1美國氫能及燃料電池產業概況

 

美國能源局從1970年就開始布局燃料電池研發，并一直處于世界領先地位。燃料電池備用電源和燃料電池叉車已具備市場競爭力，處于商業推廣階段；燃料電池乘用車處于政府補貼商業推廣階段；燃料電池巴士、大型貨車、商用車處于行車實驗驗證階段。2018年美國被評為國際氫能經濟和燃料電池伙伴計劃IPHE（International Partnership for Hydrogen and Fuel Cells in the Economy，為2003年由18個國家和歐盟共同發起成立的國際合作組織）主席國。

 

美國參議院決議確定2018年10月8日為美國國家氫能與燃料電池第四個紀念日，“參議院第664號決議”給出如下13點理由：

 

1）氫原子質量為1.008，而且是宇宙中含量最豐富的化學物質；

 

2）美國是燃料電池和氫能技術開發和部署的世界領先者；

 

3）氫燃料電池在美國太空計劃中發揮了重要作用，幫助美國完成了登陸月球的任務；

 

4）私營企業、聯邦和州政府、國家實驗室以及高等教育機構持續提高燃料電池和氫能技術，以解決美國最迫切的能源、環境和經濟問題；

 

5）利用氫和富氫燃料發電的燃料電池是清潔、高效的技術，被用于固定電源和備用電源、以及零排放輕型汽車、公共汽車、工業車輛和便攜式電源；

 

6）固定式燃料電池正投入到連續和備用電源的使用中，以便在電網停電時為商業和能源消費者提供可靠的電力；

 

7）與傳統發電技術相比，固定式燃料電池有助于減少用水量；

 

8）燃料電池輕型汽車和使用氫氣的公共汽車可以完全復制內燃機車的經驗，包括行駛里程和加油時間；

 

9）氫燃料電池工業車輛正在美國各地的物流中心和倉庫部署，并出口到歐洲和亞洲；

 

10）氫氣是一種無毒氣體，可以從各種國內可獲得的傳統和可再生資源中獲取，包括太陽能、風能、沼氣以及美國豐富的天然氣；

 

11）氫和燃料電池可以儲存能量以幫助增強電網，并使可再生能源的部署機會最大化；

 

12）美國每年生產和使用超過1100萬噸的氫氣；

 

13）工程和安全人員及標準專業人員就氫氣的交付、處理和使用已經達成共識，并已制定出相關協議。

 

2美國發展氫能及燃料電池的初衷

 

美國參議院決議的理由充分說明，從國家層面而言，發展氫能及燃料電池具有降低二氧化碳排放、減少空氣污染等清潔環保層面的意義，同時還具有降低燃油消耗、提高可再生能源利用率及電網可靠性等增加能源自給率、保障國家能源安全的優點。2014年美國發布《全面能源戰略》，將“發展低碳技術、為清潔能源奠基”作為放眼長遠的戰略支點，并明確提出，氫能作為替代性能源將在交通業轉型中起到引領作用。

 

2.1減少溫室氣體排放

 

由于氫燃料電池具有高效率和溫室氣體近零排放的特性，燃料電池系統能夠在很多應用領域實現溫室氣體減排。美國能源部研究了燃料電池的溫室氣體減排潛力。燃料電池應用于熱電聯產系統時，相比傳統熱電聯產系統可減少35%~50%的排放；燃料電池貨車相比燃油貨車可減少55%~90%的排放；燃料電池叉車相比柴油叉車或動力電池叉車可減少35%的排放；燃料電池巴士比內燃機巴士效率高40%；燃料電池備用電源相比柴油發電機可減少60%的排放。

 

美國能源部對比測算了不同能源介質運輸工具的油井到車輪（WTW）溫室氣體排放情況。天然氣制氫－氫燃料電池路線每英里排放二氧化碳200克，低于美國現有電網取電－電動汽車路線230克和傳統燃油車450克的排放標準。配有二氧化碳封存的煤氣化制氫－氫燃料電池路線每英里排放二氧化碳95克，生物質氣化制氫－氫燃料電池路線每英里排放二氧化碳僅37克。

