怎样通过燃料电池和氢气实现可持续移动

2018年，壳牌发布《能源的未来？—通过燃料电池和氢气实现可持续移动》，在此ERR能研微讯研究团队对报告的主要观点进行了翻译，分享给大家，欢迎转发扩散！

1、氢能—未来的能源

氢气相态图

多年来，壳牌公布了一系列关键能源问题的情景研究。其中包括对重要能源消费行业的研究，如乘用车和商用车（卡车和公共汽车），以及向私人家庭供应能源和热能，以及对个别能源和燃料的状况和前景的研究，包括生物燃料、天然气和液化石油气。

氢是一种受到重视的元素。作为能源，氢一直被认为是可持续能源未来的可能基础。但它不能孤立地被看待，因为它既与其他能源竞争又相互依赖，并且与其他能源和技术相互依赖。问题是氢能否成为未来的重要能源载体？

近几十年来，壳牌一直致力于氢气生产以及氢气研究、开发和应用，并拥有专门的业务部门ShellHydrogen。现在，壳牌与德国研究机构和智库的伍珀塔尔研究所合作，开展了一项关于氢作为未来能源载体的研究。

壳牌氢能研究着眼于氢气供应途径和应用技术的现状，并探讨了氢气作为能源的潜力和前景，该研究还研究了氢气的非能源应用和非汽车应用，但其重点，正如其副标题“通过燃料电池和H2的可持续流动性”，在公路运输中，特别是在燃料电池电动车辆中使用氢气。

（一）氢元素

氢是大爆炸后创造的第一个元素。它是宇宙中最常见的物质，也是太阳等恒星最丰富的能源。

氢（H）是化学元素周期表中的第一个元素，也是最小、最轻的原子。纯氢仅以分子形式（H2）在地球上出现。氢在地球上通常以氢化合物的形式存在，最有代表性的是水分子（H2O）。

发现于18世纪的氢气最初被称为“易燃空气”。到了19世纪，氢气在当时的愿景中被视为能源的未来，特别是在能源工业和能源运动方面。20世纪60年代和70年代，太空旅行和日益稀缺的资源进一步加深了围绕氢的兴奋光环。20世纪90年代以来，随着人们对寻找可持续能源的紧迫性日益增强，对氢的兴趣得到了提升。最近，对氢的重点关注领域聚焦到其日益在以电力为基础的能源经济中的作用。

由于其特殊的物理性质，氢气几乎是永久性气体，因为它仅在非常低的温度（低于－253°C）下液化。它密度低，因此通常在压力下储存。液化使其密度增加800倍。氢的最典型特性是其可燃性。到目前为止，它还具有当今正在使用的所有能源的最高重量能量密度比。由于其化学性质，在处理的过程中必须加倍小心。

燃料燃烧范围

（二）供应途径

由于氢通常作为化合物的一部分存在于地球上，因此必须在特定的过程中合成氢以用作材料或能源。这可以通过不同的技术方法来实现，并且各种主要能源－化石燃料和可再生燃料，无论是固体、液体还是气体形式－都可以用于这些技术生产过程中。

目前氢气生产最重要的主要能源是天然气，占70％，其次是石油、煤炭和电力（作为二次能源）。甲醇重整制氢（来自天然气）是最常用的制氢方法。其他生产方法包括部分氧化、自热重整和气化，其通常使用化石一次能源。一些未使用的残余氢可用作能源，作为工业生产过程的副产品。

迄今为止，只有少量的氢气来自可再生能源，尽管这一数量将来会增加。电解目前约占全球氢气产量的5％，但其中大部分仍基于传统电力来源。剩余可再生能源的电解被视为未来的巨大潜力。

碱性电解法已在该行业中使用了一个多世纪。目前正在开发提供改进的性能参数（关于转换效率，灵活性和成本）的替代电解方法。

生物质制氢虽然技术上可行，但在全球范围内的规模仍然微不足道，虽然生物质气化和生物质气体重整等热化学方法已经投入使用，但生物质化学过程仍处于起步阶段。必须根据可持续性要求检查生物质的可用性，毕竟它是有限的资源。

