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2018年，殼牌發(fā)布《能源的未來？—通過燃料電池和氫氣實現(xiàn)可持續(xù)移動》，在此ERR能研微訊研究團隊對報告的主要觀點進行了翻譯，分享給大家，歡迎轉(zhuǎn)發(fā)擴散！

多年來，殼牌公布了一系列關(guān)鍵能源問題的情景研究?其中包括對重要能源消費行業(yè)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(yīng)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，氫一直被認為是可持續(xù)能源未來的可能基礎(chǔ)?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賴，并且與其他能源和技術(shù)相互依賴?問題是氫能否成為未來的重要能源載體?

近幾十年來，殼牌一直致力于氫氣生產(chǎn)以及氫氣研究?開發(fā)和應(yīng)用，并擁有專門的業(yè)務(wù)部門ShellHydrogen?現(xiàn)在，殼牌與德國研究機構(gòu)和智庫的伍珀塔爾研究所合作，開展了一項關(guān)于氫作為未來能源載體的研究?

殼牌氫能研究著眼于氫氣供應(yīng)途徑和應(yīng)用技術(shù)的現(xiàn)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應(yīng)用和非汽車應(yīng)用，但其重點，正如其副標題“通過燃料電池和H₂的可持續(xù)流動性”，在公路運輸中，特別是在燃料電池電動車輛中使用氫氣?

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

氫（H）是化學(xué)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(xiàn)。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(fā)現(xiàn)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未來，特別是在能源工業(yè)和能源運動方面。20世紀60年代和70年代，太空旅行和日益稀缺的資源進一步加深了圍繞氫的興奮光環(huán)。20世紀90年代以來，隨著人們對尋找可持續(xù)能源的緊迫性日益增強，對氫的興趣得到了提升。最近，對氫的重點關(guān)注領(lǐng)域聚焦到其日益在以電力為基礎(chǔ)的能源經(jīng)濟中的作用。

由于其特殊的物理性質(zhì)，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。液化使其密度增加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(xué)性質(zhì)，在處理的過程中必須加倍小心。

由于氫通常作為化合物的一部分存在于地球上，因此必須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(shù)方法來實現(xiàn)，并且各種主要能源-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(shù)生產(chǎn)過程中。

目前氫氣生產(chǎn)最重要的主要能源是天然氣，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）是最常用的制氫方法。其他生產(chǎn)方法包括部分氧化、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(yè)生產(chǎn)過程的副產(chǎn)品。

迄今為止，只有少量的氫氣來自可再生能源，盡管這一數(shù)量將來會增加。電解目前約占全球氫氣產(chǎn)量的5%，但其中大部分仍基于傳統(tǒng)電力來源。剩余可再生能源的電解被視為未來的巨大潛力。

堿性電解法已在該行業(yè)中使用了一個多世紀。目前正在開發(fā)提供改進的性能參數(shù)（關(guān)于轉(zhuǎn)換效率，靈活性和成本）的替代電解方法。

生物質(zhì)制氫雖然技術(shù)上可行，但在全球范圍內(nèi)的規(guī)模仍然微不足道，雖然生物質(zhì)氣化和生物質(zhì)氣體重整等熱化學(xué)方法已經(jīng)投入使用，但生物質(zhì)化學(xué)過程仍處于起步階段。必須根據(jù)可持續(xù)性要求檢查生物質(zhì)的可用性，畢竟它是有限的資源。

作為主要的氫供應(yīng)途徑，天然氣和沼氣和電解和蒸汽重整一直在能量輸入、溫室氣體排放和生產(chǎn)成本方面被進行分析和比較：基于傳統(tǒng)電力（電網(wǎng)混合）的電解制氫需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需要很少的一次能源。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(fā)電的電解產(chǎn)生的H2能夠產(chǎn)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產(chǎn)生的H2比由基于電網(wǎng)的電解產(chǎn)生的氫更好。