 

2.2減少燃油消耗

 

燃料電池提供了一種幾乎不消耗石油的提供動力方式，且可覆蓋美國大部分的石油消耗，如汽車、巴士、備用發電機和輔助發電機等。美國能源部的研究結果表明，氫燃料電池輕型汽車相比汽油內燃機汽車可降低95%的燃油消耗，相比混合動力車可降低85%的燃油消耗，相比插電式混合動力車可降低80%的燃油消耗。可以看出，相較大規模使用生物燃料、提高內燃機效率（ICEV包括使用混合動力汽車），燃料電池車大規模應用后可以大幅減少國家的石油消費，到2050年燃油消耗量將降到目前的40%左右。

 

2.3提高電網可靠性、最大程度部署可再生能源

 

美國能源部預估光伏和風電的建設成本將大幅下降，“太陽計劃2030”（SUNSHOT2030）設定的目標是2030年光伏電站成本為3美分/千瓦時，2018年美國陸上風電成本已低至2.9美分/千瓦時。光伏和風電將得到迅速普及，預計到2050年風能裝機容量將達到404吉瓦，裝機容量占總容量的35%；光伏裝機容量將達到632吉瓦，發電量占總發電量的19%。

 

根據國際能源署發布的研究報告《GettingWindandSunontotheGrid》，當電網中間歇性可再生能源（以風電、光伏為主）的比例超過15%時，就必須配置相應的儲能設施。另外由于可再生能源的生產水平在不同時間段、不同季節之間存在顯著差異，例如歐洲的太陽能發電在冬季比夏季低60%左右，但電力需求卻增加40%，也需要配置大規模、長時間的儲能設施才能提高可再生能源的利用小時數，減少“棄風”“棄光”。

 

豐田、通用、奔馳、林德等企業組成的氫能理事會研究表明，氫能是大規模儲存電能的一種重要選擇：相比超級電容、壓縮空氣、電池、飛輪儲能、抽水蓄能，氫能更適合長期大量儲存能量。當需要大規模儲能時可以液氫或者氫化物的形式存儲于地下鹽穴，估計每個兆瓦時的成本在50~150美元之間，與受地質條件限制較大的抽水蓄能相當，顯著低于其他的能量存儲方式。

 

2.4高能源轉化效率

 

燃料電池直接將燃料的化學能轉化為電能，效率非常高且不需要燃燒。氫燃料電池汽車的能量轉化效率約60%，大約是汽油內燃機的兩倍。

 

燃料電池用于固定電源，用天然氣或丙烷發電效率大致為45%；如果將透平系統與高溫燃料電池組合，發電效率可達到70%，結合熱電聯產系統效率可達80%，相比傳統煤電、天然氣發電45%~50%的綜合效率提高35%~40%。

 

2.5降低污染物排放

 

美國能源部的研究課題表明，燃料電池發電系統比燃煤、燃氣發電系統少排放75%~90%的氮氧化物、75%~80%的顆粒物（PM）。

 

2.6 H2@Scale計劃

 

H2@Scale是美國能源部（DOE）的一項倡議，將利益相關者聚集在一起，促進可負擔得起的氫氣生產、運輸、儲存和利用，增加多個能源部門的收入。通過政府資助將國家實驗室和工業界以項目形式整合在一起共同合作，以加快適用氫技術的早期研究、開發和示范。H2@Scale聯盟促進了工業界和學術界合作，利用國家實驗室世界級的研發能力，依賴私營部門進行至關重要的示范。

 

通過示范使尖端技術集成到現有系統中、驗證未來部署的商業可行性，并指導未來的研發計劃。美國目前生產超過1100萬噸氫氣，占全球供應量的1/6，主要用于煉油和化肥工業。大型基礎設施包括超過1600英里的氫氣管道、不斷增長的加氫站和數千噸的地下儲存洞穴。H2@Scale計劃中氫能的地位與日本的氫能戰略類似，把氫能作為一種重要的二次能源，氫能與電能之間可以相互轉化。通過利用電解槽在發電量超過負荷時生產氫氣，可以減少可再生能源的浪費，并有助于電網的穩定。從現有基本負荷（如核能）中產生的氫氣也可以儲存、分配，并用作多種用途的燃料。這些應用包括運輸、固定動力、工藝或建筑用熱，以及工業部門，如鋼鐵制造、氨生產和石油煉制。