作为主要的氢供应途径，天然气和沼气和电解和蒸汽重整一直在能量输入、温室气体排放和生产成本方面被进行分析和比较：基于传统电力（电网混合）的电解制氢需要较高的一次能量输入。相比之下，基于可再生电力的天然气和沼气重整和电解则需要很少的一次能源。此外，可再生电力的电解仅使用极少量的化石资源。来自用可再生能源发电的电解产生的H2能够产生最少量的温室气体排放，而由基于天然气或沼气气体重整产生的H2比由基于电网的电解产生的氢更好。

在所考虑的所有生产方法中，集中式氢气生产比小型、分散式工厂的生产更具成本效益。集中式天然气重整制氢是最具成本效益的，其每千克氢的生产成本为1～2欧元。

电解制氢的成本更高，其商业可行性在很大程度上取决于电价。基于生物质的氢生产的成本处于天然气重整和电解之间。

未来，分散式天然气重整、集中式电解和集中式生物质路线有望提供最大的成本节约潜力。

产氢流程

水的电解

电极的重要属性

氢气生产成本

（三）存储和运输

氢的特定物理和化学性质导致比其他能量载体需要更高的物流成本（储存和运输）。氢具有非常低的体积能量密度，这意味着它必须被压缩以用于储存和运输目的。

商业上最重要的是作为压缩气体的氢存储。对于最终用户，可提供不同设计（350，700bar）的高压储罐。通过液化可以实现更高的储存密度，尽管这涉及将氢气冷却至－253℃。

存储密度越高，冷却和压缩所需的能量越多，这也是我们正在探索更有效存储方法的原因

与电力不同，氢气可以长期大量储存。诸如洞穴之类的低压地下储存设施可以用来自存储剩余的可再生电力氢气，并用作电力部门的缓冲储存库。然而，到目前为止，处于使用中的地下储氢设施仍然非常少。

新型存储媒介是基于材料的储氢技术。这些包括金属氢化物、化学储氢材料（例如液体有机氢载体）或吸附剂（例如金属有机骨架、沸石和碳纳米管）。大多数这些技术仍处于研发阶段。

目前，氢通常通过卡车在加压气罐中运输，在某些情况下也在低温液罐中运输。但是，每辆卡车拖车只能运输约0．5～1吨的气态氢或最多4吨液态氢。

某些地区提供区域氢气管道运输，其中最长的是美国和西欧。从长远来看，天然气供应基础设施（管道和地下储存设施）也可用于储存和运输氢气。就运输成本而言，液态氢适用于长距离运输，压缩的气态氢适用于较小量的较短距离运输，而管道运输对于大容量氢能运输是非常有利的。
      存储方式

氢气存储密度

各国氢气管道长度

（四）应用

氢是一种高度通用的基础化学品，有两个主要用途：材料应用和能源应用。工业中最重要的材料应用是氨合成，主要用于生产含氮肥料和甲醇合成。此外，氢气是炼油厂原油精炼的副产品，特别是石脑油的催化重整；另一方面，它用于精炼厂中的油产品的加工和精炼－例如加氢处理和加氢裂化等工艺等。氢的能源应用主要涉及将氢气中的能量转化为热能、电力或电能。然而，氢现在很少被使用作为热机的能量源。

对于能源应用，燃料电池已成为氢气使用的主要焦点。与热机相比，燃料电池能提供更高的电效率和整体效率。燃料电池原理是在19世纪被发现的：随着燃料的不断供应，化学能直接转化为电能。作为电解的逆过程，H2和氧同时重新组合成产生H2O的直流电。

