低碳技術(shù)組合中發(fā)揮關(guān)鍵作用
在該委員會的愿景中，氫動力機車也可以取代20%的內(nèi)燃機車，氫基合成燃料可以為飛機和貨船提供動力。總之，如果按照所描述的程度部署氫氣，運輸部門每天可以減少2000萬桶石油。
燃料電池可以補充電池以使運輸脫碳
氫和電池通常被描述為競爭技術(shù)，近年來電池受到了很多關(guān)注（“質(zhì)子對電子”）。然而，這些技術(shù)的相對優(yōu)勢和劣勢表明它們應(yīng)該發(fā)揮互補作用。電池電動汽車具有更高的整體燃油效率，只要它們不會因電池尺寸過大而過重，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儲存更多的能量，使燃料電池適用于具有重載荷和長距離的車輛。更快的加油也使商業(yè)車隊和其他近乎連續(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)展以及如何通過縮放燃料電池生產(chǎn)實現(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%。實現(xiàn)這些雄心勃勃的目標(biāo)將需要一系列動力系統(tǒng)和燃料。
不僅電池電動汽車（BEV）和燃料電池電動汽車（FCEV）不會競爭，而且BEV的日益成功實際上可能推動FCEV的采用。這兩種技術(shù)都受益于電動汽車的廣泛接受，并且不斷增長的規(guī)模降低了電動傳動系統(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在未來十年內(nèi)趨同，并且從今天起12或15年內(nèi)與內(nèi)燃機（ICE）車輛相比具有競爭力。
基于其整個生命周期，F(xiàn)CEV實現(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有碳捕獲，它們比內(nèi)燃機驅(qū)動的車輛排放的二氧化碳減少20~30%。實際上，氫氣的CO2強度更低：許多加油站通過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存相結(jié)合。
優(yōu)先級細分和用例可以引領(lǐng)運輸方式
正如通過技術(shù)轉(zhuǎn)變的其他行業(yè)一樣，氫氣的采用可能會出現(xiàn)波動（圖3）。
圖3 氫氣的采用可以從乘用車和公共汽車開始
氫燃料汽車的商業(yè)化已經(jīng)開始應(yīng)用于乘用車，因為氫燃料汽車最適合于更大的細分市場。在日本、韓國、美國（特別是加利福尼亞州）和德國，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)計在2020年前發(fā)布。需要很長的正常運行時間的乘坐共乘或出租車服務(wù)可能會推動早期采用，而雄心勃勃的國家目標(biāo)—如2030年中國和日本道路上的180萬FCEV—可能會產(chǎn)生額外的動力。
由于擔(dān)心當(dāng)?shù)匚廴?，氫氣公交車開始受到關(guān)注，特別是在歐洲，中國，日本和韓國。韓國計劃將26000輛公共汽車轉(zhuǎn)換為氫氣，而僅上海計劃到2020年購買和運營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城市運輸車輛和其他商業(yè)車隊的嚴(yán)格監(jiān)管。
長距離運載重型有效載荷的卡車是另一個優(yōu)先考慮的部分。由于長距離和確定的路線，它們可能需要較少的基礎(chǔ)設(shè)施：一些估計表明350個加油站可以覆蓋整個美國。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)開始制造重型和長途卡車，以抓住蓬勃發(fā)展的貨運業(yè)的機遇。
燃料電池列車可以替代非電氣軌道上的許多柴油動力機車。第一條燃料電池電車已經(jīng)在中國運營，阿爾斯通的第一輛“液壓”列車將于2018年初開始在德國接載乘客。
要實現(xiàn)愿景中概述的2050年宏偉目標(biāo)，必須在2030年前實現(xiàn)重要的里程碑。氫能委員會估計，如果大力推廣基礎(chǔ)設(shè)施和擴大生產(chǎn)，在加利福尼亞、德國、日本和韓國銷售的12輛汽車中就有1輛可以使用氫能。全球范圍內(nèi)，大約有5萬輛燃料電池公交車和35萬輛燃料電池卡車也將上路，節(jié)省的二氧化碳相當(dāng)于350萬輛氫動力乘用車。
為了加快發(fā)展勢頭，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，日本和韓國領(lǐng)導(dǎo)的一組地區(qū)正在推動開發(fā)，每年花費超過8.5億美元用于推進氫和燃料電池技術(shù)（圖4）。其他國家也在積極關(guān)注，包括中國，中國正在開始擴大自己的制造能力以及加油站網(wǎng)絡(luò)。在全球范圍內(nèi)，各國已宣布到2025年將建造約2800個加氫站。與全球估計的60萬個加油站相比，這是一個很小的數(shù)字，但如果實現(xiàn)這一點，就足以覆蓋氫汽車的主要市場（德國倡議H2Mobility估計，全國覆蓋400個加油站）。
盡管這些投資至關(guān)重要，但要達到規(guī)模和降低成本還需要更多的投資。目前，通過燃料電池汽車節(jié)省的二氧化碳的成本估計超過1500美元/噸，并且在2030~2035年左右，為了使這項技術(shù)與傳統(tǒng)的技術(shù)達到平衡點，還需要進行大規(guī)模的推廣。降低成本、擴大基礎(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。
氫能委員會估計到2030年需要2800億美元的投資。這筆投資中約有60%用于擴大氫氣的生產(chǎn)，儲存和分配，30%用于系列開發(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個站點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。
擴大基礎(chǔ)設(shè)施部署必須進一步降低氫成本。在德國建造一個中型加油站已經(jīng)花費了五年前的一半，大約100萬美元，但需要進一步減少以支持進入大眾市場。根據(jù)規(guī)模，氫氣理事會估計每個FCEV的基礎(chǔ)設(shè)施成本可能低于1000美元。同樣，車輛成本需要進一步降低，以支持向大眾市場的推廣。
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，這對氫能產(chǎn)業(yè)來說是一個重大進步，但全球每年已投入超過1.7萬億美元的能源，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3000億美元。從中期來看，投資可以創(chuàng)造一個自給自足的市場，超過2.5萬億美元，并在價值鏈上創(chuàng)造約3000萬個就業(yè)崗位—基于目前汽車，設(shè)備銷售額每100萬美元約12個工作崗位的乘數(shù)，和石油和天然氣工業(yè)—如果實現(xiàn)2050年愿景。