在所考慮的所有生產(chǎn)方法中，集中式氫氣生產(chǎn)比小型、分散式工廠的生產(chǎn)更具成本效益。集中式天然氣重整制氫是最具成本效益的，其每千克氫的生產(chǎn)成本為1~2歐元。

電解制氫的成本更高，其商業(yè)可行性在很大程度上取決于電價。基于生物質(zhì)的氫生產(chǎn)的成本處于天然氣重整和電解之間。

未來，分散式天然氣重整、集中式電解和集中式生物質(zhì)路線有望提供最大的成本節(jié)約潛力。

氫的特定物理和化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致比其他能量載體需要更高的物流成本（儲存和運輸）。氫具有非常低的體積能量密度，這意味著它必須被壓縮以用于儲存和運輸目的。

商業(yè)上最重要的是作為壓縮氣體的氫存儲。對于最終用戶，可提供不同設(shè)計（350，700bar）的高壓儲罐。通過液化可以實現(xiàn)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方法的原因

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(shè)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(shè)施仍然非常少。

新型存儲媒介是基于材料的儲氫技術(shù)。這些包括金屬氫化物、化學(xué)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(shù)這些技術(shù)仍處于研發(fā)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(tài)氫或最多4噸液態(tài)氫。

某些地區(qū)提供區(qū)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(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施（管道和地下儲存設(shè)施）也可用于儲存和運輸氫氣。就運輸成本而言，液態(tài)氫適用于長距離運輸，壓縮的氣態(tài)氫適用于較小量的較短距離運輸，而管道運輸對于大容量氫能運輸是非常有利的。

氫是一種高度通用的基礎(chǔ)化學(xué)品，有兩個主要用途：材料應(yīng)用和能源應(yīng)用。工業(yè)中最重要的材料應(yīng)用是氨合成，主要用于生產(chǎn)含氮肥料和甲醇合成。此外，氫氣是煉油廠原油精煉的副產(chǎn)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(chǎn)品的加工和精煉-例如加氫處理和加氫裂化等工藝等。氫的能源應(yīng)用主要涉及將氫氣中的能量轉(zhuǎn)化為熱能、電力或電能。然而，氫現(xiàn)在很少被使用作為熱機的能量源。

對于能源應(yīng)用，燃料電池已成為氫氣使用的主要焦點。與熱機相比，燃料電池能提供更高的電效率和整體效率。燃料電池原理是在19世紀被發(fā)現(xiàn)的：隨著燃料的不斷供應(yīng)，化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。作為電解的逆過程，H₂和氧同時重新組合成產(chǎn)生H₂O的直流電。

近年來燃料電池已經(jīng)取得了一些重大技術(shù)進步?，F(xiàn)在可用的許多不同電池類型在它們使用的電解質(zhì)（離子導(dǎo)體）和它們的操作溫度方面具有很大不同。低溫電池允許動態(tài)負載響應(yīng)，而高溫電池有利于連續(xù)負載，并且對燃料質(zhì)量的波動更具彈性。此外，在外部或內(nèi)部重整之后，一些燃料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(zhì)子交換膜燃料電池（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應(yīng)用。并行開發(fā)的是固體氧化物燃料電池（SOFC），其主要應(yīng)用于連續(xù)的家用能源供應(yīng)和發(fā)電廠。

在燃料電池的電極上使用的催化劑對系統(tǒng)成本和性能具有巨大影響。研究更節(jié)約成本和更經(jīng)濟的催化劑材料的工作也正在進行中。

在數(shù)量和裝機容量方面，固定式燃料電池是燃料電池系統(tǒng)全球市場發(fā)展的重要推動力。

燃料電池正在越來越多地以應(yīng)急發(fā)電機組或不間斷電源（UPS）的形式被用作發(fā)電機和可充電電池的備用電源。由于燃料電池產(chǎn)生電能和熱能，它們在電廠和建筑部門的電力和供熱供應(yīng)中用于熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）裝置正在增加。