近年来燃料电池已经取得了一些重大技术进步。现在可用的许多不同电池类型在它们使用的电解质（离子导体）和它们的操作温度方面具有很大不同。低温电池允许动态负载响应，而高温电池有利于连续负载，并且对燃料质量的波动更具弹性。此外，在外部或内部重整之后，一些燃料电池类型也可以使用其他含氢燃料（例如天然气或甲醇）。

目前世界市场以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为主，其功率密度、灵活性和降低成本的潜力使得其最适合于移动应用。并行开发的是固体氧化物燃料电池（SOFC），其主要应用于连续的家用能源供应和发电厂。

在燃料电池的电极上使用的催化剂对系统成本和性能具有巨大影响。研究更节约成本和更经济的催化剂材料的工作也正在进行中。

全球氢气用途

P2X路径

5种燃料电池

（五）固定能源应用

在数量和装机容量方面，固定式燃料电池是燃料电池系统全球市场发展的重要推动力。

燃料电池正在越来越多地以应急发电机组或不间断电源（UPS）的形式被用作发电机和可充电电池的备用电源。由于燃料电池产生电能和热能，它们在电厂和建筑部门的电力和供热供应中用于热电联产（CHP）装置正在增加。

微型热电联供燃料电池系统由于其较高的整体效率，逐渐成为节能型家用能源供应的一种有富有前景的新选择。用于家庭能源供应的燃料电池通常使用天然气（通过额外的外部或内部甲醇重整）。基于质子交换膜燃料电池PEMFC和固体氧化物燃料电池SOFC的第一批商用微型热电联产装置现在可用于例如建筑领域的建设。户用燃料电池系统的主要示范项目和市场启动计划已经在德国、欧洲和日本引入，名称分别为“Callux”、“ene．field”和“Ene－Farm”。截至2016年底，在Ene－Farm计划下日本已经安装了近20万个微型热电联产装置；到2030年，日本政府计划安装530万个热电联产装置。

燃料电池微型热电联产或小型热电联产装置在建筑领域的经济效率取决于各自的电力和天然气零售价格。热电联产技术在建筑物中的广泛应用将需要（在短期内）进一步的临时资金支持以促进市场开发。

（六）移动应用

氢可用作移动应用的能源。最初，它也在内燃机中进行了测试，但在运输领域，氢气现在几乎只用于燃料电池。太空旅行为氢和燃料电池技术的发展提供了历史和技术动力。

原则上，氢燃料电池系统几乎适用于所有运输工具，但其技术成熟度根据运输方式及其使用方式而变化。产品的技术成熟度可以根据美国太空管理局NASA开发的技术准备水平（TRL）来确定。TRL规模从1级到9级。充分的技术成熟度，这意味着至少在使用领域中已经证明的功能（＝TRL8），是在相应的移动应用领域推动市场发展的关键先决条件。

用于物料搬运的叉车或牵引车等工业卡车在技术上几乎完全成熟，并且已经处于商业化的早期阶段。乘用车已达到批量生产，而公交车则紧随其后。物料搬运设备的制造数量最多。今天，在北美，拥有超过11000辆叉车和拖车的车队正在运营。燃料电池乘客汽车现在提供与内燃机驱动相同的功能（例如性能，加油时间，有效范围或舒适性）。由于很多项目属于公共资助项目，公共汽车经历了比任何其他交通工具更密集的车队测试。

在火车、轮船和飞机方面仍有许多发展工作要做：轻轨车辆和商用车辆（包括卡车）可能会受益于目前公认的公共汽车或乘用车技术。目前还没有商用飞机或商船的计划，但他们可以使用燃料电池作为辅助动力装置（APU）的有效能源。

（七）车辆所有权成本

购买或持有车辆时最重要的考虑因素之一是经济性：所涉及的所有权成本。这些包括购买成本、燃料的持续成本或与里程或运输性能相关的成本。一旦具有不同传动系的车辆的成本足够相似，其他非经济决策因素就会发挥作用。