 

3燃料電池商業化推廣現狀

 

截至2017年，在世界范圍內共有超過70000臺、共計650兆瓦燃料電池處于商業運行狀態，其中移動領域應用占比接近70%，非移動領域應用占比30%，相關營收超過20億美元。

 

截至2018年10月，美國共出售或者租賃超過6200輛燃料電池乘用車，包括豐田Mirai、本田Clarity、現代Tucson；建成39個加氫站；商業應用超過23000輛燃料電池叉車；商業化普及超過240兆瓦燃料電池備用電源，遍及美國40個州；FedEx、UPS在試用燃料電池快遞車；多家公司試驗運行共33輛燃料電池巴士，其中最長行駛里程已經超過50萬公里。

 

3.1燃料電池備用電源應用現狀

 

截至2017年底，據美國DOE統計數據顯示，全美共銷售8400套燃料電池備用電源，其中900套獲得美國DOE經費支持，其他7500套未獲支持。燃料電池將天然氣轉換成電能供大型超市、數據中心、生產企業及其他工商設施使用，能源轉化效率從傳統發電的30%~40%提高到60%~65%，加上熱能利用可達90%，極大地減少了污染物排放，同時還減排二氧化碳。相較美國某些州的電網供電電費，使用燃料電池供電可節省一部分費用。

 

BloomEnergy是美國燃料電池發電的領軍企業，其燃料電池成本2016年第一季度為5086美元/千瓦時，2018年第一季度降至3855美元/千瓦時；而其安裝成本也從同期的1280美元/千瓦時降至526美元/千瓦時。

 

家得寶2014年在加利福尼亞試用安裝第一套200千瓦的燃料電池備用電源。驗證了其經濟性后，到2016年底為其140家連鎖超市都安裝了燃料電池系統，并準備將全部170家店都安裝上燃料電池備用電源。家得寶的首席財務官CarolTome曾披露：“使用燃料電池發電比從電網取電節省15%~20%的費用，同時減排大量二氧化碳。”

 

沃爾瑪在加利福尼亞、新澤西的60家超市安裝了燃料電池備用電源，用電規模按其單店用電量40%~60%確定，保障在電網斷電時冷柜、照明系統、收款機可繼續工作，不至于致使食物腐敗，并在惡劣天氣情況下繼續為顧客服務，且使用燃料電池供電價格低于從電網取電價格。

 

Johnson&Johnson于2015年安裝了1臺500千瓦BloomEnergy燃料電池電源，經其測算20年的運轉周期將總共節省1000萬美元的費用，每年減排130萬磅二氧化碳；Medtronic公司的報告顯示，其安裝的400千瓦燃料電池電源每年可節省電費230萬美元，每年減排100萬磅二氧化碳；Ratkovich公司的報告顯示，其安裝的500千瓦燃料電池電源每年可節省電費20萬美元；JuniperNetworks公司的報告顯示，其安裝的1兆瓦燃料電池電源配合300千瓦太陽能電池每年可節省電費12萬美元，每年減排270萬磅二氧化碳。

 

3.2燃料電池叉車推廣情況

 

據美國能源部2016年5月統計顯示，2008年美國氫燃料電池叉車數量在500輛左右，到2016年，美國26個州的氫燃料電池叉車數量已經超過11000輛，年復合增速高達56%。而截至2017年底，統計數據顯示全美共銷售21838臺燃料電池叉車，其中713臺獲得美國DOE經費支持，其他21125臺并未獲得DOE經費支持。713臺燃料電池叉車共獲得DOE970萬美元經費支持。

 

