氫能商業(yè)化之路：除了昂貴的燃料電池車，還能干什么？

　　像水一樣平凡，像造物主一樣偉大。

　　近代化學(xué)之父拉瓦錫在發(fā)現(xiàn)這個宇宙豐度第一的元素后，以古希臘語的水和創(chuàng)造者為詞根，將這個一號元素命名為氫。

　　除了遙不可及的可控核聚變技術(shù)外，當下概念大熱的氫能，是否擔得起拉瓦錫兩百年前的期望？

　　西門子集團CEO凱颯（Joe Kaeser）對此深信不疑。氫能替代火力發(fā)電的騰籠換鳥，是他的答案。

　　7月15日，西門子宣布將在德國邊境小城格爾利茨（Görlitz）投資3000萬歐元新建氫能創(chuàng)新園。就在一年前，凱颯宣布關(guān)閉當?shù)厝細廨啓C工廠，引發(fā)了大規(guī)模抗議游行。

西門子CEO凱颯和薩克森州州長Kretschmer宣布將建立氫能創(chuàng)新園。身后是幾乎被拋棄的燃氣輪機。圖源：路透社

　　看好氫能發(fā)展的不僅僅是凱颯。氫能概念在一年之內(nèi)火遍全球。

　　今年1月17日，韓國政府發(fā)布了《氫能經(jīng)濟發(fā)展路線圖》；3月，中國將“推動加氫等設(shè)施建設(shè)”首次寫入《政府工作報告》，國內(nèi)的氫能產(chǎn)業(yè)園、小鎮(zhèn)遍地開花；6月15日，在日本長野縣召開的G20能源與環(huán)境部長級會議，確立了“日美歐氫能經(jīng)濟同盟”。

　　內(nèi)需下的內(nèi)虛：叫好不叫座

　　“大干快上”的背后是冷冰冰的數(shù)據(jù)——至少在市場最為廣大的乘用車領(lǐng)域 ，燃料電池車的商業(yè)化之路并不順利。

　　中汽協(xié)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，今年1-5月，全國燃料電池汽車銷量同比增長近18倍，但只有1264輛。去年全年的燃料電池汽車銷量僅為833輛。相比之下，2018年全國新能源汽車銷量為125.6萬輛，差距為三個數(shù)量級。

　　放眼全球，燃料電池車同樣叫好不叫座。據(jù)美國能源部數(shù)據(jù)，截至2018年，全美燃料電池汽車累計銷量6500輛，2018年銷量為2368輛，同時期全美的電動車銷量則為112.6萬輛，差距同樣是三個數(shù)量級。即便是大力投資氫能和燃料電池技術(shù)的日本，截至2018年底，日本燃料電池汽車累計銷量也僅為2800余輛。

　　一直以來，燃料電池大規(guī)模商業(yè)化之路受到兩大致命缺陷的掣肘。

　　一方面，無論是天然氣重整制氫還是水電解制氫，效率都僅在70%區(qū)間內(nèi)。以乘用車為例，電動汽車行駛100公里需耗費15-25kWh的電能，燃料電池汽車則需要約1公斤氫氣，制取這些氫氣需要40kWh的電力。在批評者看來，此舉與通過“造橋-拆橋-再造橋”來拉動GDP一樣毫無意義。

　　另一方面，燃料電池需要昂貴的催化劑鉑，加上高企的上游制氫成本，及比充電樁更加稀少的加氫站，使燃料電池汽車的生產(chǎn)和運營成本居高不下。

　　2014年，豐田推出全球唯一一款量產(chǎn)燃料電池汽車Mirai（未來），其在美國已取得累計3700輛的不俗銷量。但其中八成銷量集中于不惜成本建設(shè)了30余座加氫站的加利福尼亞州。

　　Mirai的成功經(jīng)驗?zāi)芊裢茝V至目前僅有25座在運加氫站的中國？或是在運加氫站低于20座的法國、英國、韓國？這很難不令人產(chǎn)生疑問。

　　燃料電池技術(shù)還面臨著最大的對手——成本持續(xù)降低的動力電池技術(shù)。

　　“在全社會脫碳問題上，我們需要全局觀，但政府更愿意相信電池技術(shù)。”豐田燃料電池項目負責人廣瀨勝彥教授（Katsuhiko Hirose）在G20部長會議上也承認，電動汽車在產(chǎn)業(yè)化道路上得到了政府機構(gòu)更多的垂青。

　　動力電池所不能：燃料電池機遇所在

　　2016年，戴姆勒公布了全世界第一款純電動卡車eActros。它明顯暴露出動力電池的兩大缺點：壽命和重量。續(xù)航里程只有200公里，僅能運營于170公里固定線路之間，相比柴油版本的Actros，載重量縮水近半。

　　以鋰電池1000次循環(huán)為例，電動汽車保證20萬-30萬公里的總行駛里程并不困難。這個數(shù)字對于城市交通或許足夠，卻難以勝任連軸轉(zhuǎn)、百萬公里級別的商用車領(lǐng)域。加上電動卡車上重達數(shù)噸的電池擠占了載貨重量，很少有物流企業(yè)對其商業(yè)化產(chǎn)生興趣。

