麥肯錫深度報告解讀氫燃料電池未來
[2017-12-12 08:32:47]
電動汽車已經占據了很久的頭版頭條，但現在燃料電池也想來搶一個熱門——這非常合情合理，因為氫在可再生能源系統和未來的移動出行中将起到至關重要的作用。
2015年在巴黎召開的聯合國氣候大會(COP21)上，195個國家同意将全球變暖趨勢控制在2攝氏度以内。 為了達到這個目标，世界将需要在2050年前将二氧化碳排放量減少60%，即使預期人口增長将超過20億。 這需要我們的能源系統進行大面積改革：大幅提高能源利用效率，轉變為可再生清潔能源的載體，從工業上重新儲存或利用化石燃料所産生的二氧化碳，降低其排放速度。 2017年，聯合國波恩氣候變化會議(COP23)舉辦之際，Hydrogen Council(國際氫能源委員會)的18位企業領導人也齊聚德國波恩，在麥肯錫管理咨詢公司的協助下，發布了全球首份氫能源未來發展趨勢調查報告。該報告指出，氫能源是能源結構轉型的重要方式，并且能夠催生相當于2.5萬億美元的商業價值并同時創造3000多萬人的就業機會。
國際氫能源委員會發布了明确氫能源未來願景的題為“Hydrogen， Scaling up(氫能源市場發展藍圖)”的調查報告，介紹了氫能源正式普及和能源結構轉型方面的發展藍圖，認為氫是向可再生能源系統過渡的推動者，是廣泛應用的清潔能源載體。
圖：氫能源市場發展藍圖
在2050年之前，通過更大規模的普及，氫能源将占整個能源消耗量約20%，全年的二氧化碳排放量能夠較現在減少約60億噸，能夠承擔将全球變暖控制在2℃以内所需二氧化碳減排量中的約20%。
在需求方面，驗算結果顯示，到2030年要提供1，000萬輛至1，500萬輛燃料電池乘用車以及50萬輛燃料電池卡車行駛所使用的氫氣。此外還有工業領域，例如工業方面的工程中用于原材料、熱源、動力源、發電、儲藏等各種用途。該調查報告指出，預計到2050年，氫能源需求将是目前的10倍，相當于将全球變暖控制在2℃以内的前提下，2050年最終能源需求的18%，約80EJ的能量将實現氫能源化。 氫能源七大用 氫是一種用處多多的清潔能源。
氫能源具有七大作用，其應用可以遍及能源系統的主幹至終端的低碳應用(見表1)：
表1：氫在可再生能源系統中的應用
氫提供了一種長期能源儲存的方式，可使可再生能源大規模集成到能源系統中。 在某些不穩定的發電系統中，如風力發電廠内，它可以使能源分布跨越季節和地區，作為緩沖來增加能源系統的彈性。 如今的交通運輸部門幾乎完全依賴于化石燃料，其中超過20%的二氧化碳排放都是由交通運輸所産生的。 氫動力汽車以其高性能和快速加油為人們的生活提供了便利，也可以作為電動汽車電池的燃料，以實現交通運輸方面的廣泛低碳化。 氫還可以用于工業能源低碳化。在重工業中，氫可以催化脫碳過程，有些電氣化過程很難發生，并需要較高熱量。 氫也可用于發電機組以産生熱能和電力。 在已經配置有天然氣輸送管道網的地區，氫可以利用現有的基礎設施，提供一種低成本的加熱脫碳方法。 氫能為工業提供清潔的原料。目前工業原料中氫的使用，每年超過5500萬噸，而且氫燃燒的産物僅有水，完全不産生二氧化碳。
因此，國際氫能源委員會提到的氫将在交通運輸二氧化碳減排中起到重要作用是有據可依的。通過對氫的更多利用，人們将更有可能達到減排目标。
表2：氫能通過多種方式降低碳排放
氫能源和電力經常被一起提及。這兩種能源互有優劣。 以電池驅動的電動汽車在整體上的能源利用效率更高，重量更輕，電池尺寸較大，因此電池驅動的電力汽車更适合短距離和輕型車輛。 氫可以用更少的重量儲存更多的能量，因此氫燃料電池适合長距離和載重型車輛。其快速加油技術還能使得商業車隊中的車輛幾乎無縫運轉。