在现有的购买和燃料成本结构下，燃料电池乘用车尚不具备竞争力。但是，在一个雄心勃勃的气候行动方案中，尤其是随着技术的快速进步以及生产和市场开发的规模效应不断增加，汽车燃料电池技术将很快变得更具成本效益。此外，氢气的生产成本可能会在中长期内下降，这与较低的技术和基础设施成本相结合，可以使氢气作为燃料能够更便宜地分销和占据市场。

同时，由于更复杂的废气处理内燃机车辆正在变得更加昂贵。在城市和大都市地区，由于对空气质量和尾气排放的更严格规定，内燃机车辆越来越受到当地使用限制。因此，与内燃机乘用车相比，由氢驱动的（局部）无排放燃料电池乘用车变得越来越有吸引力，而不仅仅是基于成本的原因。

一旦燃料电池乘用车和电池电动车的购买成本之间的差距随着生产数量的增加而逐渐消失，燃料电池乘用车就成为（本地）无排放电池电动车的真正替代品。这是因为，在购买成本相同的同等条件下，燃料电池电动车辆还提供了超过电池电动车辆的额外优势，例如更大的舒适性、更长的续航里程和更短的充电时间。相反，如果要在舒适性、续航里程或充电时间方面改进电池电动车辆，它们将变得更昂贵并且将失去其优于燃料电池电动车辆的经济优势。

（八）加氢站基础设施

移动氢能的发展和扩展将需要新的基础设施来为燃料电池电动汽车（FCEV）提供全面的供应网络。截至2017年初，全球约有280个加氢站和约4000辆燃料电池车。到目前为止，加氢站和燃料电池车队多集中在美国、西欧和亚洲的日本。近年来，基础设施和车队的发展大大加快。

加氢站包括以下技术组件：储氢罐，压缩机，预冷器／蒸发器和分配器。到目前为止，加氢站大多是定制的。通过技术组件的模块化和批量化生产可以降低制造成本。此外，国际认可的氢能专用标准将为加油站网络的安全和有效扩展做出重大贡献。由于监管和技术标准化以及规模效应，预计未来几年内氢能将有大幅降低50％的成本潜力。

根据容量、设计和利用情况，一般和特定的加油站基础设施成本会有所不同。通过选择合适的规模和供应概念，可以调整加氢站网络以满足需求，并且可以通过逐步扩展来降低基础设施成本。然而，在市场增长阶段开始时存在加氢站严重利用不足的风险，因此在早期阶段需要为基础设施扩展提供财务支持。

网络发展也必须与氢以及氢能车队的扩展同步。为实现此目的在领先地区（北美，西欧和日本／亚洲）提出了一系列氢气倡议。

（九）能源与环境：燃料电池电动车的场景

运输是一个重要的能源消耗和排放部门。在全球范围内，道路交通在2014年造成约5．7亿吨的二氧化碳排放，公路车辆的二氧化碳排放量在1990年至2014年期间增加了71％。鉴于全球道路交通量仍在增加，尽管采取措施避免交通或将其转移到公共交通或更环保的交通方式，减少机动车的能源消耗和负面环境影响更为重要。

氢能燃料电池电动汽车（FCEV）比内燃机推动的乘用车效率更高。因此，FCEV可以为能源供应的多样化和机动公路运输的节能做出重要贡献。

如果氢气来自可再生能源，则整个供应链中的特定温室气体排放量非常低。再加上效率更高的动力传动系统，到2050年，与距离相关的温室气体排放量将显着降低至1．13亿个左右。此项结果是基于预计到2030年欧盟和美国的年度燃料电池车登记量将增加到100万个。到2050年，在这三个地区，每年新登记的人数将增加到1000万。

根据假定的年平均车辆里程数，特定（与距离相关）的车辆能耗和所用燃料的温室气体因子，估计2050年的1．13亿辆燃料电池电动车的氢消耗约为1000万吨氢（每年）。如果要用燃料电池电动汽车取代高效的汽油乘用车，到2050年，这将节省－取决于更换车辆的设计（仅混合动力或汽油）－38至68万吨汽油和超过1．9亿吨与运输有关的二氧化碳排放量。