　　動力電池所不能的，卻是燃料電池之所長。

　　相對原子質(zhì)量為1的氫元素在輕量化上具有得天獨厚的優(yōu)勢，沒有活動部件、工況穩(wěn)定的特點，又使燃料電池的壽命長于動力電池。

　　6月17日，德國尤里希（Jülich）研究中心宣布了一項新紀錄，其高溫燃料電池已在700度高溫下連續(xù)運行了十萬小時，相當于十一年的壽命。

　　正因如此，在部分對耐用性及輕量化要求嚴格的商用領(lǐng)域，燃料電池已展現(xiàn)出特有的優(yōu)勢。

　　豐田代號為Project Portal的燃料電池卡車已在南加州的長灘港和洛杉磯港運營了兩年有余。將兩具豐田Mirai的燃料電池單元進行疊加后，該型燃料電池卡車獲得了670匹馬力及320公里的續(xù)航里程。G20峰會時，日本人特意將其運回長野，作為日本氫能戰(zhàn)略的最好寫照向世界展示。

　　今年4月16日，美國公司Nikola Motors和德國博世集團合作研發(fā)的Nikola Two Alpha也正式面世。1000匹馬力以及1600公里的續(xù)航，即便是特斯拉推出的首款電動卡車Semi，也難以匹敵。

　　如果說在商用車領(lǐng)域，燃料電池技術(shù)和動力電池仍處于同一起跑線，在軌道交通領(lǐng)域，只有燃料電池方案能夠替代在非電氣化鐵路線上運行的柴油機車了。

　　2018年7月12日，法國阿爾斯通研發(fā)的全球首款氫燃料電池列車Coradia iLint正式取得歐盟頒發(fā)的許可證。該年9月，德國下薩克森州的鐵路運營商LNVG宣布，向阿爾斯通訂購兩輛列車進行試運營，并保留追加12列的權(quán)力。

　　今年5月21日，德國區(qū)域鐵路運營商RMV也宣布，以5億歐元的價格向阿爾斯通采購27輛Coradia iLint。目前，首批兩輛燃料電池列車已累計運營了萬余公里。

　　盡管燃料電池列車的采購和運營成本仍比內(nèi)燃機列車高約四成，但隨著排放要求的愈發(fā)嚴格、制氫成本的下降及部分鐵路線電氣化的不可操作性，燃料電池技術(shù)成為鐵路領(lǐng)域冉冉升起的新星。

Coradia iLint。圖源：阿爾斯通

　　比軌道交通更巨型化的是什么？答案是海運。

　　與車用汽油機相比，燃燒柴油甚至重油的船用發(fā)動機更是環(huán)境殺手。此前常年被忽視的海運業(yè)，漸漸感受到了環(huán)保政策的壓力。

　　包括悉尼、阿姆斯特丹以及漢堡在內(nèi)的多個港口城市，已將目標鎖定在了定期停泊在市區(qū)的巨型郵輪。以漢堡港為例，漢堡市區(qū)三個可供郵輪停靠的碼頭中，僅有一個能夠向郵輪提供電力。大多數(shù)情況下，為了保證船用電子設(shè)施及娛樂設(shè)施的持續(xù)運轉(zhuǎn)，船用發(fā)動機在港口停泊時也不會完全停轉(zhuǎn)。

　　據(jù)德國環(huán)保協(xié)會NABU計算，全球15艘最大郵輪的硫化物總排放量，相當于7.6億輛乘用車。

　　和對載重量敏感的商用車主一樣，船東們也不愿意隨船搭載可能數(shù)千噸重的動力電池。他們將目光鎖定在了燃料電池技術(shù)。

　　2016年起，蒂森克虜伯船舶系統(tǒng)公司（ThyssenKrupp Marine Systems）與邁爾造船公司（Meyer Werft）投入了5000萬歐元，合作研發(fā)名為e4ships的船用燃料電池技術(shù)。

　　目前，兩家合作生產(chǎn)的30kW級別的燃料電池，已裝在往返于赫爾辛基和斯德哥爾摩之間的MS Mariella號船上，穩(wěn)定地運行兩年有余。兩家公司預(yù)計，該技術(shù)可在兩至三年內(nèi)大規(guī)模推廣。

　　不過，燃料電池千瓦級別的功率，目前只能負責給船用電子設(shè)施供電。面對100MW級別的船用推進系統(tǒng)，燃料電池顯然仍不夠強大——至少兩年內(nèi)如此。

MS Mariella號上的燃料電池已能夠供應(yīng)船用電子設(shè)備的部分供電。圖源：Viking Line

　　HySeas III，這艘計劃2021年起往返于蘇格蘭奧克尼（Orkney）群島之間的渡輪，將成為船用燃料電池技術(shù)的里程碑。這是一艘額定載客量為120人和18輛機動車的公海渡輪。

