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官方商城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，即使人口增長超過20億，到2050年，世界仍需要將與能源有關的二氧化碳（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作出貢獻的愿景。它認為氫是向可再生能源系統(tǒng)過渡的推動者，是廣泛應用的清潔能源載體。如果認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)絡的地區(qū)，氫氣可以依靠現(xiàn)有的基礎設施，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)清潔化學品和鋼，通過與捕獲的碳一起用作化學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的貢獻大約高出其份額的30％。
圖2 氫可以在低碳技術組合中發(fā)揮關鍵作用
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?？傊?，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，近年來電池受到了很多關注（“質(zhì)子對電子”）。然而，這些技術的相對優(yōu)勢和劣勢表明它們應該發(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。技術如何相關將主要取決于電池技術將如何發(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，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運輸方式
正如通過技術轉(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可能會推動早期采用，而雄心勃勃的國家目標—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。
由于擔心當?shù)匚廴?，氫氣公交車開始受到關注，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設施：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，必須在2030年前實現(xiàn)重要的里程碑。氫能委員會估計，如果大力推廣基礎設施和擴大生產(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，日本和韓國領導的一組地區(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（圖4）。其他國家也在積極關注，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。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，為了使這項技術與傳統(tǒng)的技術達到平衡點，還需要進行大規(guī)模的推廣。降低成本、擴大基礎設施和增加模型選擇是刺激客戶接受該技術的先決條件。
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)務模式。不到10％—約200億美元—將需要建設15000個站點的全球氫氣加油基礎設施，目前缺乏該基礎設施是FCEV采用的主要瓶頸。
擴大基礎設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的基礎設施成本可能低于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。