微型熱電聯(lián)供燃料電池系統(tǒng)由于其較高的整體效率，逐漸成為節(jié)能型家用能源供應(yīng)的一種有富有前景的新選擇。用于家庭能源供應(yīng)的燃料電池通常使用天然氣（通過額外的外部或內(nèi)部甲醇重整）?；谫|(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC和固體氧化物燃料電池SOFC的第一批商用微型熱電聯(lián)產(chǎn)裝置現(xiàn)在可用于例如建筑領(lǐng)域的建設(shè)。戶用燃料電池系統(tǒng)的主要示范項目和市場啟動計劃已經(jīng)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(jīng)安裝了近20萬個微型熱電聯(lián)產(chǎn)裝置;到2030年，日本政府計劃安裝530萬個熱電聯(lián)產(chǎn)裝置。

燃料電池微型熱電聯(lián)產(chǎn)或小型熱電聯(lián)產(chǎn)裝置在建筑領(lǐng)域的經(jīng)濟效率取決于各自的電力和天然氣零售價格。熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)在建筑物中的廣泛應(yīng)用將需要（在短期內(nèi)）進一步的臨時資金支持以促進市場開發(fā)。

氫可用作移動應(yīng)用的能源。最初，它也在內(nèi)燃機中進行了測試，但在運輸領(lǐng)域，氫氣現(xiàn)在幾乎只用于燃料電池。太空旅行為氫和燃料電池技術(shù)的發(fā)展提供了歷史和技術(shù)動力。

原則上，氫燃料電池系統(tǒng)幾乎適用于所有運輸工具，但其技術(shù)成熟度根據(jù)運輸方式及其使用方式而變化。產(chǎn)品的技術(shù)成熟度可以根據(jù)美國太空管理局NASA開發(fā)的技術(shù)準備水平（TRL）來確定。TRL規(guī)模從1級到9級。充分的技術(shù)成熟度，這意味著至少在使用領(lǐng)域中已經(jīng)證明的功能（=TRL8），是在相應(yīng)的移動應(yīng)用領(lǐng)域推動市場發(fā)展的關(guān)鍵先決條件。

用于物料搬運的叉車或牽引車等工業(yè)卡車在技術(shù)上幾乎完全成熟，并且已經(jīng)處于商業(yè)化的早期階段。乘用車已達到批量生產(chǎn)，而公交車則緊隨其后。物料搬運設(shè)備的制造數(shù)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。燃料電池乘客汽車現(xiàn)在提供與內(nèi)燃機驅(qū)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(jīng)歷了比任何其他交通工具更密集的車隊測試。

在火車、輪船和飛機方面仍有許多發(fā)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(shù)。目前還沒有商用飛機或商船的計劃，但他們可以使用燃料電池作為輔助動力裝置（APU）的有效能源。

購買或持有車輛時最重要的考慮因素之一是經(jīng)濟性：所涉及的所有權(quán)成本。這些包括購買成本、燃料的持續(xù)成本或與里程或運輸性能相關(guān)的成本。一旦具有不同傳動系的車輛的成本足夠相似，其他非經(jīng)濟決策因素就會發(fā)揮作用。

在現(xiàn)有的購買和燃料成本結(jié)構(gòu)下，燃料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(shù)的快速進步以及生產(chǎn)和市場開發(fā)的規(guī)模效應(yīng)不斷增加，汽車燃料電池技術(shù)將很快變得更具成本效益。此外，氫氣的生產(chǎn)成本可能會在中長期內(nèi)下降，這與較低的技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施成本相結(jié)合，可以使氫氣作為燃料能夠更便宜地分銷和占據(jù)市場。

同時，由于更復(fù)雜的廢氣處理內(nèi)燃機車輛正在變得更加昂貴。在城市和大都市地區(qū)，由于對空氣質(zhì)量和尾氣排放的更嚴格規(guī)定，內(nèi)燃機車輛越來越受到當?shù)厥褂孟拗啤Ｒ虼?，與內(nèi)燃機乘用車相比，由氫驅(qū)動的（局部）無排放燃料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因。

