美国氢能经济路线图分析

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文/陆颖，上海科学技术情报研究所，科技中国

2019年11月6日，美国燃料电池和氢能协会(FCHEA)在2019燃料电池国际研讨会暨能源展上发布了《美国氢能经济路线图——减排及驱动氢能在全美实现增长》。该路线图根据20家公司和组织的意见编写而成。路线图期望美国的决策者和工业界共同努力并采取正确步骤，在氢能经济的迅速兴起和发展进程中，不断壮大相关产业活动，从而巩固美国在全球能源领域的领导地位。

一、长期掌握全球能源技术领导地位的战略意图

《美国氢能经济路线图——减排及驱动氢能在全美实现增长》从产业界视角出发，在共享和开发经济模型以及有关未来能源需求和环境期望的数据基础上，勾画的“建立跨市场和应用的伙伴关系，长久把持全球能源技术主导权”的发展图景。路线图的编制成员主要为20家能源、运输、燃料电池制造和电力行业的全球领先公司。同时，麦肯锡公司为之提供了分析支持，美国电力研究院(EPRI)提供了科学观察和技术支持。美国能源部国家实验室和国家可再生能源实验室的技术专家提供了分析和审查支持。

二、美国的氢能经济愿景

根据估算，到2050年，氢能将满足美国终端能源需求的14%，相当于每年超过2468太瓦时。

竞争激烈的氢工业将加强美国在能源方面的领导地位。美国现在是全球最大的天然气和石油生产国，出口到超过35个国家。随着世界各国寻求发展氢能从而减少碳排放，美国有机会加强和发展其能源领导地位并在该领域创造就业机会。

强劲的氢工业将增强美国经济。氢工业的不断发展，为美国公民创造了就业机会，为美国企业创造了收入。通过向希望发展氢能基础设施的地区出口技术，例如欧洲、中国、日本、韩国和澳大利亚，这些在氢价值链中运营的业务也将得到增长。到2030年，美国氢能经济每年可产生约1400亿美元的收入，并在整个氢价值链中提供70万个工作岗位。到2050年，它可以通过每年创造约7500亿美元的收入和累计340万个就业机会来推动经济增长。

通过利用国内能源资源和提高能源弹性，氢能将有助于维护美国的国家能源安全。氢生产将利用丰富的可再生资源、天然气和碳储备，并使核工业具有竞争力。

氢能带来重大的环境和健康效益。除了降低碳排放量之外，用作车用燃料的氢还完全消除了排气管微粒、氮氧化物和硫氧化物的排放，改善了区域空气质量，同时减少了温室气体排放。

氢能更好地整合低碳电力资源。随着氢能在交通运输、工业原料、备用电源及电力系统等领域的规模化应用，全美氢需求量将快速拉升。所有这些应用所需的氢到2030年可能达到1700万吨，到2050年达到6300万吨。

三、美国氢能经济的实现路线

美国将需要迅速采取行动，必须通过进一步投资和减少监管壁垒，促进研究与开发的公共政策来提高竞争力，以继续在这个不断发展的行业中保持领先地位。美国氢能经济发展路线分为以下四个阶段：

(一)2020年至2022年：立即采取后续措施

在最初的两到三年中，目的是在更多的州和联邦一级确定可靠且技术中立的脱碳目标。这些目标将作为具体政策和监管行动的指南，包括更新法规和标准。公众激励措施和标准可以消解初期市场启动时的壁垒，将更成熟的氢解决方案推向市场，提高公众意识和接受度，并继续试点氢的其他用途。该阶段专注于在前期用户市场中的早期商业可行应用，例如在全美范围内推广燃料电池叉车，在加利福尼亚州进一步部署轻型和重型车辆。这些早期应用要求采取多种激励措施来减少进入壁垒，并通过市场机制来扩大规模。

在此阶段，不断扩大成熟的应用领域(例如叉车)和接近收支平衡的应用领域(例如备用电源解决方案)。在运输业中，将重点发展燃料补给基础设施，以支持推广燃料电池电动汽车(FCEV)，并开始在乘用车和燃料补给站看到第二代产品。推动市场需求的增长，使之匹配运输业中既有的氢生产设施的产能和分销能级。其他应用的试点，例如燃气网络中使用混合气体，则为广泛利用氢能做准备。

目前，美国的氢需求总量约为1100万吨，道路上的FCEV只有7600辆。到2022年底，美国所有细分市场的氢需求总量将增长到1200万吨。全美的道路上行驶FCEV约3万辆。此外，在有足够的市场需求的情况下，还将会有5万辆FCEV物料搬运工具。