　　由瑞士ABB集團和加拿大巴拉德公司牽頭組建的校企聯(lián)盟，已將燃料電池功率提升至MW級別，這使該渡輪的純電動化成為可能。HySeas III的另一個亮點在于，受限于電網(wǎng)的并網(wǎng)容量，當?shù)刂茪渌璧乃须娏詠碜远嘤嗟娘L電以及潮汐發(fā)電。

　　鋼鐵行業(yè)的救星？

　　不僅僅是軌道交通和船用推進系統(tǒng)，燃料電池應(yīng)用的名單遠不止于此。

　　德國航空航天中心（DLR）研發(fā)的首架燃料電池四座客機HY4、豐田和日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）合作的燃料電池月球車、弗勞恩霍夫研究所研制的燃料電池自行車LiteFCBike、U212潛艇上基于燃料電池技術(shù)的AIP系統(tǒng)……幾乎所有交通工具上都出現(xiàn)了燃料電池的身影。

　　但燃料電池并不是氫能應(yīng)用的唯一代表。氫能的下一個大客戶或許是鋼鐵行業(yè)。

　　在《京都協(xié)議書》框架下，歐盟計劃2050年前實現(xiàn)碳排放比1990年降低80%的目標。能源行業(yè)可以依賴可再生能源，交通領(lǐng)域寄希望于電動化技術(shù)，鋼鐵企業(yè)在煉鐵過程的碳排放卻難以規(guī)避。

　　不論是使用焦炭的傳統(tǒng)高爐法，還是使用天然氣的直接還原法，目前主流煉鐵過程本質(zhì)上仍基于碳或碳氫化合物的還原劑與鐵礦石中氧元素的反應(yīng)。作為副產(chǎn)物的二氧化碳，一定會出現(xiàn)在化學(xué)反應(yīng)式的右側(cè)。

　　這些溫室氣體不僅阻擾歐盟的減排目標，還推高了歐洲鋼鐵企業(yè)的運營成本。

　　僅以德國為例，根據(jù)德國鋼鐵行業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)，若保持目前的碳排放量不變，到2030年，德國鋼企將額外支出35億歐元用于購買碳排放許可證。

　　為了從根本上杜絕碳排放問題，絕佳還原劑氫氣成為了歐洲人的救星，因為它的最終反應(yīng)產(chǎn)物僅為水。

　　氫能煉鐵的先驅(qū)者是全球首個試點項目HYBRIT（Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology）。該項目位于瑞典北部城鎮(zhèn)呂勒奧(Luleå)，由瑞典鋼鐵公司（SSAB）及瑞典最大能源供應(yīng)商大瀑布公司（Vattenfall）投資1.5億歐元建設(shè)。

　　在該項目經(jīng)過改進的工藝流程中，直接還原法中廣泛使用的天然氣被氫氣替代，氫氣將直接與球團礦進行還原反應(yīng)并得到直接還原鐵（即海綿鐵）和副產(chǎn)物的水。

　　如果在后續(xù)工藝過程中使用依托可再生能源的電爐煉鋼，理論上，整個冶煉過程的碳排放將降低95%以上。

　　該過程中消耗巨大的氫氣，其制備、儲存、運輸及供給均由大瀑布公司負責。目前，大瀑布公司給出的制氫方案是基于多余風光發(fā)電的水解法。

HYBRIT項目流程圖。圖源：Vattenfall

　　為了測試氫氣在直接還原爐中反應(yīng)的穩(wěn)定性，瑞典鋼鐵公司計劃，2021年起首先使用天然氣、氫氣混合氣進行還原反應(yīng)，并逐步提高氫氣比例直至完全氫能化。

　　這一開始于2016年的項目，計劃2025年示范運行，2035年實現(xiàn)商業(yè)運營。屆時，瑞典全國的碳排放量有望因此降低10%。

　　瑞典鋼鐵公司的創(chuàng)新之舉，迅速引爆了包括全球第一大鋼企安賽樂米塔爾，以及蒂森克虜伯、薩爾茨吉特（Salzgitter）及奧鋼聯(lián)（Voestalpine）等鋼企對氫能的研究。

　　各家鋼企的冶煉過程均選擇了直接還原與電爐煉鋼的組合，但在如何確保氫氣供給的問題上，各家做出了不同的嘗試。

　　不同于瑞典鋼鐵公司和奧鋼聯(lián)求助于本國的電力供應(yīng)商，蒂森克虜伯選擇與法國液化空氣集團（Air Liquide）進行合作，后者在制氫、運輸、儲存以及運營加氫站等環(huán)節(jié)上有豐富技術(shù)積累。

　　安賽樂米塔爾和薩爾茨吉特選擇自力更生。前者將目光投向了本公司漢堡工廠生產(chǎn)過程中副產(chǎn)高爐氣中的氫氣；后者則計劃自行建造功率達720kW的高溫電解制氫設(shè)備。（記者 | 錢伯彥 界面新聞記者彭強對本文亦有貢獻）