麦肯锡:氢能才是新能源汽车的理想能源

动力电池驱动的电动汽车持续制造重要新闻,但燃料电池的发展势头日益增强。理由是,氢能将会在可再生能源系统和未来出行中扮演着重要角色。

丰田燃料电池概念车“TOYOTA FCVPLUS”

在2015年联合国气候变化大会COP21在巴黎召开之际,195个国家同意将全球变暖控制在工业革命之前的气温水平上浮2摄氏度范围之内。为实现这一目标,到2050年世界各国需要将能源消耗相关二氧化碳排放削减60%,即使同期全球人口数量将增长20亿。这将需要我们的能源系统发生戏剧性的转变:能源效率的巨幅提升,向清洁能源和低碳燃料载体的过渡,对于剩余在用化石燃料排放的二氧化碳,其工业收集、存储、再用比例的提升。

巴黎协定2年后,在波恩的联合国气候变化大会COP23上,由汽车、石油、天然气、工业石油气和机械设备制造领域的18家公司财团组成的氢理事会,表达了他们对于氢能源如何能够帮助实现宏伟的气候变化控制目标的构想。他们提出,氢能源在广泛领域的应用是向可再生能源系统和清洁能源载体转变的驱动力。如果要严格控制气候变暖范围在2度以内,氢理事会估计氢能源的使用能够帮助实现五分之一的减排目标。这份计划虽然看起来耗时费力,但还是有可行性的,需要政策制定者、工业企业和投资者做出共同努力,来加速在低碳科技领域的布局。

氢能可在能源转变中担任7项主要角色

氢气是一种多用途能源载体,并能在整个生产过程中留下低碳足迹。氢能在能源转变中担任的7种角色,能够实现能源体系从骨干到终端应用的脱碳,如图一所示:

可再生能源系统驱动(1～3):通过提供一种长期的能源存储方法,氢能实现可再生电能到能源系统的大规模集成。氢允许跨地域和跨季节的能源分配,并能为能源系统的弹性提供缓冲。

交通运输脱碳化(4):今天的交通运输行业几乎完全依赖于化石燃料,并贡献了20%以上的二氧化碳排放,氢动力车辆以其高性能和快充便利性,能够补充动力电池汽车缺陷以实现交通运输行业的广泛脱碳。

工业用能源的脱碳化(5):在重工业,以往不易通过电能完成的脱碳过程, 特别是那些需要高温处理的,可以借助氢气实现。氢气在这一过程中产生的热量和能量也能够用于其他形式的工业化应用。

建筑热力和能源的脱碳化(6):在现有天然气网络覆盖的地区,氢气能够搭载在现有基础设施上,并提供一种加热脱碳的成本效益型方法。

为工业提供清洁原料(7):当前用氢气作为工业原料的总量每年超过5500万吨,这一部分能够实现完全脱碳化。通过使用化学原料和收集的碳相结合,氢气也可以用来生产清洁化学品;通过被用作铁矿石还原剂,氢气可以被用来生产钢铁。

氢在交通领域的作用被嵌入到全系统的视野中

如上所述,氢能在能源系统中有广泛的应用(参见图二),其中交通运输行业的脱碳效果作用最为显著。在氢能委员会的构想中,氢能被大力部署以将全球变暖限制在2摄氏度范围之内,而交通行业将带来三分之一的全球氢能需求增长。到2050年,氢能理事会的成员认为,氢动力燃料电池汽车将占汽车总量的20%,共约4亿辆汽车和1500万至2000万辆卡车和约500万辆公交车。在他们设定的情境下,氢气将在载重运输和较长的驾驶区段中发挥更大的作用。也正因此,氢能的使用能够带来30%(比氢燃料电池汽车占比更高)的公路运输行业减排目标。

在氢能理事会的愿景中,氢动力机车也将取代20%的柴油内燃机车,并且氢基合成燃料能够为飞机和货运船舶提供动力。总而言之,如果氢能被广泛部署到氢理事会所描述的程度,交通运输行业每天可以减少消耗2000万桶石油。

燃料电池可以作为电池的补充,使运输脱碳化

氢气和电池经常被描述为相互竞争的科技,而且电池技术近年来受到广泛关注。但是,这些科技的相对优劣性表明,他们更应该起到互补作用。动力电池汽车需要打造更高的电池效率以便减少车重,理想适用于短距离运输和轻型车辆。氢能够以更轻的重量储存更多的能量,使得燃料电池更适合重载和长距离运输。快充技术也有利于商业车队或其他车辆的连续运转。这些科技如何联结到一起,将主要取决于电池技术的发展以及如何快速实现燃料电池量产和降本。

到2030年,道路运输需要将近8000万辆辆排放车辆,到2050年,平均每人每公里的二氧化碳排放量需要减少70%。为实现这些目标,需要广泛涉及动力系统和燃料领域的工作。