(二)2023年至2025年：规模化的早期阶段

到2025年，实现氢的大规模生产，在成本降低的同时，使用氢能的地域范围也不断扩大，不再局限于起步较早的州。这需要明确的监管准则来协调市场参与者并吸引投资。早期市场的政策激励措施开始从直接支持过渡到可扩展的市场机制。

在此阶段，建设首批大规模制氢设施。这些设施通过使用可再生能源进行水电解、可再生天然气或碳捕捉与储存技术来实现氢的制取。随着制氢规模的扩大，与氢有关的设备(尤其是汽车燃料电池生产和燃料站设备)同步扩大规模，从而降低成本、提升性能。中型和重型燃料电池电动卡车以及新型轻型FCEV品牌和型号将投放市场。服务于中型和重型车辆的第二代高通量加氢站，提高了初期市场用户对氢动力商用车的接受度和利用率。

对于建筑物供暖，起步较早的州开始将少量的氢气混合到供暖管道中，从而推动氢的大规模生产。在运输方面，这些州将在现有车队和试验站的基础上扩大轻型乘用车加氢基础设施的覆盖面和容量。在其他州跟进的过程中，制定加氢基础设施的推广计划。在需求密集的频繁路线上，部署中长途卡车所需的加氢设施。此外，氢燃料电池的用途从新建的数据中心和电信塔扩展到建筑物的备用发电。此时的氢能市场开始转为使用低碳氢作为工业原料。

到2025年，全美各种应用的氢总需求量将达到1300万吨，道路上行驶共计15万辆轻、中、重型FCEV，同时还有12.5万辆FCEV物料搬运工具。

 

(三)2026年至2030年：多元化

2026年至2030年阶段的发展特点在于多样化，在全美范围内扩大基础设施。各种制氢途径被广泛使用，电解氢生产的规模持续扩大，开始与电网和可再生能源生产建立密切关联。建立第一条氢气传输管道，通过季节性并网和存储进一步降低成本。

在运输领域，随着重型、高通量的加氢站基础设施联结成区域网络进而覆盖全美，中长途氢动力卡车的运输规模将不断扩大。此时，美国大多数州都已落实了氢经济路线图，建立布局广泛的加氢基础设施，激活整个FCEV市场。

在产业领域，氨、甲醇和石化产品的生产已过渡到使用低碳氢的模式。通过大规模制氢，降低了所有部门的生产成本。航空业和航运业对脱碳型燃料的需求不断增长，氢基合成燃料在这两个产业中的供应规模持续扩大。

到2030年底，全美各种应用的氢总需求量将突破1700万吨，售出的FCEV将达到120万辆，在物料搬运中有30万辆FCEV搬运工具。同时，全美有4300个加氢站投入运营。随着制氢成本的降低和基础设施的到位，各类制氢解决方案开始竞争。氢经济吸引投资，进一步用于氢能的开发和推广。到2030年，年度投资额预计达到80亿美元。

(四)2030年后：在美国广泛推广

2030年之后，氢能将在美国各地区、各行业大规模部署。在大多数的应用中，通过充分的外部性定价，让氢能与化石燃料替代品实现成本均等，之后让此前的支持性政策逐步退出。

利用碳捕捉与储存技术对基于化石燃料的制氢设备进行改进，让各种低成本的低碳制氢方式开展公开竞争。跨行业扩大氢能的使用，在进一步降低成本、改善性能的同时，激发行业间的协同效应。低碳制氢设施的全美广泛布局，氢气输送管道网络和大型加氢设施网络的成型，巩固了美国氢经济的骨干基础设施网络。推出不同型号的FCEV来满足客户的多样化需求。从而让原本难以实现脱碳的工业部门显著减少温室气体排放，建筑也广泛实现低碳化乃至脱碳，有更多的零排放汽车上路。

除了为本国市场制造和生产外，向欧洲和亚洲出口氢和技术，同样也为美国经济增添了活力。到2050年，美国氢能行业的总收入每年可能达到7500亿美元，包括了FCEV在内的所有设备的销售和6300万吨的氢需求量。

四、氢能经济的前进之路

实现此路线图，需要产业部门、投资者和政策制定者的共同努力。要释放美国氢工业的潜力，需采取以下九项行动：(1)设定可靠的、技术中立的脱碳目标;(2)建立公共激励机制，以消弭初期市场启动中的障碍;(3)支持基础设施建设;(4)跨部门扩大氢能的使用，实现规模经济;(5)在政府采购中添加基于氢能的选择;(6)支持研究、开发、示范和部署;(7)协调技术规范和安全标准;(8)支持外展和员工发展;(9)审查能源部门法规，以确保兼顾氢能。