目前在美國使用燃料電池叉車的公司包括但不限于亞馬遜、宜家、寶馬、可口可樂、奔馳、尼桑、聯邦快遞及一批食品公司，僅沃爾瑪在其北美的19個配送中心就配備了3000輛燃料電池叉車。PlugPower、NuveraFuelCells和OorjaProtonics，Hydrogenics及H2Logic提供了絕大多數的燃料電池叉車。

 

亞馬遜在2014年采購了535輛氫燃料電池叉車，在證明其成本效益的合理性后，于2017年4月收購了美國燃料電池制造商PlugPower23%的股權。除此之外，亞馬遜為其11個大型倉庫配備氫燃料電池叉車。2021年1月，電池巨頭SK集團與旗下天然氣子公司SKE＆S各出資8000億韓元，共約合13億美元，收購PlugPower9.9%的股份。短短幾年間PlugPower公司市值升值50倍。

 

相較內燃機叉車，氫燃料電池叉車沒有任何污染物排放，因此廣受食品工業青睞，更多被用于室內作業。相較電池叉車，氫燃料電池叉車可節省充電的時間和空間，并在整個輪班期間全功率運行，在冷藏倉庫環境中運行時不會出現任何電壓驟降的情況，從而提高運營效率和節省成本。

 

美國國家實驗室（NREL）對動力電池叉車和燃料電池叉車的總運行成本進行了評估，包括電池和燃料電池系統的購置成本、支持基礎設施的成本、維護成本、倉庫空間成本和勞動力成本。考慮到所有這些成本，NREL發現燃料電池叉車的總體擁有成本比同類動力電池叉車要低。

 

燃料電池叉車的樣本約60臺，每天工作2~3班，每周6~7天。NREL發現，對于用于多班作業的Ⅰ類和Ⅱ類叉車，燃料電池可將總體擁有成本降低10%，從每輛叉車每年19700美元降至每輛叉車每年17800美元。三級叉車的擁有成本可降低5%，從每年12400美元降至每年11700美元。NREL的評估僅限于考慮電池和燃料電池叉車的擁有和運行成本，未評估燃料電池叉車提高生產力的潛在效益。

 

通過NRTL的敏感性分析，只要燃料電池叉車車隊的數量足夠大（敏感性分析中燃料電池叉車臺數為30~100臺）、多班次工作，燃料電池叉車的總操作費用會低于動力電池叉車。PLUGPOWER公司測算，對于擁有超過90輛二級叉車的客戶，5年預計節省成本超過40萬美元。

 

PLUGPOWER公司建設的加氫設施主要配合燃料電池叉車使用，建設在配送中心、工廠等廠房內，加注壓力350千克，操作溫度0~40℃，加注1臺叉車耗時1分鐘，與美國、日本通常建設的車用加氫設施有所區別。

 

3.3燃料電池乘用車及加氫站情況普及情況

 

美國的加氫站主要集中在加州地區和美國東北部地區，東北部地區項目由美國液化空氣集團和豐田公司推動和主導，加州地區參與建設加氫站的企業包括空氣產品公司、Shell、Linde、豐田、本田等公司。全美目前已投運加氫站39座，計劃到2025年建成200座，2030年建成1000座。

 

截至2018年底，在美共銷售Mirai、Clarity、TucsonFuelCellSUV共計6200輛。除豐田、本田、現代已有燃料電池車商業化推廣外，奔馳最新推出了GLCF–Cell燃料電池車，寶馬、奧迪、通用等企業也有燃料電池合作研發計劃。

 

3.4燃料電池巴士試驗運行結果

 

DOE于2012年制定的2016年燃料電池巴士技術預期指標及終極目標見表1。33輛試驗運行的燃料電池巴士中，ACTransit公司的13輛由UTCPOWER公司提供燃料電池系統，Sunline、UCI、OTCA、MBTA、SARTA公司的12輛由Ballard公司提供燃料電池系統。根據統計，截至2018年2月28日，最好的1輛車運行總時長超過27330小時，超過DOE終極目標；12輛ACTransit運營車輛平均運行時長19000小時，達到了2016年預期目標值。ACTransit公司車輛從2006年開始逐步投入試驗，試驗結果基本達到預期；Sunline、UCI、OTCA、MBTA、SARTA等公司從2015年逐步投入車輛試驗運行，周期較短，未達到驗證燃料電池壽命的時限。

