如何通過燃料動力電池和氫氣實現可繼續移動

2018年，殼牌公布《能源的將來？—通過燃料動力電池和氫氣實現可繼續移動》，在此ERR能研微訊研究團隊對報告的緊要觀點進行了翻譯，分享給大家，歡迎轉發擴散！

1、氫能—將來的能源

氫氣相態圖

多年來，殼牌公布了一系列關鍵能源問題的情景研究。其中包括對緊要能源消費行業的研究，如乘用車和商用車（卡車和公共汽車），以及向私人家庭供應能源和熱能，以及對個別能源和燃料的狀況和前景的研究，包括生物燃料、天然氣和液化石油氣。

氫是一種受到重視的元素。作為能源，氫一直被認為是可繼續能源將來的可能基礎。但它不能孤立地被看待，因為它既與其他能源競爭又相互依靠，并且與其他能源和技術相互依靠。問題是氫能否成為將來的緊要能源載體？

近幾十年來，殼牌一直致力于氫氣加工以及氫氣研究、開發和使用，并擁有專門的業務部門ShellHydrogen。今朝，殼牌與德國研究機構和智庫的伍珀塔爾研究所合作，開展了一項關于氫作為將來能源載體的研究。

殼牌氫能研究著眼于氫氣供應途徑和使用技術的現狀，并探討了氫氣作為能源的潛力和前景，該研究還研究了氫氣的非能源使用和非汽車使用，但其重點，正如其副標題“通過燃料動力電池和H2的可繼續流動性”，在公路運輸中，特別是在燃料動力電池電動車輛中使用氫氣。

（一）氫元素

氫是大爆炸后創造的第一個元素。它是宇宙中最常見的物質，也是太陽等恒星最豐富的能源。

氫（H）是化學元素周期表中的第一個元素，也是最小、最輕的原子。純氫僅以分子形式（H2）在地球上出現。氫在地球上通常以氫化合物的形式存在，最有代表性的是水分子（H2O）。

發現于18世紀的氫氣最初被稱為“易燃空氣”。到了19世紀，氫氣在當時的愿景中被視為能源的將來，特別是在能源工業和能源運動方面。20世紀60年代和70年代，太空旅游和日益稀缺的資源進一步加深了圍繞氫的興奮光環。20世紀90年代以來，隨著人們對尋找可繼續能源的緊迫性日益加強，對氫的興致得到了提升。最近，對氫的重點關注范疇聚焦到其日益在以電力為基礎的能源經濟中的作用。

由于其特殊的物理性質，氫氣幾乎是永久性氣體，因為它僅在非常低的溫度（低于－253°C）下液化。它密度低，因此通常在壓力下儲存。液化使其密度新增800倍。氫的最典型特性是其可燃性。到目前為止，它還具有當今正在使用的所有能源的最高重量能量密度比。由于其化學性質，在解決的過程中非得加倍小心。

燃料燃燒范圍

（二）供應途徑

由于氫通常作為化合物的一部分存在于地球上，因此非得在特定的過程中合成氫以用作材料或能源。這可以通過不同的技術辦法來實現，并且各種緊要能源－化石燃料和可再生燃料，無論是固體、液體還是氣體形式－都可以用于這些技術加工過程中。

目前氫氣加工最緊要的緊要能源是天然氣，占70％，其次是石油、煤炭和電力（作為二次能源）。甲醇重整制氫（來自天然氣）是最常用的制氫辦法。其他加工辦法包括部分氧化、自熱重整和氣化，其通常使用化石一次能源。一些未使用的殘余氫可用作能源，作為工業加工過程的副產品。

迄今為止，惟有少量的氫氣來自可再生能源，盡管這一數量未來會新增。電解目前約占全球氫氣產量的5％，但其中大部分仍基于傳統電力來源。剩余可再生能源的電解被視為將來的巨大潛力。

堿性電解法已在該行業中使用了一個多世紀。目前正在開發供應改進的性能參數（關于轉換效率，靈活性和成本）的替代電解辦法。

生物質制氫雖然技術上可行，但在全球范圍內的規模依然微不足道，雖然生物質氣化和生物質氣體重整等熱化學辦法已經投入使用，但生物質化學過程仍處于起步階段。非得依據可繼續性要求檢查生物質的可用性，畢竟它是有限的資源。

