美國產業界氫能經濟路線圖
導讀：2019年11月6日，美國燃料電池和氫能協會(FCHEA)在2019燃料電池國際研討會暨能源展上釋出了《美國氫能經濟路線圖——減排及驅動氫能在全美實現增長》。該路線圖根據20家公司和組織的意見編寫而成。路線圖期望美國的決策者和工業界共同努力並採取正確步驟，在氫能經濟的迅速興起和發展程序中，不斷壯大相關產業活動，從而鞏固美國在全球能源領域的領導地位。
《美國氫能經濟路線圖——減排及驅動氫能在全美實現增長》從產業界視角出發，在共享和開發經濟模型以及有關未來能源需求和環境期望的資料基礎上，勾畫的“建立跨市場和應用的夥伴關係，長久把持全球能源技術主導權”的發展圖景。路線圖的編製成員主要為20家能源、運輸、燃料電池製造和電力行業的全球領先公司。同時，麥肯錫公司為之提供了分析支援，美國電力研究院(EPRI)提供了科學觀察和技術支援。美國能源部國家實驗室和國家可再生能源實驗室的技術專家提供了分析和審查支援。
二、美國的氫能經濟願景
根據估算，到2050年，氫能將滿足美國終端能源需求的14%，相當於每年超過2468太瓦時。
競爭激烈的氫工業將加強美國在能源方面的領導地位。美國現在是全球最大的天然氣和石油生產國，出口到超過35個國家。隨著世界各國尋求發展氫能從而減少碳排放，美國有機會加強和發展其能源領導地位並在該領域創造就業機會。
強勁的氫工業將增強美國經濟。氫工業的不斷髮展，為美國公民創造了就業機會，為美國企業創造了收入。透過向希望發展氫能基礎設施的地區出口技術，例如歐洲、中國、日本、韓國和澳大利亞，這些在氫價值鏈中運營的業務也將得到增長。到2030年，美國氫能經濟每年可產生約1400億美元的收入，並在整個氫價值鏈中提供70萬個工作崗位。到2050年，它可以透過每年創造約7500億美元的收入和累計340萬個就業機會來推動經濟增長。
透過利用國內能源資源和提高能源彈性，氫能將有助於維護美國的國家能源安全。氫生產將利用豐富的可再生資源、天然氣和碳儲備，並使核工業具有競爭力。
氫能帶來重大的環境和健康效益。除了降低碳排放量之外，用作車用燃料的氫還完全消除了排氣管微粒、氮氧化物和硫氧化物的排放，改善了區域空氣質量，同時減少了溫室氣體排放。
氫能更好地整合低碳電力資源。隨著氫能在交通運輸、工業原料、備用電源及電力系統等領域的規模化應用，全美氫需求量將快速拉昇。所有這些應用所需的氫到2030年可能達到1700萬噸，到2050年達到6300萬噸。
三、美國氫能經濟的實現路線
美國將需要迅速採取行動，必須透過進一步投資和減少監管壁壘，促進研究與開發的公共政策來提高競爭力，以繼續在這個不斷髮展的行業中保持領先地位。美國氫能經濟發展路線分為以下四個階段：
(一)2020年至2022年：立即採取後續措施
在最初的兩到三年中，目的是在更多的州和聯邦一級確定可靠且技術中立的脫碳目標。這些目標將作為具體政策和監管行動的指南，包括更新法規和標準。公眾激勵措施和標準可以消解初期市場啟動時的壁壘，將更成熟的氫解決方案推向市場，提高公眾意識和接受度，並繼續試點氫的其他用途。該階段專注於在前期使用者市場中的早期商業可行應用，例如在全美範圍內推廣燃料電池叉車，在加利福尼亞州進一步部署輕型和重型車輛。這些早期應用要求採取多種激勵措施來減少進入壁壘，並透過市場機制來擴大規模。
在此階段，不斷擴大成熟的應用領域(例如叉車)和接近收支平衡的應用領域(例如備用電源解決方案)。在運輸業中，將重點發展燃料補給基礎設施，以支援推廣燃料電池電動汽車(FCEV)，並開始在乘用車和燃料補給站看到第二代產品。推動市場需求的增長，使之匹配運輸業中既有的氫生產設施的產能和分銷能級。其他應用的試點，例如燃氣網路中使用混合氣體，則為廣泛利用氫能做準備。
目前，美國的氫需求總量約為1100萬噸，道路上的FCEV只有7600輛。到2022年底，美國所有細分市場的氫需求總量將增長到1200萬噸。全美的道路上行駛FCEV約3萬輛。此外，在有足夠的市場需求的情況下，還將會有5萬輛FCEV物料搬運工具。
(二)2023年至2025年：規模化的早期階段