考虑到从现在到2050年的整个时期，与被替换的汽油车相比，可以降低超过1．5亿吨的温室气体排放量。

2、政策要求为氢经济提供帮助

氢作为能源以及燃料电池作为能量转换器，在能源转型和实现将全球温度上升控制在2°C的气候政策目标中发挥着重要作用。近年来，氢生产和应用技术取得了重大进展。尽管如此，氢气和燃料电池在全球能源系统中实现广泛的商业用途方面仍处于起步阶段。因此，它们需要政府和整个社会的进一步支持和资助。

需要采取哪些行动和措施才能使氢和燃料电池最终成为未来可持续能源系统的支柱之一？下面我们列出整个氢气供应和使用链的十个关键要求，这些要求可能有助于改善未来氢能经济的总体条件。这些措施中的每一项本身都很重要，但理想情况下，它们应被视为一系列连贯的措施，其中各个步骤相互建立－或者甚至更好地与其他部门的措施相协调。

（一）制造

基于电解和低排放重整的氢生产方法的持续发展必须得到支持，以及包括专注于制造成本、效率和使用灵活性的量身定制的研发政策。财政激励措施将是必要的，特别是在市场进入初期阶段，通过基于可再生能源电力电解或通过沼气重整来提高绿色氢气的产量。

（二）储存和运输

从长远来看，必须（进一步）改善氢的大规模储存和运输选择。其中一个方面是在大容量储罐（洞穴）中储存由剩余可再生电力产生的氢气。此外，在储存介质（氢化物、液体和吸附剂储存系统）领域需要更多的商业前基础研究。最后，必须酌情开发氢输送基础设施（如液态氢输送以及氢气管道）。

（三）燃料电池

通过技术多样化的研发资金，必须在制造成本和效率以及长期稳定性方面支持作为最重要的氢能源技术的移动和固定燃料电池的进一步发展。

（四）固定应用

尽管近年来取得了重大进展，但紧急备用电源和不间断电源以及微型热电联产燃料电池系统仍需要进一步的技术资金支持。在进入市场时，至少需要短期的财务和或政策支持。

（五）移动应用

燃料电池电动汽车是电动汽车。应通过公共采购计划，直接财政奖励或车辆的特权地位（例如，禁止进入某些城市地区的禁令）暂时支持购买燃料电池乘用车和公共汽车。在成熟的可持续技术（例如货车、铁路、船舶、飞机）组合非常有限的地区开发替代技术需要进一步的研发资金。

（六）基础设施／加氢站

加氢站的扩建，特别是在利用率低的引导阶段，需要政府分担经济负担和风险。国家对基础设施的资助应该在这方面发挥作用。应酌情以协调的方式扩大氢能基础设施，实现全国覆盖的长期目标。

（七）能源和燃料

绿色氢气的使用需要建立适当的激励机制，例如，将其与欧盟的燃料温室气体减排目标相抵消，或者通过扩大储能和需求侧管理的容量市场。关于电力产生的氢气，需要与其他诸如电力存储或Power－to－X计划建立公平的竞争环境。由于电解制氢不是（可再生）电的最终消费者，所以其不应该承担额外负担。不同产品的区别被对待必须被消除。

（八）技术可接受性

对于大多数终端用户来说，氢（尚）不为大众所了解。相反，对于绝大多数消费者而言，氢气和使用它的技术仍然是新的。新能源技术需要开放，愿意学习和使未来用户熟悉。因此，如果这些技术要获得用户和整个社会的认可，教育和相关技术信息的传播至关重要。

这需要适当的沟通策略和规范来建立经验和承诺。

（九）协同

为了加快建立全球氢能经济，需要通过城市、地区和国家之间以及相关经济运营商之间的合作来创造协同效应。将生产和消费部门联系起来也很重要，对电池系统和燃料电池等创新技术的全面协调也很重要。
       责任编辑：wv