作為緊要的氫供應途徑，天然氣和沼氣和電解和蒸汽重整一直在能量輸入、溫室氣體排放和加工成本方面被進行分解和比較：基于傳統電力（電網混合）的電解制氫要較高的一次能量輸入。相比之下，基于可再生電力的天然氣和沼氣重整和電解則要很少的一次能源。此外，可再生電力的電解僅使用極少量的化石資源。來自用可再生能源發電的電解萌生的H2能夠萌生最少量的溫室氣體排放，而由基于天然氣或沼氣氣體重整萌生的H2比由基于電網的電解萌生的氫更好。

在所考慮的所有加工辦法中，聚集式氫氣加工比小型、分散式廠的加工更具成本效益。聚集式天然氣重整制氫是最具成本效益的，其每千克氫的加工成本為1～2歐元。

電解制氫的成本更高，其商業可行性在很大程度上取決于電價。基于生物質的氫加工的成本處于天然氣重整和電解之間。

將來，分散式天然氣重整、聚集式電解和聚集式生物質路線有望供應最大的成本節約潛力。

產氫流程

水的電解

電極的緊要屬性

氫氣加工成本

（三）存儲和運輸

氫的特定物理和化學性質導致比其他能量載體要更高的物流成本（儲存和運輸）。氫具有非常低的體積能量密度，這意味著它非得被壓縮以用于儲存和運輸目的。

商業上最緊要的是作為壓縮氣體的氫存儲。關于最終用戶，可供應不同設計（350，700bar）的高壓儲罐。通過液化可以實現更高的儲存密度，盡管這涉及將氫氣冷卻至－253℃。

存儲密度越高，冷卻和壓縮所需的能量越多，這也是我們正在探索更有效存儲辦法的原由

與電力不同，氫氣可以長期大量儲存。諸如洞穴之類的低壓地下儲存設施可以用來自存儲剩余的可再生電力氫氣，并用作電力部門的緩沖儲存庫。然而，到目前為止，處于使用中的地下儲氫設施依然非常少。

新型存儲媒介是基于材料的儲氫技術。這些包括金屬氫化物、化學儲氫材料（例如液體有機氫載體）或吸附劑（例如金屬有機骨架、沸石和碳納米管）。大多數這些技術仍處于研發階段。

目前，氫通常通過卡車在加壓氣罐中運輸，在某些情況下也在低溫液罐中運輸。但是，每輛卡車拖車只能運輸約0．5～1噸的氣態氫或最多4噸液態氫。

某些地區供應區域氫氣管道運輸，其中最長的是美國和西歐。從長遠來看，天然氣供應基礎設施（管道和地下儲存設施）也可用于儲存和運輸氫氣。就運輸成本而言，液態氫適用于長距離運輸，壓縮的氣態氫適用于較小量的較短距離運輸，而管道運輸關于大容量氫能運輸是非常有利的。存儲方式

氫氣存儲密度

各國氫氣管道長度

（四）使用

氫是一種高度通用的基礎化學品，有兩個緊要用途：材料使用和能源使用。工業中最緊要的材料使用是氨合成，緊要用于加工含氮肥料和甲醇合成。此外，氫氣是煉油廠原油精煉的副產品，特別是石腦油的催化重整；另一方面，它用于精煉廠中的油產品的出產和精煉－例如加氫解決和加氫裂化等工藝等。氫的能源使用緊要涉及將氫氣中的能量轉化為熱能、電力或電能。然而，氫今朝很少被使用作為熱機的能量源。

關于能源使用，燃料動力電池已成為氫氣使用的緊要焦點。與熱機相比，燃料動力電池能供應更高的電效率和整體效率。燃料動力電池原理是在19世紀被發現的：隨著燃料的不斷供應，化學能筆直轉化為電能。作為電解的逆過程，H2和氧同時重新組合成萌生H2O的直流電。

