麥肯錫深度報告解讀氫燃料電池未來(lái)
[2017-12-12 08:32:47]
電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)占據了很久的頭版頭條，但現在燃料電池也想來(lái)?yè)屢粋€(gè)熱門(mén)——這非常合情合理，因為氫在可再生能源系統和未來(lái)的移動(dòng)出行中將起到至關(guān)重要的作用。
2015年在巴黎召開(kāi)的聯(lián)合國氣候大會(huì )(COP21)上，195個(gè)國家同意將全球變暖趨勢控制在2攝氏度以?xún)取?/span>
為了達到這個(gè)目標，世界將需要在2050年前將二氧化碳排放量減少60%，即使預期人口增長(cháng)將超過(guò)20億。
這需要我們的能源系統進(jìn)行大面積改革：大幅提高能源利用效率，轉變?yōu)榭稍偕鍧嵞茉吹妮d體，從工業(yè)上重新儲存或利用化石燃料所產(chǎn)生的二氧化碳，降低其排放速度。
2017年，聯(lián)合國波恩氣候變化會(huì )議(COP23)舉辦之際，Hydrogen Council(國際氫能源委員會(huì ))的18位企業(yè)領(lǐng)導人也齊聚德國波恩，在麥肯錫管理咨詢(xún)公司的協(xié)助下，發(fā)布了全球首份氫能源未來(lái)發(fā)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(wàn)億美元的商業(yè)價(jià)值并同時(shí)創(chuàng )造3000多萬(wàn)人的就業(yè)機會(huì )。
國際氫能源委員會(huì )發(fā)布了明確氫能源未來(lái)愿景的題為“Hydrogen， Scaling up(氫能源市場(chǎng)發(fā)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(fā)展藍圖，認為氫是向可再生能源系統過(guò)渡的推動(dòng)者，是廣泛應用的清潔能源載體。
圖：氫能源市場(chǎng)發(fā)展藍圖
在2050年之前，通過(guò)更大規模的普及，氫能源將占整個(gè)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，能夠承擔將全球變暖控制在2℃以?xún)人瓒趸紲p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(wàn)輛至1，500萬(wàn)輛燃料電池乘用車(chē)以及50萬(wàn)輛燃料電池卡車(chē)行駛所使用的氫氣。此外還有工業(yè)領(lǐng)域，例如工業(yè)方面的工程中用于原材料、熱源、動(dòng)力源、發(fā)電、儲藏等各種用途。該調查報告指出，預計到2050年，氫能源需求將是目前的10倍，相當于將全球變暖控制在2℃以?xún)鹊那疤嵯拢?050年最終能源需求的18%，約80EJ的能量將實(shí)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干至終端的低碳應用(見(jiàn)表1)：
表1：氫在可再生能源系統中的應用
氫提供了一種長(cháng)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(fā)電系統中，如風(fēng)力發(fā)電廠(chǎng)內，它可以使能源分布跨越季節和地區，作為緩沖來(lái)增加能源系統的彈性。
如今的交通運輸部門(mén)幾乎完全依賴(lài)于化石燃料，其中超過(guò)20%的二氧化碳排放都是由交通運輸所產(chǎn)生的。
氫動(dòng)力汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)電池的燃料，以實(shí)現交通運輸方面的廣泛低碳化。
氫還可以用于工業(yè)能源低碳化。在重工業(yè)中，氫可以催化脫碳過(guò)程，有些電氣化過(guò)程很難發(fā)生，并需要較高熱量。
氫也可用于發(fā)電機組以產(chǎn)生熱能和電力。
在已經(jīng)配置有天然氣輸送管道網(wǎng)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(yè)提供清潔的原料。目前工業(yè)原料中氫的使用，每年超過(guò)5500萬(wàn)噸，而且氫燃燒的產(chǎn)物僅有水，完全不產(chǎn)生二氧化碳。
因此，國際氫能源委員會(huì )提到的氫將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(guò)對氫的更多利用，人們將更有可能達到減排目標。
表2：氫能通過(guò)多種方式降低碳排放
氫能源和電力經(jīng)常被一起提及。這兩種能源互有優(yōu)劣。
以電池驅動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)的電力汽車(chē)更適合短距離和輕型車(chē)輛。
氫可以用更少的重量?jì)Υ娓嗟哪芰?，因此氫燃料電池適合長(cháng)距離和載重型車(chē)輛。其快速加油技術(shù)還能使得商業(yè)車(chē)隊中的車(chē)輛幾乎無(wú)縫運轉。
這些技術(shù)究竟誰(shuí)會(huì )勝出，還有待于電池技術(shù)的發(fā)展，并且有賴(lài)于未來(lái)燃料電池生產(chǎn)成本的降低。
表3：在不同行業(yè)中氫能源的采用將是階段性的