這些技術究竟誰會勝出，還有待于電池技術的發展，并且有賴于未來燃料電池生産成本的降低。
表3：在不同行業中氫能源的采用将是階段性的
氫能源汽車的商業化已經開始在私家車型中推廣，在這種車型中應用氫能源最為适合。 三種燃料電池電動汽車的車型已經在日本、韓國、美國和德國有售，另外還有10款車型預計将于2020年上市。 像共享汽車、出租車服務這種運行時間長的車型可以推動氫能源的早期推廣。這有利于那些制定了雄心勃勃的目标的國家，比如中國和日本，計劃在2030年前上路180萬輛燃料電池電動汽車。 由于對環境污染越來越多的關注，尤其是在歐洲、中國、日本和韓國，氫能源公共汽車也進入了人們的視野。 韓國計劃将26000輛公交車改裝成氫能源驅動，而上海計劃在2020年前購買和運營3000輛燃料電池巴士。 貨車和面包車也有望從中受益，得到改裝。 對于長途運輸的載重卡車，因為線路明确，它們需要的基礎設施可能更少：一些估計表明，350個充電站就可以覆蓋整個美國的貨運。 像豐田這樣的老牌制造商，以及像尼古拉汽車公司這樣的新興公司已經開始制造重型卡車和長途貨運卡車，以在蓬勃發展的貨運運輸業中占得先機。 燃料電池列車也可以替換許多柴油動力列車，而且不需要改造軌道。 第一輛氫燃料電池電動列車已經在中國開始運營，早在2013年，新能源電動機車“藍天”号就已由西南交通大學研制成功。 德國宣布已與法國的阿爾斯通公司簽署了一項協議，将在2021年前在該國建造和使用14架氫動力列車。據悉，這些氫能動力車與豐田的氫能汽車相似，隻是在運行過程中排放出水蒸汽，使其成為柴油的環保替代品，不會産生有害的排放物，也不會加劇全球變暖。 由加州、德國、日本和韓國牽頭的許多地區都正在加快發展氫能源和燃料電池技術，每年花費超過8.5億美元。其它國家也在擴大自己的生産能力和拓展充電基礎設施網絡。
在全球範圍内，各國已經宣布，到2025年将建造約2800個氫燃料補給站。與全球約60萬個加油站相比，這是一個小數目，但如果能夠實現，這就足以覆蓋主要的氫能源汽車市場。
表4：政府在氫能源和燃料電池項目上的投入
盡管已經有了這麼多投資資金，但要達到一定的生産規模并降低成本，還需要做更多的努力。 目前，通過燃料電池汽車所節省下來的每噸二氧化碳的成本估計超過1500美元，而且在2030年到2035年之間，要使這種技術達到收支平衡，需要更大規模的推廣。 降低成本、增加基礎設施、增加可選車型，這些才是讓消費者買賬的先決條件。 國際氫能源委員會估計，到2030年，投資總額将達到2800億美元。 大約60%的投資将用于提高氫氣的生産、儲存和分配效率，并将30%投入到系列開發、生産線和新的商業模式中。 不到10%——約200億美元——将用于建造全球範圍内的氫能源燃料電池充電設施，約15000個充電站，這是目前制約氫燃料汽車推廣的主要瓶頸。 在德國，建造一個中型加油站的成本已經是五年前的一半，大約100萬美元，但還需要進一步減少成本，以在大衆市場中進行推廣。 有了較大規模，氫能源委員會估計每個氫能源燃料電池電動汽車的基礎設施成本低于1000美元是可能的。同樣，相應電動車輛的成本也需要進一步降低。 在氫能源行業，全球總年度投資約為200億美元到250億美元，與此同時，在能源行業全球每年投資超過1.7萬億美元，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，和超過3000億美元的汽車工業。 在投資中期，市場可以自我維持并發展，營業額超過2.5萬億美元，同時在産業鍊上下遊創造大約3000萬個就業崗位——這是根據現在的乘數計算的：在電動汽車、設備、油氣行業的每100萬美元的營業額中就能産生12個工作，如果這個關于2050年的願景可以實現的話。
