氫除了昂貴的燃料電池車，還能干什么？

幾乎所有交通工具都出現了燃料電池的身影。但燃料電池并不是氫能使用的唯一代表。

像水一樣平凡，像造物主一樣高尚。

近代化學之父拉瓦錫在發現這個宇宙豐度第一的元素后，以古希臘語的水和創造者為詞根，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外，當下概念大熱的氫能，是不是擔得起拉瓦錫兩百年前的期待？

西門子集團CEO凱颯（JoeKaeser）對此深信不疑。氫能替代火力發電的騰籠換鳥，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（Gorlitz）投資3000萬歐元新建氫能創新園。就在一年前，凱颯宣布封閉當地燃氣輪機工廠，引發了大規模抗議游行。

看好氫能發展的不僅僅是凱颯。氫能概念在一年之內火遍全球。

今年1月17日，韓國政府發布了《氫能經濟發展路線圖》；3月，中國將“推動加氫等設施建設”首次寫入《政府工作報告》，國內的氫能產業園、小鎮遍地開花；6月15日，在日本長野縣召開的G20能源與環境部長級會議，確立了“日美歐氫能經濟同盟”。

內需下的內虛：叫好不叫座

“大干快上”的背后是冷冰冰的數據——至少在市場最為廣大的乘用車范疇，燃料電池車的商業化之路并不順利。

中汽協的統計數據顯示，今年1-5月，全國燃料電池汽車銷量同比增長近18倍，但惟有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，差距為三個數量級。

放眼全球，燃料電池車同樣叫好不叫座。據美國能源部數據，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，差距同樣是三個數量級。即便是大力投資氫能和燃料電池技術的日本，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，燃料電池大規模商業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%區間內。以乘用車為例，電動車行駛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，使燃料電池汽車的加工和運營成本居高不下。

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

Mirai的成功經驗能否推廣至目前僅有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？這很難不令人萌生疑問。

燃料電池技術還面臨著最大的對手——成本繼續降低的動力電池技術。

“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。”豐田燃料電池項目負責人廣瀨勝彥教授（KatsuhikoHirose）在G20部長會議上也承認，電動車在產業化道路上得到了政府機構更多的垂青。

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。它分明暴露出動力電池的兩大缺點：壽命和重量。續航里程惟有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。

以鋰離子電池1000次循環為例，電動車保證20萬-30萬公里的總行駛里程并不困難。這個數字對于城市交通或許足夠，卻難以勝任連軸轉、百萬公里級別的商用車范疇。加上電動卡車上重達數噸的電池擠占了載貨重量，很少有物流企業對其商業化萌生興致。

動力電池所不能的，卻是燃料電池之所長。

相對原子質量為1的氫元素在輕量化上具有得天獨厚的優點，沒有活動部件、工況穩定的特點，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范疇，燃料電池已展現出特有的優點。

豐田代號為ProjectPortal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重疊后，該型燃料電池卡車獲得了670匹馬力及320公里的續航里程。G20峰會時，日本人特意將其運回長野，作為日本氫能戰略的最好寫照向世界展示。

今年4月16日，美國公司NikolaMotors和德國博世集團合作研發的NikolaTwoAlpha也正式面世。1000匹馬力以及1600公里的續航，即便是特斯拉推出的首款電動卡車Semi，也難以匹敵。

如果說在商用車范疇，燃料電池技術和動力電池仍處于同一起跑線，在軌道交通范疇，惟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，法國阿爾斯通研發的全球首款氫燃料電池列車CoradiaiLint正式取得歐盟頒發的許可證。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列的權力。

今年5月21日，德國區域鐵路運營商RMV也宣布，以5億歐元的價格向阿爾斯通采購27輛CoradiaiLint。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燃機列車高約四成，但隨著排放要求的愈發嚴格、制氫成本的下降及部分鐵路線電氣化的不可操作性，燃料電池技術成為鐵路范疇冉冉升起的新星。

比軌道交通更巨型化的有哪些？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動機更是環境殺手。此前常年被忽視的海運業，漸漸感受到了環保政策的壓力。

包括悉尼、阿姆斯特丹以及漢堡在內的多個港口城市，已將目標鎖定在了定期停泊在市區的巨型郵輪。以漢堡港為例，漢堡市區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。大多數情況下，為了保證船用電子設施及娛樂設施的繼續運轉，船用發動機在港口停泊時也不會完全停轉。

據德國環保協會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千噸重的動力電池。他們將目光鎖定在了燃料電池技術。

2016年起，蒂森克虜伯船舶系統公司（ThyssenKruppMarineSystems）與邁爾造船公司（MeyerWerft）投入了5000萬歐元，合作研發名為e4ships的船用燃料電池技術。

目前，兩家合作加工的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MSMariella號船上，穩定地運行兩年有余。兩家公司預計，該技術可在兩至三年內大規模推廣。

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施供電。面對100MW級別的船用推進系統，燃料電池顯然仍不夠強大——至少兩年內如此。

HySeasIII，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。HySeasIII的另一個亮點在于，受限于電網的并網容量，當地制氫所需的所有電力皆來自多余的風電以及潮汐發電。

鋼鐵行業的救星？

不僅僅是軌道交通和船用推進系統，燃料電池使用的名單遠不止于此。

德國航空航天中心（DLR）研發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機構（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的AIP系統……幾乎所有交通工具上都出現了燃料電池的身影。

但燃料電池并不是氫能使用的唯一代表。氫能的下一個大客戶或許是鋼鐵行業。

在《京都協議書》框架下，歐盟計劃2050年前實現碳排放比1990年降低80%的目標。能源行業可以依靠可再生能源，交通范疇寄希望于電動化技術，鋼鐵企業在煉鐵過程的碳排放卻難以規避。

不論是使用焦炭的傳統高爐法，還是使用天然氣的筆直還原法，目前主流煉鐵過程本質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。作為副產物的二氧化碳，一定會出今朝化學反應式的右側。

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的運營成本。

僅以德國為例，依據德國鋼鐵行業協會的數據，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，因為它的最終反應產物僅為水。

氫能煉鐵的先行者是全球首個試點項目HYBRIT（HydrogenBreakthroughIronmakingTechnology）。該項目位于瑞典北部城鎮呂勒奧(Lulea)，由瑞典鋼鐵公司（SSAB）及瑞典最大能源供應商大瀑布公司（Vattenfall）投資1.5億歐元建設。

在該項目經過改進的工藝流程中，筆直還原法中廣泛使用的天然氣被氫氣替代，氫氣將筆直與球團礦進行還原反應并得到筆直還原鐵（即海綿鐵）和副產物的水。

如果在后續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電的水解法。

為了探測氫氣在筆直還原爐中反應的穩定性，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，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年實現商業運營。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（Voestalpine）等鋼企對氫能的研究。

各家鋼企的冶煉過程均選擇了筆直還原與電爐煉鋼的組合，但在要怎么樣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求助于本國的電力供應商，蒂森克虜伯選擇與法國液化空氣集團（AirLiquide）進行合作，后者在制氫、運輸、儲存以及運營加氫站等環節上有豐富技術積累。

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加工過程中副產高爐氣中的氫氣；后者則計劃自行建造功率達720kW的高溫電解制氫設備。

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