氫能源汽車(chē)的商業(yè)化已經(jīng)開(kāi)始在私家車(chē)型中推廣，在這種車(chē)型中應用氫能源最為適合。
三種燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)型已經(jīng)在日本、韓國、美國和德國有售，另外還有10款車(chē)型預計將于2020年上市。
像共享汽車(chē)、出租車(chē)服務(wù)這種運行時(shí)間長(cháng)的車(chē)型可以推動(dòng)氫能源的早期推廣。這有利于那些制定了雄心勃勃的目標的國家，比如中國和日本，計劃在2030年前上路180萬(wàn)輛燃料電池電動(dòng)汽車(chē)。
由于對環(huán)境污染越來(lái)越多的關(guān)注，尤其是在歐洲、中國、日本和韓國，氫能源公共汽車(chē)也進(jìn)入了人們的視野。
韓國計劃將26000輛公交車(chē)改裝成氫能源驅動(dòng)，而上海計劃在2020年前購買(mǎi)和運營(yíng)3000輛燃料電池巴士。
貨車(chē)和面包車(chē)也有望從中受益，得到改裝。
對于長(cháng)途運輸的載重卡車(chē)，因為線(xiàn)路明確，它們需要的基礎設施可能更少：一些估計表明，350個(gè)充電站就可以覆蓋整個(gè)美國的貨運。
像豐田這樣的老牌制造商，以及像尼古拉汽車(chē)公司這樣的新興公司已經(jīng)開(kāi)始制造重型卡車(chē)和長(cháng)途貨運卡車(chē)，以在蓬勃發(fā)展的貨運運輸業(yè)中占得先機。
燃料電池列車(chē)也可以替換許多柴油動(dòng)力列車(chē)，而且不需要改造軌道。
第一輛氫燃料電池電動(dòng)列車(chē)已經(jīng)在中國開(kāi)始運營(yíng)，早在2013年，新能源電動(dòng)機車(chē)“藍天”號就已由西南交通大學(xué)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(xié)議，將在2021年前在該國建造和使用14架氫動(dòng)力列車(chē)。據悉，這些氫能動(dòng)力車(chē)與豐田的氫能汽車(chē)相似，只是在運行過(guò)程中排放出水蒸汽，使其成為柴油的環(huán)保替代品，不會(huì )產(chǎn)生有害的排放物，也不會(huì )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(fā)展氫能源和燃料電池技術(shù)，每年花費超過(guò)8.5億美元。其它國家也在擴大自己的生產(chǎn)能力和拓展充電基礎設施網(wǎng)絡(luò )。
在全球范圍內，各國已經(jīng)宣布，到2025年將建造約2800個(gè)氫燃料補給站。與全球約60萬(wàn)個(gè)加油站相比，這是一個(gè)小數目，但如果能夠實(shí)現，這就足以覆蓋主要的氫能源汽車(chē)市場(chǎng)。
表4：政府在氫能源和燃料電池項目上的投入
盡管已經(jīng)有了這么多投資資金，但要達到一定的生產(chǎn)規模并降低成本，還需要做更多的努力。
目前，通過(guò)燃料電池汽車(chē)所節省下來(lái)的每噸二氧化碳的成本估計超過(guò)1500美元，而且在2030年到2035年之間，要使這種技術(shù)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(chē)型，這些才是讓消費者買(mǎi)賬的先決條件。
國際氫能源委員會(huì )估計，到2030年，投資總額將達到2800億美元。
大約60%的投資將用于提高氫氣的生產(chǎn)、儲存和分配效率，并將30%投入到系列開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)線(xiàn)和新的商業(yè)模式中。
不到10%——約200億美元——將用于建造全球范圍內的氫能源燃料電池充電設施，約15000個(gè)充電站，這是目前制約氫燃料汽車(chē)推廣的主要瓶頸。
在德國，建造一個(gè)中型加油站的成本已經(jīng)是五年前的一半，大約100萬(wàn)美元，但還需要進(jìn)一步減少成本，以在大眾市場(chǎng)中進(jìn)行推廣。
有了較大規模，氫能源委員會(huì )估計每個(gè)氫能源燃料電池電動(dòng)汽車(chē)的基礎設施成本低于1000美元是可能的。同樣，相應電動(dòng)車(chē)輛的成本也需要進(jìn)一步降低。
在氫能源行業(yè)，全球總年度投資約為200億美元到250億美元，與此同時(shí)，在能源行業(yè)全球每年投資超過(guò)1.7萬(wàn)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(guò)3000億美元的汽車(chē)工業(yè)。
在投資中期，市場(chǎng)可以自我維持并發(fā)展，營(yíng)業(yè)額超過(guò)2.5萬(wàn)億美元，同時(shí)在產(chǎn)業(yè)鏈上下游創(chuàng )造大約3000萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位——這是根據現在的乘數計算的：在電動(dòng)汽車(chē)、設備、油氣行業(yè)的每100萬(wàn)美元的營(yíng)業(yè)額中就能產(chǎn)生12個(gè)工作，如果這個(gè)關(guān)于2050年的愿景可以實(shí)現的話(huà)。
