清洁氢气：美国货运前景

2023-01-31 世界资源研究所娱乐而已

氢气和基于氢的燃料是到2050年用于长途公路货运、海上货运、航空货运以及长距离铁路货运的主要去碳化解决方案之一。氢气有望在减少货物运输碳排放的过程中，与电气化和其他清洁能源一起扮演互补的角色。

挑战：成本、船上存储需求和加氢基础设施仍然是氢能在货运运输应用中面临的主要挑战。
优势：氢气是一种重量比能量密度高的燃料，但其较低的沸点和较小的分子尺寸带来了关于蒸发损失和液化或压缩所需能量的储存挑战。基于氢的燃料和氢载体提供了配送及船上存储的解决方案，尽管成本仍然较高。
互补性：氢是许多可以在货运行业脱碳中发挥作用的燃料之一。氢可以在运输业中与电气化和其他可能的低碳燃料（如甲醇、丙烷和氨）一起扮演补充角色。
生产方式：这些燃料可以通过可持续生物质或氢气制成，或者通过直接空气捕捉技术从氢气和二氧化碳合成制成，因此氢可以作为直接的低碳燃料发挥作用，或者作为低碳燃料原料。

资金和开发：清洁制氢技术的资金和开发正在大幅增加。在美国，基础设施投资和就业法案分配了95亿美元用于清洁氢能源生产和基础设施建设，而通货再削减法案则为低碳氢能源生产提供了生产税抵免。
生产路径：氢气的分配和存储必须克服技术性和许可方面的挑战，以满足预期的氢气需求。尽管目前存在一些专门用于氢气输送的管道，但在大规模分配氢气之前，还需解决新建管道、管道改造、泄漏问题、混合标准和分离要求及技术等关键问题。
运输方式：使用卡车、船只或铁路运输氢气可能成为初期的氢气输送方式，直到生产量增加。将氢气生产靠近需求中心，减少氢气的运输，对于降低成本和基础设施需求至关重要。
生产方法：扩大氢生产决策需在低碳能源供应与土地使用优先级的背景下作出，以期提供气候与社会福祉。大规模通过电解生产清洁氢气的部分限制可能在于无碳电力供应。然而，利用本应因用于氢气生产而被削减的可再生能源电能，可以提供一个低成本途径。这种氢气随后可以用于长期能源存储和清洁、稳定的电力生成。从生物质中生产氢气必须确保土地使用不偏离食品生产或其他重要或更高用途。

影响：氢气泄漏通常不被视为温室气体体现在大多数生命周期评估中，但其通过延长大气甲烷的寿命、形成平流层臭氧以及增加平流层水蒸气间接驱动全球变暖，从而产生20年全球变暖潜能（GWP），这一数值约为二氧化碳的33倍。
研究方向：为了使氢能够提供低碳或零碳解决方案，还需要进行额外的研究和技术发展，专注于氢泄漏检测、预防和缓解。

需求增长：美国需求增长的估计预测到2050年将大约增加六倍。行业很可能成为清洁氢的主要需求方，主导着当前利用氢气的许多相同工业领域——石油精炼、甲醇生产、氨生产以及钢铁制造。
政策支持：政策支持与公共投资对于氢能源的生产、运输和使用（形式包括研发资金、试点项目、税收激励、基础设施投资、制定燃料和排放标准，或征收碳税等）将在引导资金流向氢能源项目开发，并决定特定氢能源技术市场份额方面发挥作用。

替代燃料：除了氢燃料外，还有多种替代燃料和能源来源，如生物质或废物来源的可滴入燃料、可再生能源天然气以及电力，这些相对于传统柴油燃料在全生命周期内提供了减排益处。
长途卡车：长途卡车运输领域的氢燃料电池机遇并不仅限于主驱动系统推进。车队所有者和制造商也正在探索混合动力传动系统和替代动力单元。
成本分析：氢燃料电池车辆在使用时能提供GHG和关键污染物排放的好处，并且通常在整个生命周期内也能提供此类益处，但关键污染物排放的好处会因氢气生产方法而异。某些生产路径在某些污染物方面可能几乎不提供或完全不提供相对于传统化石燃料的益处。
市场现状：尽管Nikola和Tesla在燃料电池电动车（FCEV）和电池电动车（BEV）卡车市场中是早期的主要玩家，但目前，少数原始设备制造商（OEMs）主导了美国长途卡车运输领域，四家公司合计占据了超过99%的市场份额。

燃料使用：油轮、集装箱船和散货船是三大类大型货物船只。油轮通常运输如原油和天然气等大宗液体或气体；集装箱船则运输使用多式联运的货物容器内的商品；而散货船则运输如铁矿石和煤炭等未包装的固体货物。
排放问题：在航运船舶中燃烧燃油会因含有有毒芳香物质如苯等有害物质而产生对环境有害的副产品。液化天然气（LNG）是海上货运船舶中减少温室气体（GHG）排放的最低成本、近期可行选项。
未来趋势：替代燃料，包括氢气，正越来越多地被纳入新船建造和改造中。预计到2050年，低碳燃料如生物燃料、合成燃料、甲醇、氨和氢气将满足大约60%的海运能源需求，而液化天然气（LNG）和液化石油气将合计提供约30%的供应。

需求现状：2019年，约有55%的空运货物（以收入吨公里计算）由专门的货运飞机在全球范围内运送，其余则在商用客机的货舱内运输。
减排挑战：虽然这一比例每年都有波动，但减少商用客机的碳排放显然将在减少空运货物的碳足迹方面发挥重要作用。通常位于城市中心附近。离岸氢燃料补给可为空间受限的城市港口提供存储和加油解决方案。
未来展望：氢气被视为航空业潜在的长期解决方案，可持续航空燃料（SAFs）预计将在短期内提供减排效果，但到2030年甚至可能到2040年，由于采用量有限，仅预期有轻微的减排效果。

能效优势：氢燃料电池和电池电动机车的能效超过现有柴油电机车的两倍，且在农村铁路货运应用中成为取代柴油电机车的主要竞争者。
成本优势：相对于柴油电动同类产品，采用氢燃料的场内调车机已经展现出成本节省的可能性，为氢能在铁路货运领域的应用提供了重要的初始机遇。
未来趋势：未来，类似机车和发动机技术也可能用于为货运列车提供辅助推进。氢还能为辅助动力单元提供动力，而在现今的柴油电驱动机车中，辅助动力单元通常由独立的柴油发动机供电。