电池电动汽车正在成为头条新闻,但燃料电池正在获得动力—这是有充分理由的。氢可以在可再生能源系统和未来的移动性中发挥重要作用。

 

在 2015 年巴黎举行的 COP21 会议上,195 个国家同意将全球变暖保持在工业前水平 2 摄氏度以下。为了达到这一目标,即使人口增长超过 20 亿,到 2050 年,世界仍需要将与能源有关的二氧化碳(CO2)排放量减少 60%。这需要我们的能源系统发生巨大变化:能源效率的大幅提高,向可再生能源和低碳能源载体的过渡,以及工业捕获、储存或再利用剩余化石燃料产生的二氧化碳排放的速度的提高。

 

巴黎协定两年后,在波恩举行的 COP23 会议上,氢理事会(由汽车、石油和天然气、工业天然气和设备行业的 18 家公司组成的联盟)提出了氢如何为雄心勃勃的气候目标作出贡献的愿景。它认为氢是向可再生能源系统过渡的推动者,是广泛应用的清洁能源载体。如果认真努力将全球变暖限制在 2 度,安理会估计到 2050 年,氢可能占总减排需求的五分之一左右。如果政策制定者、行业和投资者加紧努力加快低碳技术的部署,这一愿景是雄心勃勃的,但也是可行的。

 

氢在能源转型中可以起到 7 个主要作用

氢是一种多用途的能量载体,可以以低碳足迹生产。它可以在能源转换中发挥 7 个主要作用,从能源系统的主干到最终用途的脱碳(图 1):

 

强化可再生能源系统(1-3)。通过提供长期储能的手段,氢可以使可再生电力大规模集成到能源系统中。它允许跨区域和季节分配能量,并可作为缓冲,以提高能源系统的恢复能力。

 

交通运输部门脱碳(4)。今天的交通运输部门几乎完全依赖化石燃料,产生的二氧化碳排放量超过 20%。氢能车辆具有高性能和快速加油时间提供的便利性,可以补充电池电动车辆,实现运输部门的广泛脱碳。

 

工业能源使用侧脱碳(5)。在重工业中,氢可以帮助使难以通电的过程脱碳,特别是那些需要高等级热量的过程。氢还可以用于热电联产装置,以产生工业用热和电力。

 

建筑热量和电力脱碳(6)。在拥有现有天然气网络的地区,氢气可以依靠现有的基础设施,并提供一种经济有效的加热脱碳方法。

 

为工业提供清洁原料(7)。目前氢气作为工业原料的用量—每年超过 5500 万吨—可以完全脱碳。氢也可用于生产清洁化学品和钢,通过与捕获的碳一起用作化学原料并用作铁矿石的还原剂。

 

图 1 氢能在能源转型中发挥的 7 种作用

 

氢气在交通运输领域的作用体现在整个系统的愿景中

如上所述,氢在能源系统中具有广泛的应用(图 2),其中最重要的是氢运输部门的脱碳作用。在氢能委员会的愿景中,氢气被大力部署以将全球变暖限制在 2 度,全球氢需求增长的三分之一可能来自交通运输部门。到 2050 年,该委员会成员认为,氢动力燃料电池汽车可占车辆总数的 20%,约 4 亿辆汽车,1500 万至 2000 万辆卡车和约 500 万辆公共汽车。在他们的设想中,氢将在较重和远程路段中发挥更大的作用,因此,由于这些路段的行驶距离较长,燃料效率较低,氢对道路运输部门的总排放减排目标的贡献大约高出其份额的 30%。

 

图 2 氢可以在低碳技术组合中发挥关键作用

 

在该委员会的愿景中,氢动力机车也可以取代 20%的内燃机车,氢基合成燃料可以为飞机和货船提供动力。总之,如果按照所描述的程度部署氢气,运输部门每天可以减少 2000 万桶石油。

 

燃料电池可以补充电池以使运输脱碳

氢和电池通常被描述为竞争技术,近年来电池受到了很多关注(“质子对电子”)。然而,这些技术的相对优势和劣势表明它们应该发挥互补作用。电池电动汽车具有更高的整体燃油效率,只要它们不会因电池尺寸过大而过重,使其成为短距离和轻型车辆的理想选择。氢能够以更轻的重量储存更多的能量,使燃料电池适用于具有重载荷和长距离的车辆。更快的加油也使商业车队和其他近乎连续使用的车辆受益。技术如何相关将主要取决于电池技术将如何发展以及如何通过缩放燃料电池生产实现成本降低的速度。

 

到 2030 年,道路上将需要相当于大约 8000 万辆零排放车辆,到 2050 年,每人每公里平均二氧化碳排放量将减少 70%。实现这些雄心勃勃的目标将需要一系列动力系统和燃料。

 

不仅电池电动汽车(BEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)不会竞争,而且 BEV 的日益成功实际上可能推动 FCEV 的采用。这两种技术都受益于电动汽车的广泛接受,并且不断增长的规模降低了电动传动系统和其他部件的成本。行业专家认为,BEV 和 FCEV 的总拥有成本可能会在未来十年内趋同,并且从今天起 12 或 15 年内与内燃机(ICE)车辆相比具有竞争力。

