麥肯錫:氫能才是新能源汽車的理想能源

動力電池驅(qū)動的電動汽車持續(xù)制造重要新聞,但燃料電池的發(fā)展勢頭日益增強(qiáng)。理由是,氫能將會在可再生能源系統(tǒng)和未來出行中扮演著重要角色。

豐田燃料電池概念車“TOYOTA FCVPLUS”

在2015年聯(lián)合國氣候變化大會COP21在巴黎召開之際,195個(gè)國家同意將全球變暖控制在工業(yè)革命之前的氣溫水平上浮2攝氏度范圍之內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),到2050年世界各國需要將能源消耗相關(guān)二氧化碳排放削減60%,即使同期全球人口數(shù)量將增長20億。這將需要我們的能源系統(tǒng)發(fā)生戲劇性的轉(zhuǎn)變:能源效率的巨幅提升,向清潔能源和低碳燃料載體的過渡,對于剩余在用化石燃料排放的二氧化碳,其工業(yè)收集、存儲、再用比例的提升。

巴黎協(xié)定2年后,在波恩的聯(lián)合國氣候變化大會COP23上,由汽車、石油、天然氣、工業(yè)石油氣和機(jī)械設(shè)備制造領(lǐng)域的18家公司財(cái)團(tuán)組成的氫理事會,表達(dá)了他們對于氫能源如何能夠幫助實(shí)現(xiàn)宏偉的氣候變化控制目標(biāo)的構(gòu)想。他們提出,氫能源在廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用是向可再生能源系統(tǒng)和清潔能源載體轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力。如果要嚴(yán)格控制氣候變暖范圍在2度以內(nèi),氫理事會估計(jì)氫能源的使用能夠幫助實(shí)現(xiàn)五分之一的減排目標(biāo)。這份計(jì)劃雖然看起來耗時(shí)費(fèi)力,但還是有可行性的,需要政策制定者、工業(yè)企業(yè)和投資者做出共同努力,來加速在低碳科技領(lǐng)域的布局。

氫能可在能源轉(zhuǎn)變中擔(dān)任7項(xiàng)主要角色

氫氣是一種多用途能源載體,并能在整個(gè)生產(chǎn)過程中留下低碳足跡。氫能在能源轉(zhuǎn)變中擔(dān)任的7種角色,能夠?qū)崿F(xiàn)能源體系從骨干到終端應(yīng)用的脫碳,如圖一所示:

可再生能源系統(tǒng)驅(qū)動(1～3):通過提供一種長期的能源存儲方法,氫能實(shí)現(xiàn)可再生電能到能源系統(tǒng)的大規(guī)模集成。氫允許跨地域和跨季節(jié)的能源分配,并能為能源系統(tǒng)的彈性提供緩沖。

交通運(yùn)輸脫碳化(4):今天的交通運(yùn)輸行業(yè)幾乎完全依賴于化石燃料,并貢獻(xiàn)了20%以上的二氧化碳排放,氫動力車輛以其高性能和快充便利性,能夠補(bǔ)充動力電池汽車缺陷以實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸行業(yè)的廣泛脫碳。

工業(yè)用能源的脫碳化(5):在重工業(yè),以往不易通過電能完成的脫碳過程, 特別是那些需要高溫處理的,可以借助氫氣實(shí)現(xiàn)。氫氣在這一過程中產(chǎn)生的熱量和能量也能夠用于其他形式的工業(yè)化應(yīng)用。

建筑熱力和能源的脫碳化(6):在現(xiàn)有天然氣網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū),氫氣能夠搭載在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施上,并提供一種加熱脫碳的成本效益型方法。

為工業(yè)提供清潔原料(7):當(dāng)前用氫氣作為工業(yè)原料的總量每年超過5500萬噸,這一部分能夠?qū)崿F(xiàn)完全脫碳化。通過使用化學(xué)原料和收集的碳相結(jié)合,氫氣也可以用來生產(chǎn)清潔化學(xué)品;通過被用作鐵礦石還原劑,氫氣可以被用來生產(chǎn)鋼鐵。