 

3.5燃料電池貨車及商用車測試情況

 

豐田2017年推出第一代燃料電池卡車Alpha，在長灘和洛杉磯港口進行了近1萬英里的測試和拖曳操作；2018年8月推出了第二代燃料電池卡車Beta，續航增加50%。Kenworth、Scania、Asko等傳統卡車制造商在DOE、挪威政府科研資助下開展了氫燃料電池卡車的研發。PowerCell是一家低溫質子交換膜電堆開發、制造及零售商，開發和生產世界頂級能量密度的固定和移動應用的燃料電堆，開發的100千瓦S3燃料電池供歐洲運輸企業制造燃料電池卡車。Nikola為美國電動汽車制造商，宣稱其制造的燃料電池卡車2020年正式上路測試，2022年正式上市銷售，單價40萬美元；通過其官方推特宣稱已獲得80億美元的預訂單，并計劃與挪威NelHydrogen公司合作，2018年開始在全美陸續建設364個加氫站，并在2019年末陸續向公眾開放，到2028年將累計達到700座。FedEx和UPS都在DOE的資助下開展燃料電池快遞車輛運行試驗。

 

4結論

 

1）美國高度重視氫能及燃料電池產業的發展，視氫能為未來不可或缺的、僅次于電能的重要二次能源，在未來的工業、交通運輸、電網儲能、供熱發電等領域都將占有相當的比重。

 

2）美國在燃料電池領域開展了長期、深入、全面的技術研發以及工業驗證實驗。美國從20世紀70年代就開展了氫能相關領域的研究工作，在制氫、儲氫、輸氫、燃料電池、儲能、相關安全環保事項、相關標準等領域技術儲備雄厚。在燃料電池發電、燃料電池叉車、燃料電池商用車、燃料電池巴士、燃料電池載重貨車等領域進行了長期的工業驗證實驗。

 

3）美國商業化推廣燃料電池態度是積極的，方式是慎重而穩妥的。在有充分的技術儲備后，美國政府僅利用少量的補貼進行了市場引導用于商業初期驗證實驗，實踐證明這部分技術已經具備市場競爭力，有望看到未來美國在燃料電池領域取得更長足的進步，獲得更多更廣泛的應用。

 

4）燃料電池技術是保障國家能源安全重要的技術手段。氫能可有效整合多種化石能源和可再生能源，加大可再生能源部署、提高能源自給率、有效降低原油消耗，為社會提供一種環保、高效的能源，對保障國家能源安全具有重要意義。

 

5）氫能是可以安全部署和利用的。幾萬臺氫燃料電池叉車十幾年的安全運行經驗，十幾臺氫燃料電池巴士上百萬公里的運行試驗，證明了氫氣是可以被安全、高效利用的。

 

6）固定地點或固定線路、高運營負荷的的燃料電池應用場景更適用于氫能產業的初步推廣。對比美國和日本的實踐，美國的模式是1個加氫站服務1個物流中心數十臺、數百臺燃料電池叉車，制氫售氫企業和燃料電池用戶的初始投資不高，而數十臺滿負荷運行的燃料電池叉車就可以平衡1個35兆帕加氫站的投資收益，制氫售氫企業和燃料電池應用企業的投資回報合理，產品在沒有補貼的情況下得到迅速推廣；而日本在本州島大量建設加氫站，由于初期氫燃料電池乘用車售價較高、數量不足，平均每個站1天只服務幾臺車，制氫售氫企業處于全面虧損狀態，同時由于加氫站的密度不夠、使用不便，用戶沒有經濟收益，一般用戶也不愿意選擇氫燃料電池乘用車替代燃油乘用車。燃料電池乘用車的繼續推廣需要制氫售氫企業堅定戰略方向，等待燃料電池成本下降，燃料電池乘用車得到普及。