 

基于其整个生命周期,FCEV 实现了非常低的二氧化碳排放,部分原因是它们不需要生产能源和资源密集型的大型电池。即使 FCEV 使用天然气中的氢而没有碳捕获,它们比内燃机驱动的车辆排放的二氧化碳减少 20~30%。实际上,氢气的 CO2 强度更低:许多加油站通过可再生电力从电解中提取氢气供应,化石能源的生产可以与有效的碳捕获和储存相结合。

 

优先级细分和用例可以引领运输方式

正如通过技术转变的其他行业一样,氢气的采用可能会出现波动(图 3)。

 

图 3 氢气的采用可以从乘用车和公共汽车开始

 

氢燃料汽车的商业化已经开始应用于乘用车,因为氢燃料汽车最适合于更大的细分市场。在日本、韩国、美国(特别是加利福尼亚州)和德国,三款 FCEV(本田 Clarity、现代 ix35/Tucson 燃料电池和丰田 Mirai)在商业上提供,另外 10 款预计在 2020 年前发布。需要很长的正常运行时间的乘坐共乘或出租车服务可能会推动早期采用,而雄心勃勃的国家目标—如 2030 年中国和日本道路上的 180 万 FCEV—可能会产生额外的动力。

 

由于担心当地污染,氢气公交车开始受到关注,特别是在欧洲,中国,日本和韩国。韩国计划将 26000 辆公共汽车转换为氢气,而仅上海计划到 2020 年购买和运营 3000 辆燃料电池公共汽车。面包车和小型客车也可以受益于对城市运输车辆和其他商业车队的严格监管。

 

长距离运载重型有效载荷的卡车是另一个优先考虑的部分。由于长距离和确定的路线,它们可能需要较少的基础设施:一些估计表明 350 个加油站可以覆盖整个美国。丰田等知名制造商以及尼古拉汽车等新创企业已经开始制造重型和长途卡车,以抓住蓬勃发展的货运业的机遇。

 

燃料电池列车可以替代非电气轨道上的许多柴油动力机车。第一条燃料电池电车已经在中国运营,阿尔斯通的第一辆“液压”列车将于 2018 年初开始在德国接载乘客。

 

要实现愿景中概述的 2050 年宏伟目标,必须在 2030 年前实现重要的里程碑。氢能委员会估计,如果大力推广基础设施和扩大生产,在加利福尼亚、德国、日本和韩国销售的 12 辆汽车中就有 1 辆可以使用氢能。全球范围内,大约有 5 万辆燃料电池公交车和 35 万辆燃料电池卡车也将上路,节省的二氧化碳相当于 350 万辆氢动力乘用车。

 

为了加快发展势头,行业、投资者和政策制定者需要加大努力

由加利福尼亚,德国,日本和韩国领导的一组地区正在推动开发,每年花费超过 8.5 亿美元用于推进氢和燃料电池技术(图 4)。其他国家也在积极关注,包括中国,中国正在开始扩大自己的制造能力以及加油站网络。在全球范围内,各国已宣布到 2025 年将建造约 2800 个加氢站。与全球估计的 60 万个加油站相比,这是一个很小的数字,但如果实现这一点,就足以覆盖氢汽车的主要市场(德国倡议 H2Mobility 估计,全国覆盖 400 个加油站)。

 

尽管这些投资至关重要,但要达到规模和降低成本还需要更多的投资。目前,通过燃料电池汽车节省的二氧化碳的成本估计超过 1500 美元/吨,并且在 2030~2035 年左右,为了使这项技术与传统的技术达到平衡点,还需要进行大规模的推广。降低成本、扩大基础设施和增加模型选择是刺激客户接受该技术的先决条件。

 

氢能委员会估计到 2030 年需要 2800 亿美元的投资。这笔投资中约有 60%用于扩大氢气的生产,储存和分配,30%用于系列开发,生产线和新业务模式。不到 10%—约 200 亿美元—将需要建设 15000 个站点的全球氢气加油基础设施,目前缺乏该基础设施是 FCEV 采用的主要瓶颈。

 

扩大基础设施部署必须进一步降低氢成本。在德国建造一个中型加油站已经花费了五年前的一半,大约 100 万美元,但需要进一步减少以支持进入大众市场。根据规模,氢气理事会估计每个 FCEV 的基础设施成本可能低于 1000 美元。同样,车辆成本需要进一步降低,以支持向大众市场的推广。

 

图 4 政府每年投入大约 8.5 亿美元的氢气

 

虽然到 2030 年每年的总投资需求为 200 亿至 250 亿美元,这对氢能产业来说是一个重大进步,但全球每年已投入超过 1.7 万亿美元的能源,其中包括 6500 亿美元的石油和天然气,3000 亿美元的可再生电力,以及汽车行业超过 3000 亿美元。从中期来看,投资可以创造一个自给自足的市场,超过 2.5 万亿美元,并在价值链上创造约 3000 万个就业岗位—基于目前汽车,设备销售额每 100 万美元约 12 个工作岗位的乘数,和石油和天然气工业—如果实现 2050 年愿景。

 

 

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