氫在交通領(lǐng)域的作用被嵌入到全系統(tǒng)的視野中

如上所述,氫能在能源系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用(參見圖二),其中交通運(yùn)輸行業(yè)的脫碳效果作用最為顯著。在氫能委員會的構(gòu)想中,氫能被大力部署以將全球變暖限制在2攝氏度范圍之內(nèi),而交通行業(yè)將帶來三分之一的全球氫能需求增長。到2050年,氫能理事會的成員認(rèn)為,氫動力燃料電池汽車將占汽車總量的20%,共約4億輛汽車和1500萬至2000萬輛卡車和約500萬輛公交車。在他們設(shè)定的情境下,氫氣將在載重運(yùn)輸和較長的駕駛區(qū)段中發(fā)揮更大的作用。也正因此,氫能的使用能夠帶來30%(比氫燃料電池汽車占比更高)的公路運(yùn)輸行業(yè)減排目標(biāo)。

在氫能理事會的愿景中,氫動力機(jī)車也將取代20%的柴油內(nèi)燃機(jī)車,并且氫基合成燃料能夠?yàn)轱w機(jī)和貨運(yùn)船舶提供動力。總而言之,如果氫能被廣泛部署到氫理事會所描述的程度,交通運(yùn)輸行業(yè)每天可以減少消耗2000萬桶石油。

燃料電池可以作為電池的補(bǔ)充,使運(yùn)輸脫碳化

氫氣和電池經(jīng)常被描述為相互競爭的科技,而且電池技術(shù)近年來受到廣泛關(guān)注。但是,這些科技的相對優(yōu)劣性表明,他們更應(yīng)該起到互補(bǔ)作用。動力電池汽車需要打造更高的電池效率以便減少車重,理想適用于短距離運(yùn)輸和輕型車輛。氫能夠以更輕的重量儲存更多的能量,使得燃料電池更適合重載和長距離運(yùn)輸。快充技術(shù)也有利于商業(yè)車隊(duì)或其他車輛的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。這些科技如何聯(lián)結(jié)到一起,將主要取決于電池技術(shù)的發(fā)展以及如何快速實(shí)現(xiàn)燃料電池量產(chǎn)和降本。

到2030年,道路運(yùn)輸需要將近8000萬輛輛排放車輛,到2050年,平均每人每公里的二氧化碳排放量需要減少70%。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),需要廣泛涉及動力系統(tǒng)和燃料領(lǐng)域的工作。

不僅純電動汽車(BEV)和燃料電池汽車(FCEV)之間不存在競爭,而且BEV的成功實(shí)際上可能會推動FCEV的應(yīng)用。這兩種技術(shù)都受益于電動化出行被廣泛接受,規(guī)模越來越大,降低了電動傳動系和其他部件的成本。行業(yè)專家認(rèn)為,BEV和FCEV的總體擁有成本可能在未來十年內(nèi)趨于一致,并在距離今天12或15年后與內(nèi)燃機(jī)(ICE)車輛競爭。基于它們的整個(gè)生命周期,FCEV實(shí)現(xiàn)了非常低的二氧化碳排放量,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使用的氫氣來自無碳捕獲天然氣(natural gas without carbon capture),與內(nèi)燃機(jī)車輛相比,它們的二氧化碳排放量也會縮減20%至30%。事實(shí)上,氫能的某些工藝已經(jīng)減少了二氧化碳濃度,比如一些加油站利用可再生電力通過電解提取氫氣供應(yīng),氫氣從化石能源的產(chǎn)出可以配合有效的碳捕獲和儲存。

優(yōu)先級細(xì)分和用例將引領(lǐng)交通方式變革

如同其他行業(yè)正在通過技術(shù)創(chuàng)造變革,氫能的采用也將帶動電動汽車發(fā)展進(jìn)入新階段。

氫能車輛的商業(yè)化實(shí)踐已經(jīng)開始,對于乘用車來說,它最適合大型車。在日本,韓國,美國(特別是加利福尼亞州)和德國,已有三款FCEV(Honda Clarity,現(xiàn)代ix35 / Tucson燃料電池和豐田Mirai)在市場上銷售(僅示例)。要求高運(yùn)行時(shí)間的共乘(ridesharing)或出租車服務(wù)可以推動其早日采用。到2030年,中國和日本將有180萬輛FCEV上路,這樣宏偉的國家目標(biāo)可能會給氫能車輛的商業(yè)化帶來更多的動力。

由于擔(dān)心當(dāng)?shù)氐奈廴締栴},特別是在歐洲,中國,日本和韓國,氫能公交車開始受到政策牽引。韓國計(jì)劃將26000輛公交車改造為氫能源車。中國僅上海一地就計(jì)劃在2020年之前購買和運(yùn)營3,000輛燃料電池公共汽車。考慮到嚴(yán)格的監(jiān)管,使用廂型車(van)和小型客車(minibus)的運(yùn)輸車輛和其他商業(yè)車隊(duì)也可從中受益。