到2025年，實現氫的大規模生產，在成本降低的同時，使用氫能的地域範圍也不斷擴大，不再侷限於起步較早的州。這需要明確的監管準則來協調市場參與者並吸引投資。早期市場的政策激勵措施開始從直接支援過渡到可擴充套件的市場機制。
在此階段，建設首批大規模製氫設施。這些設施透過使用可再生能源進行水電解、可再生天然氣或碳捕捉與儲存技術來實現氫的製取。隨著制氫規模的擴大，與氫有關的裝置(尤其是汽車燃料電池生產和燃料站裝置)同步擴大規模，從而降低成本、提升效能。中型和重型燃料電池電動卡車以及新型輕型FCEV品牌和型號將投放市場。服務於中型和重型車輛的第二代高通量加氫站，提高了初期市場使用者對氫動力商用車的接受度和利用率。
對於建築物供暖，起步較早的州開始將少量的氫氣混合到供暖管道中，從而推動氫的大規模生產。在運輸方面，這些州將在現有車隊和試驗站的基礎上擴大輕型乘用車加氫基礎設施的覆蓋面和容量。在其他州跟進的過程中，制定加氫基礎設施的推廣計劃。在需求密集的頻繁路線上，部署中長途卡車所需的加氫設施。此外，氫燃料電池的用途從新建的資料中心和電信塔擴充套件到建築物的備用發電。此時的氫能市場開始轉為使用低碳氫作為工業原料。
到2025年，全美各種應用的氫總需求量將達到1300萬噸，道路上行駛共計15萬輛輕、中、重型FCEV，同時還有12.5萬輛FCEV物料搬運工具。
(三)2026年至2030年：多元化
2026年至2030年階段的發展特點在於多樣化，在全美範圍內擴大基礎設施。各種制氫途徑被廣泛使用，電解氫生產的規模持續擴大，開始與電網和可再生能源生產建立密切關聯。建立第一條氫氣傳輸管道，透過季節性併網和儲存進一步降低成本。
在運輸領域，隨著重型、高通量的加氫站基礎設施聯結成區域網路進而覆蓋全美，中長途氫動力卡車的運輸規模將不斷擴大。此時，美國大多數州都已落實了氫經濟路線圖，建立佈局廣泛的加氫基礎設施，啟用整個FCEV市場。
在產業領域，氨、甲醇和石化產品的生產已過渡到使用低碳氫的模式。透過大規模製氫，降低了所有部門的生產成本。航空業和航運業對脫碳型燃料的需求不斷增長，氫基合成燃料在這兩個產業中的供應規模持續擴大。
到2030年底，全美各種應用的氫總需求量將突破1700萬噸，售出的FCEV將達到120萬輛，在物料搬運中有30萬輛FCEV搬運工具。同時，全美有4300個加氫站投入運營。隨著制氫成本的降低和基礎設施的到位，各類制氫解決方案開始競爭。氫經濟吸引投資，進一步用於氫能的開發和推廣。到2030年，年度投資額預計達到80億美元。
(四)2030年後：在美國廣泛推廣
2030年之後，氫能將在美國各地區、各行業大規模部署。在大多數的應用中，透過充分的外部性定價，讓氫能與化石燃料替代品實現成本均等，之後讓此前的支援性政策逐步退出。
利用碳捕捉與儲存技術對基於化石燃料的制氫裝置進行改進，讓各種低成本的低碳制氫方式開展公開競爭。跨行業擴大氫能的使用，在進一步降低成本、改善效能的同時，激發行業間的協同效應。低碳制氫設施的全美廣泛佈局，氫氣輸送管道網路和大型加氫設施網路的成型，鞏固了美國氫經濟的骨幹基礎設施網路。推出不同型號的FCEV來滿足客戶的多樣化需求。從而讓原本難以實現脫碳的工業部門顯著減少溫室氣體排放，建築也廣泛實現低碳化乃至脫碳，有更多的零排放汽車上路。
除了為本國市場製造和生產外，向歐洲和亞洲出口氫和技術，同樣也為美國經濟增添了活力。到2050年，美國氫能行業的總收入每年可能達到7500億美元，包括了FCEV在內的所有裝置的銷售和6300萬噸的氫需求量。
四、氫能經濟的前進之路
實現此路線圖，需要產業部門、投資者和政策制定者的共同努力。要釋放美國氫工業的潛力，需採取以下九項行動：
(1)設定可靠的、技術中立的脫碳目標;
(2)建立公共激勵機制，以消弭初期市場啟動中的障礙;
(3)支援基礎設施建設;
(4)跨部門擴大氫能的使用，實現規模經濟;
(5)在政府採購中新增基於氫能的選擇;
(6)支援研究、開發、示範和部署;
(7)協調技術規範和安全標準;
(8)支援外展和員工發展;
(9)審查能源部門法規，以確保兼顧氫能。