近年來燃料動力電池已經取得了一些重大技術進步。今朝可用的許多不同電池類型在它們使用的電解質（離子導體）和它們的操作溫度方面具有很大不同。低溫電池準許動態負載應和，而高溫電池有利于繼續負載，并且對燃料質量的波動更具彈性。此外，在外部或內部重整之后，一些燃料動力電池類型也可以使用其他含氫燃料（例如天然氣或甲醇）。

目前世界市場以質子交換膜燃料動力電池（pEMFC）為主，其功率密度、靈活性和降低成本的潛力使得其最適合于移動使用。并行開發的是固體氧化物燃料動力電池（SOFC），其緊要使用于繼續的家用能源供響應發電廠。

在燃料動力電池的電極上使用的催化劑對系統成本和性能具有巨大影響。研究更節約成本和更經濟的催化劑材料的工作也正在進行中。

全球氫氣用途

p2X路徑

5種燃料動力電池

（五）固定能源使用

在數量和裝機容量方面，固定式燃料動力電池是燃料動力電池系統全球市場發展的緊要推動力。

燃料動力電池正在越來越多地以應急發電機組或不間斷電源（UpS）的形式被用作發電機和可充電電池的備用電源。由于燃料動力電池萌生電能和熱能，它們在電廠和建筑部門的電力和供熱供應中用于熱電聯產（CHp）裝置正在新增。

微型熱電聯供燃料動力電池系統由于其較高的整體效率，逐漸成為節能型家用能源供應的一種有富有前景的新選擇。用于家庭能源供應的燃料動力電池通常使用天然氣（通過額外的外部或內部甲醇重整）。基于質子交換膜燃料動力電池pEMFC和固體氧化物燃料動力電池SOFC的第一批商用微型熱電聯產裝置今朝可用于例如建筑范疇的建設。戶用燃料動力電池系統的緊要示范項目和市場啟動計劃已經在德國、歐洲和日本引入，名稱分別為“Callux”、“ene．field”和“Ene－Farm”。截至2016年底，在Ene－Farm計劃下日本已經安裝了近20萬個微型熱電聯產裝置；到2030年，日本政府計劃安裝530萬個熱電聯產裝置。

燃料動力電池微型熱電聯產或小型熱電聯產裝置在建筑范疇的經濟效率取決于各自的電力和天然氣零售價格。熱電聯產技術在建筑物中的廣泛使用將要（在短時間內）進一步的臨時資金支持以促使市場開發。

（六）移動使用

氫可用作移動使用的能源。最初，它也在內燃機中進行了探測，但在運輸范疇，氫氣今朝幾乎只用于燃料動力電池。太空旅游為氫和燃料動力電池技術的發展供應了歷史和技術動力。

原則上，氫燃料動力電池系統幾乎適用于所有運輸工具，但其技術成熟度依據運輸方式及其使用方式而變化。產品的技術成熟度可以依據美國太空管理局NASA開發的技術準備水平（TRL）來確定。TRL規模從1級到9級。充足的技術成熟度，這意味著至少在使用范疇中已經證明的功能（＝TRL8），是在相應的移動使用范疇推動市場發展的關鍵先決條件。

用于物料搬運的叉車或牽引車等工業卡車在技術上幾乎完全成熟，并且已經處于商業化的早期階段。乘用車已達到批量加工，而公交車則緊隨其后。物料搬運設備的制造數量最多。今天，在北美，擁有超過11000輛叉車和拖車的車隊正在運營。燃料動力電池乘客汽車今朝供應與內燃機驅動相同的功能（例如性能，加油時間，有效范圍或舒適性）。由于很多項目屬于公共資助項目，公共汽車經歷了比任何其他交通工具更密集的車隊探測。

在火車、輪船和飛機方面仍有許多發展工作要做：輕軌車輛和商用車輛（包括卡車）可能會受益于目前公認的公共汽車或乘用車技術。目前還沒有商用飛機或商船的計劃，但他們可以使用燃料動力電池作為輔助動力裝置（ApU）的有效能源。

（七）車輛所有權成本

購買或持有車輛時最緊要的考慮因素之一是經濟性：所涉及的所有權成本。這些包括購買成本、燃料的繼續成本或與里程或運輸性能相關的成本。一旦具有不同傳動系的車輛的成本足夠相近，其他非經濟決策因素就會發揮作用。