長距離運(yùn)輸載重貨車是另一個(gè)優(yōu)先選擇。由于其航程長且路線明確的特性,對基礎(chǔ)設(shè)施的需求較少:有些估計(jì)表明,僅僅350個(gè)能源補(bǔ)給站就能夠覆蓋整個(gè)美國。豐臺等成熟汽車制造商和新興企業(yè),如NikolaMotors,已經(jīng)開始制造重載和長途卡車以期在蓬勃發(fā)展的貨運(yùn)行業(yè)抓住機(jī)遇。

在很多沒有電的軌道上,燃料電池汽車可以去到很多柴油動力機(jī)車。首座燃料電池軌道電車已經(jīng)在中國運(yùn)營,阿爾斯通(Alstom)的第一輛“Hydrail”列車也將于2018年初開始在德國運(yùn)營。

為了達(dá)到2050年宏偉的目標(biāo),到2030年需要率先達(dá)到重要的里程碑。氫能理事會估計(jì),如果有重大的努力推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和擴(kuò)大生產(chǎn),在美國加利福尼亞州,德國,日本和韓國銷售的汽車中,每銷售出12輛車就能有一輛車是氫能源汽車。大約有5萬輛燃料電池公共汽車和35萬輛燃料電池卡車也可能在全球道路上行駛,節(jié)省了大約350萬輛氫動力乘用車的二氧化碳排放量。

要加速這個(gè)勢頭,行業(yè),投資者和決策者需要加緊努力

在全球范圍內(nèi),各國已經(jīng)宣布到2025年將建設(shè)約2800個(gè)加氫站。與全球估計(jì)的60萬個(gè)加油站相比,這個(gè)數(shù)字還是很小的,但如果實(shí)現(xiàn)的話就足以覆蓋氫能汽車的主要市場(德國倡議的H2Mobility估計(jì)達(dá)到全國覆蓋需要400個(gè)加氫站)。

雖然這些投資是至關(guān)重要的,但要達(dá)到規(guī)模效益和降低成本則需要更多的投入。目前,通過FCEV節(jié)省的每噸二氧化碳估計(jì)花費(fèi)將超過1500美元,仍需繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模,以使這項(xiàng)技術(shù)在2030年至2035年之間達(dá)到與傳統(tǒng)技術(shù)保持一致的平衡點(diǎn)。降低成本,加上基礎(chǔ)設(shè)施和可選車型的增加,是激勵客戶接受技術(shù)的先決條件。

氫能委員會估計(jì),到2030年需要投資2,800億美元。其中約60%的投資將用于擴(kuò)大氫氣的生產(chǎn),儲存和分配,30%用于新車型開發(fā),生產(chǎn)線建設(shè)和新的商業(yè)模式拓展。剩余不到10%,約200億美元,將需要建立1.5萬個(gè)站的全球加氫基礎(chǔ)設(shè)施,亦即目前構(gòu)成缺乏FCEV使用的主要瓶頸。

擴(kuò)大基礎(chǔ)設(shè)施布局建設(shè)必須進(jìn)一步降低氫氣成本。目前在德國建立一個(gè)中型加油站的成本已經(jīng)是五年前的一半,約為100萬美元,但仍需進(jìn)一步的減少成本來支持氫能在大眾市場的推廣。如果規(guī)模效益實(shí)現(xiàn),氫氣委員會估計(jì),將每輛FCEV的基礎(chǔ)設(shè)施成本降至1000美元以下是可能的。同樣,車輛成本也需要進(jìn)一步下降,以支持在大眾市場推廣。

當(dāng)2030年,全年總投資額達(dá)到200億至250億美元,這對氫能產(chǎn)業(yè)來說將會是一個(gè)重大的進(jìn)步?，F(xiàn)今全世界每年能源投資超過1.7萬億美元,其中包括6,500億美元的石油和天然氣,3000億美元的可再生能源電力,另有超過3000億美元在汽車行業(yè)。從中期來看,這項(xiàng)投資可以創(chuàng)造一個(gè)自我維持的市場,期間的銷售轉(zhuǎn)化將超過2.5萬億美元。再乘以每百萬美元的銷售額創(chuàng)造約12個(gè)就業(yè)崗位(汽車、機(jī)械設(shè)備、原油及天然氣工業(yè)),能夠在價(jià)值鏈上創(chuàng)造約3000萬個(gè)就業(yè)機(jī)會。當(dāng)然,這一切都建立在2050愿景實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上。