不仅纯电动汽车(BEV)和燃料电池汽车(FCEV)之间不存在竞争,而且BEV的成功实际上可能会推动FCEV的应用。这两种技术都受益于电动化出行被广泛接受,规模越来越大,降低了电动传动系和其他部件的成本。行业专家认为,BEV和FCEV的总体拥有成本可能在未来十年内趋于一致,并在距离今天12或15年后与内燃机(ICE)车辆竞争。基于它们的整个生命周期,FCEV实现了非常低的二氧化碳排放量,部分原因是它们不需要生产能源和资源密集型的大型电池。即使FCEV使用的氢气来自无碳捕获天然气(natural gas without carbon capture),与内燃机车辆相比,它们的二氧化碳排放量也会缩减20%至30%。事实上,氢能的某些工艺已经减少了二氧化碳浓度,比如一些加油站利用可再生电力通过电解提取氢气供应,氢气从化石能源的产出可以配合有效的碳捕获和储存。

优先级细分和用例将引领交通方式变革

如同其他行业正在通过技术创造变革,氢能的采用也将带动电动汽车发展进入新阶段。

氢能车辆的商业化实践已经开始,对于乘用车来说,它最适合大型车。在日本,韩国,美国(特别是加利福尼亚州)和德国,已有三款FCEV(Honda Clarity,现代ix35 / Tucson燃料电池和丰田Mirai)在市场上销售(仅示例)。要求高运行时间的共乘(ridesharing)或出租车服务可以推动其早日采用。到2030年,中国和日本将有180万辆FCEV上路,这样宏伟的国家目标可能会给氢能车辆的商业化带来更多的动力。

由于担心当地的污染问题,特别是在欧洲,中国,日本和韩国,氢能公交车开始受到政策牵引。韩国计划将26000辆公交车改造为氢能源车。中国仅上海一地就计划在2020年之前购买和运营3,000辆燃料电池公共汽车。考虑到严格的监管,使用厢型车(van)和小型客车(minibus)的运输车辆和其他商业车队也可从中受益。

长距离运输载重货车是另一个优先选择。由于其航程长且路线明确的特性,对基础设施的需求较少:有些估计表明,仅仅350个能源补给站就能够覆盖整个美国。丰台等成熟汽车制造商和新兴企业,如NikolaMotors,已经开始制造重载和长途卡车以期在蓬勃发展的货运行业抓住机遇。

在很多没有电的轨道上,燃料电池汽车可以去到很多柴油动力机车。首座燃料电池轨道电车已经在中国运营,阿尔斯通(Alstom)的第一辆“Hydrail”列车也将于2018年初开始在德国运营。

为了达到2050年宏伟的目标,到2030年需要率先达到重要的里程碑。氢能理事会估计,如果有重大的努力推进基础设施建设和扩大生产,在美国加利福尼亚州,德国,日本和韩国销售的汽车中,每销售出12辆车就能有一辆车是氢能源汽车。大约有5万辆燃料电池公共汽车和35万辆燃料电池卡车也可能在全球道路上行驶,节省了大约350万辆氢动力乘用车的二氧化碳排放量。

要加速这个势头,行业,投资者和决策者需要加紧努力

在全球范围内,各国已经宣布到2025年将建设约2800个加氢站。与全球估计的60万个加油站相比,这个数字还是很小的,但如果实现的话就足以覆盖氢能汽车的主要市场(德国倡议的H2Mobility估计达到全国覆盖需要400个加氢站)。

虽然这些投资是至关重要的,但要达到规模效益和降低成本则需要更多的投入。目前,通过FCEV节省的每吨二氧化碳估计花费将超过1500美元,仍需继续扩大规模,以使这项技术在2030年至2035年之间达到与传统技术保持一致的平衡点。降低成本,加上基础设施和可选车型的增加,是激励客户接受技术的先决条件。

氢能委员会估计,到2030年需要投资2,800亿美元。其中约60%的投资将用于扩大氢气的生产,储存和分配,30%用于新车型开发,生产线建设和新的商业模式拓展。剩余不到10%,约200亿美元,将需要建立1.5万个站的全球加氢基础设施,亦即目前构成缺乏FCEV使用的主要瓶颈。

扩大基础设施布局建设必须进一步降低氢气成本。目前在德国建立一个中型加油站的成本已经是五年前的一半,约为100万美元,但仍需进一步的减少成本来支持氢能在大众市场的推广。如果规模效益实现,氢气委员会估计,将每辆FCEV的基础设施成本降至1000美元以下是可能的。同样,车辆成本也需要进一步下降,以支持在大众市场推广。

当2030年,全年总投资额达到200亿至250亿美元,这对氢能产业来说将会是一个重大的进步。现今全世界每年能源投资超过1.7万亿美元,其中包括6,500亿美元的石油和天然气,3000亿美元的可再生能源电力,另有超过3000亿美元在汽车行业。从中期来看,这项投资可以创造一个自我维持的市场,期间的销售转化将超过2.5万亿美元。再乘以每百万美元的销售额创造约12个就业岗位(汽车、机械设备、原油及天然气工业),能够在价值链上创造约3000万个就业机会。当然,这一切都建立在2050愿景实现的基础上。