一旦燃料電池乘用車和電池電動車的購買成本之間的差距隨著生產(chǎn)數(shù)量的增加而逐漸消失，燃料電池乘用車就成為（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，燃料電池電動車輛還提供了超過電池電動車輛的額外優(yōu)勢，例如更大的舒適性、更長的續(xù)航里程和更短的充電時間。相反，如果要在舒適性、續(xù)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(yōu)于燃料電池電動車輛的經(jīng)濟優(yōu)勢。

移動氫能的發(fā)展和擴展將需要新的基礎(chǔ)設(shè)施來為燃料電池電動汽車（FCEV）提供全面的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。截至2017年初，全球約有280個加氫站和約4000輛燃料電池車。到目前為止，加氫站和燃料電池車隊多集中在美國、西歐和亞洲的日本。近年來，基礎(chǔ)設(shè)施和車隊的發(fā)展大大加快。

加氫站包括以下技術(shù)組件：儲氫罐，壓縮機，預(yù)冷器/蒸發(fā)器和分配器。到目前為止，加氫站大多是定制的。通過技術(shù)組件的模塊化和批量化生產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)的安全和有效擴展做出重大貢獻。由于監(jiān)管和技術(shù)標準化以及規(guī)模效應(yīng)，預(yù)計未來幾年內(nèi)氫能將有大幅降低50%的成本潛力。

根據(jù)容量、設(shè)計和利用情況，一般和特定的加油站基礎(chǔ)設(shè)施成本會有所不同。通過選擇合適的規(guī)模和供應(yīng)概念，可以調(diào)整加氫站網(wǎng)絡(luò)以滿足需求，并且可以通過逐步擴展來降低基礎(chǔ)設(shè)施成本。然而，在市場增長階段開始時存在加氫站嚴重利用不足的風(fēng)險，因此在早期階段需要為基礎(chǔ)設(shè)施擴展提供財務(wù)支持。

網(wǎng)絡(luò)發(fā)展也必須與氫以及氫能車隊的擴展同步。為實現(xiàn)此目的在領(lǐng)先地區(qū)（北美，西歐和日本/亞洲）提出了一系列氫氣倡議。

運輸是一個重要的能源消耗和排放部門。在全球范圍內(nèi)，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年期間增加了71%。鑒于全球道路交通量仍在增加，盡管采取措施避免交通或?qū)⑵滢D(zhuǎn)移到公共交通或更環(huán)保的交通方式，減少機動車的能源消耗和負面環(huán)境影響更為重要。

氫能燃料電池電動汽車（FCEV）比內(nèi)燃機推動的乘用車效率更高。因此，F(xiàn)CEV可以為能源供應(yīng)的多樣化和機動公路運輸?shù)墓?jié)能做出重要貢獻。

如果氫氣來自可再生能源，則整個供應(yīng)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(tǒng)，到2050年，與距離相關(guān)的溫室氣體排放量將顯著降低至1.13億個左右。此項結(jié)果是基于預(yù)計到2030年歐盟和美國的年度燃料電池車登記量將增加到100萬個。到2050年，在這三個地區(qū)，每年新登記的人數(shù)將增加到1000萬。

根據(jù)假定的年平均車輛里程數(shù)，特定（與距離相關(guān)）的車輛能耗和所用燃料的溫室氣體因子，估計2050年的1.13億輛燃料電池電動車的氫消耗約為1000萬噸氫（每年）。如果要用燃料電池電動汽車取代高效的汽油乘用車，到2050年，這將節(jié)省-取決于更換車輛的設(shè)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(guān)的二氧化碳排放量。

考慮到從現(xiàn)在到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。

氫作為能源以及燃料電池作為能量轉(zhuǎn)換器，在能源轉(zhuǎn)型和實現(xiàn)將全球溫度上升控制在2°C的氣候政策目標中發(fā)揮著重要作用。近年來，氫生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)取得了重大進展。盡管如此，氫氣和燃料電池在全球能源系統(tǒng)中實現(xiàn)廣泛的商業(yè)用途方面仍處于起步階段。因此，它們需要政府和整個社會的進一步支持和資助。