在現有的購買和燃料成本結構下，燃料動力電池乘用車尚不具備競爭力。但是，在一個雄心勃勃的氣候行動方案中，尤其是隨著技術的快速進步以及加工和市場開發的規模效應不斷新增，汽車燃料動力電池技術將很快變得更具成本效益。此外，氫氣的加工成本可能會在中長期內下降，這與較低的技術和基礎設施成本相結合，可以使氫氣作為燃料能夠更便宜地分銷和占據市場。

同時，由于更復雜的廢氣解決內燃機車輛正在變得更加昂貴。在城市和大都市地區，由于對空氣質量和尾氣排放的更嚴格規定，內燃機車輛越來越受到當地使用限制。因此，與內燃機乘用車相比，由氫驅動的（局部）無排放燃料動力電池乘用車變得越來越有吸引力，而不僅僅是基于成本的原由。

一旦燃料動力電池乘用車和電池電動車的購買成本之間的差距隨著加工數量的新增而逐漸消失，燃料動力電池乘用車就成為（本地）無排放電池電動車的真正替代品。這是因為，在購買成本相同的同等條件下，燃料動力電池電動車輛還供應了超過電池電動車輛的額外優點，例如更大的舒適性、更長的續航里程和更短的充電時間。相反，倘若要在舒適性、續航里程或充電時間方面改進電池電動車輛，它們將變得更昂貴并且將失去其優于燃料動力電池電動車輛的經濟優點。

（八）加氫站基礎設施

移動氫能的發展和擴展將要新的基礎設施來為燃料動力電池電動車（FCEV）供應全面的供應網絡。截至2017年初，全球約有280個加氫站和約4000輛燃料動力電池車。到目前為止，加氫站和燃料動力電池車隊多聚集在美國、西歐和亞洲的日本。近年來，基礎設施和車隊的發展大大加快。

加氫站包括以下技術組件：儲氫罐，壓縮機，預冷器／蒸發器和分配器。到目前為止，加氫站大多是定制的。通過技術組件的模塊化和批量化加工可以降低制造成本。此外，國際認可的氫能專用標準將為加油站網絡的安全和有效擴展做出重大貢獻。由于監管和技術標準化以及規模效應，預計將來幾年內氫能將有大幅降低50％的成本潛力。

依據容量、設計和利用情況，一般和特定的加油站基礎設施成本會有所不同。通過選擇適宜的規模和供應概念，可以調整加氫站網絡以滿足需求，并且可以通過逐步擴展來降低基礎設施成本。然而，在市場上升階段開始時存在加氫站嚴重利用不足的風險，因此在早期階段要為基礎設施擴展供應財務支持。

網絡發展也非得與氫以及氫能車隊的擴展同步。為實現此目的在領先地區（北美，西歐和日本／亞洲）提出了一系列氫氣倡議。

（九）能源與環境：燃料動力電池電動車的場景

運輸是一個緊要的能源消耗和排放部門。在全球范圍內，道路交通在2014年造成約5．7億噸的二氧化碳排放，公路車輛的二氧化碳排放量在1990年至2014年期間新增了71％。鑒于全球道路交通量仍在新增，盡管采取措施避免交通或將其轉移到公共交通或更環保的交通方式，減少機動車的能源消耗和負面環境影響更為緊要。

氫能燃料動力電池電動車（FCEV）比內燃機推動的乘用車效率更高。因此，FCEV可以為能源供應的多樣化和機動公路運輸的節能做出緊要貢獻。

倘若氫氣來自可再生能源，則整個供應鏈中的特定溫室氣體排放量非常低。再加上效率更高的動力傳動系統，到2050年，與距離相關的溫室氣體排放量將顯著降低至1．13億個左右。此項結果是基于預計到2030年歐盟和美國的年度燃料動力電池車登記量將新增到100萬個。到2050年，在這三個地區，每年新登記的人數將新增到1000萬。

依據假定的年均勻車輛里程數，特定（與距離相關）的車輛能耗和所用燃料的溫室氣體因子，估計2050年的1．13億輛燃料動力電池電動車的氫消耗約為1000萬噸氫（每年）。倘若要用燃料動力電池電動車取代高效的汽油乘用車，到2050年，這將節省－取決于更換車輛的設計（僅混合動力或汽油）－38至68萬噸汽油和超過1．9億噸與運輸有關的二氧化碳排放量。

考慮到從今朝到2050年的整個時期，與被替換的汽油車相比，可以降低超過1．5億噸的溫室氣體排放量。

2、政策要求為氫經濟供應幫助

氫作為能源以及燃料動力電池作為能量轉換器，在能源轉型和實現將全球溫度上升控制在2°C的氣候政策目標中發揮著緊要作用。近年來，氫加工和使用技術取得了重大進展。盡管如此，氫氣和燃料動力電池在全球能源系統中實現廣泛的商業用途方面仍處于起步階段。因此，它們要政府和整個社會的進一步支持和資助。

要采取哪些行動和措施才能使氫和燃料動力電池最終成為將來可繼續能源系統的支柱之一？下面我們列出整個氫氣供響應使用鏈的十個關鍵要求，這些要求可能有助于改善將來氫能經濟的總體條件。這些措施中的每一項本身都很緊要，但理想情況下，它們應被視為一系列連貫的措施，其中各個步驟相互建立－或者甚至更好地與其他部門的措施相協調。

（一）制造

基于電解和低排放重整的氫加工辦法的繼續發展非得得到支持，以及包括專注于制造成本、效率和使用靈活性的量身定制的研發政策。財政激勵措施將是必要的，特別是在市場進入初期階段，通過基于可再生能源電力電解或通過沼氣重整來提高綠色氫氣的產量。

（二）儲存和運輸

從長遠來看，非得（進一步）改善氫的大規模儲存和運輸選擇。其中一個方面是在大容量儲罐（洞穴）中儲存由剩余可再生電力萌生的氫氣。此外，在儲存介質（氫化物、液體和吸附劑儲存系統）范疇要更多的商業前基礎研究。最后，非得酌情開發氫輸送基礎設施（如液態氫輸送以及氫氣管道）。

（三）燃料動力電池

通過技術多樣化的研發資金，非得在制造成本和效率以及長期穩定性方面支持作為最緊要的氫能源技術的移動和固定燃料動力電池的進一步發展。

（四）固定使用

盡管近年來取得了重大進展，但緊急備用電源和不間斷電源以及微型熱電聯產燃料動力電池系統仍要進一步的技術資金支持。在進入市場時，至少要短時間的財務和或政策支持。

（五）移動使用

燃料動力電池電動車是電動車。應通過公共采購計劃，筆直財政獎勵或車輛的特權地位（例如，禁止進入某些城市地區的禁令）暫時支持購買燃料動力電池乘用車和公共汽車。在成熟的可繼續技術（例如貨車、鐵路、船舶、飛機）組合非常有限的地區開發替代技術要進一步的研發資金。

（六）基礎設施／加氫站

加氫站的擴建，特別是在利用率低的引導階段，要政府分擔經濟負擔和風險。國家對基礎設施的資助應當在這方面發揮作用。應酌情以協調的方式張大氫能基礎設施，實現全國傾覆的長期目標。

（七）能源和燃料

綠色氫氣的使用要建立適當的激勵機制，例如，將其與歐盟的燃料溫室氣體減排目標相抵消，或者通過張大儲能和需求側管理的容量市場。關于電力萌生的氫氣，要與其他諸如電力存儲或power－to－X計劃建立公平的競爭環境。由于電解制氫不是（可再生）電的最終消費者，所以其不應當承擔額外負擔。不同產品的差別被對待非得被消除。

（八）技術可接受性

關于大多數終端用戶來說，氫（尚）不為大眾所知道。相反，關于絕大多數消費者而言，氫氣和使用它的技術依然是新的。新能源技術要開放，愿意學習和使將來用戶熟悉。因此，倘若這些技術要獲得用戶和整個社會的認可，教育和相關技術信息的傳播至關緊要。

這要適當的溝通策略和規范來建立經驗和承諾。

（九）協同

為了加快建立全球氫能經濟，要通過城市、地區和國家之間以及相關經濟運營商之間的合作來創造協同效應。將加工和消費部門聯系起來也很緊要，對電池系統和燃料動力電池等創新技術的全面協調也很緊要。

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