需要采取哪些行動和措施才能使氫和燃料電池最終成為未來可持續(xù)能源系統(tǒng)的支柱之一？下面我們列出整個氫氣供應(yīng)和使用鏈的十個關(guān)鍵要求，這些要求可能有助于改善未來氫能經(jīng)濟的總體條件。這些措施中的每一項本身都很重要，但理想情況下，它們應(yīng)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(xié)調(diào)。

基于電解和低排放重整的氫生產(chǎn)方法的持續(xù)發(fā)展必須得到支持，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(fā)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(chǎn)量。

從長遠來看，必須（進一步）改善氫的大規(guī)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產(chǎn)生的氫氣。此外，在儲存介質(zhì)（氫化物、液體和吸附劑儲存系統(tǒng)）領(lǐng)域需要更多的商業(yè)前基礎(chǔ)研究。最后，必須酌情開發(fā)氫輸送基礎(chǔ)設(shè)施（如液態(tài)氫輸送以及氫氣管道）。

通過技術(shù)多樣化的研發(fā)資金，必須在制造成本和效率以及長期穩(wěn)定性方面支持作為最重要的氫能源技術(shù)的移動和固定燃料電池的進一步發(fā)展。

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(lián)產(chǎn)燃料電池系統(tǒng)仍需要進一步的技術(shù)資金支持。在進入市場時，至少需要短期的財務(wù)和或政策支持。

燃料電池電動汽車是電動汽車。應(yīng)通過公共采購計劃，直接財政獎勵或車輛的特權(quán)地位（例如，禁止進入某些城市地區(qū)的禁令）暫時支持購買燃料電池乘用車和公共汽車。在成熟的可持續(xù)技術(shù)（例如貨車、鐵路、船舶、飛機）組合非常有限的地區(qū)開發(fā)替代技術(shù)需要進一步的研發(fā)資金。

加氫站的擴建，特別是在利用率低的引導(dǎo)階段，需要政府分擔經(jīng)濟負擔和風(fēng)險。國家對基礎(chǔ)設(shè)施的資助應(yīng)該在這方面發(fā)揮作用。應(yīng)酌情以協(xié)調(diào)的方式擴大氫能基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)全國覆蓋的長期目標。

綠色氫氣的使用需要建立適當?shù)募顧C制，例如，將其與歐盟的燃料溫室氣體減排目標相抵消，或者通過擴大儲能和需求側(cè)管理的容量市場。關(guān)于電力產(chǎn)生的氫氣，需要與其他諸如電力存儲或Power-to-X計劃建立公平的競爭環(huán)境。由于電解制氫不是（可再生）電的最終消費者，所以其不應(yīng)該承擔額外負擔。不同產(chǎn)品的區(qū)別被對待必須被消除。

對于大多數(shù)終端用戶來說，氫（尚）不為大眾所了解。相反，對于絕大多數(shù)消費者而言，氫氣和使用它的技術(shù)仍然是新的。新能源技術(shù)需要開放，愿意學(xué)習(xí)和使未來用戶熟悉。因此，如果這些技術(shù)要獲得用戶和整個社會的認可，教育和相關(guān)技術(shù)信息的傳播至關(guān)重要。

這需要適當?shù)臏贤ú呗院鸵?guī)范來建立經(jīng)驗和承諾。

為了加快建立全球氫能經(jīng)濟，需要通過城市、地區(qū)和國家之間以及相關(guān)經(jīng)濟運營商之間的合作來創(chuàng)造協(xié)同效應(yīng)。將生產(chǎn)和消費部門聯(lián)系起來也很重要，對電池系統(tǒng)和燃料電池等創(chuàng)新技術(shù)的全面協(xié)調(diào)也很重要。