哪个国家是国际洁净能源的巨头?
伴随2021年的到来,一个波澜壮阔的“二十年代”徐徐开启。 未来十年,我们将 见证的新能源的崛起,化石能源的衰落。
从去年开始,全球能源行业已经发生大逆转。 全球最大的可再生能源供应商美国NextEra能源公司市值飙升至1500亿美元,一度超越埃克森美孚公司和雪佛龙,成为全球价值最高的能源企业。 到了年底,随着油价有所回升,埃克森美孚才勉强挽回了些许尊严。
在与气候变化的对抗中,2020年是有史以来最关键的一年。 这一年,世界开始行动起来,努力修复几个世纪以来对气候的破坏。 全球最大的几个经济体都做出了净零排放、碳中和的承诺。
这一年,传统能源巨头在对新能源的态度上发生了翻天覆地的转变。
01
传统能源巨头蜂拥进新能源领域
2020年,全球化石能源巨头经历了有史以来最为痛苦的一年。
油价暴跌,巨额亏损。以往,他们总能在低谷后再次攫取复苏后的暴利。与往年不同,这次不再是简单的周期性经营亏损。他们 必须面对一个新的残酷现实—— 承诺大幅甚至全部减 少温室气体排放。
在这种要求下,未来石油需求和煤电需求都将大幅下降。 大力发展可再生能源,成为传统化石能源巨头转型最为清晰的发展路径。
我们看到,过去一年,全球化石能源巨头不约而同的疯狂涌入新能源领域,并斥以数以万亿的资金。这几乎颠覆了想象。
美国能源巨头杜克能源欲斥资4000亿砸向风电、光伏等领域。 杜克能源去年宣布,未来5年计划斥资560亿美元(折合3920亿元人民币)的资本投资计划, 希望到2025年将可再生能源发电指标翻一番,设定的目标是自行投资或购买16000MW可再生能源装机量 。 并计划到 2050年,新增40000MW太阳能和风电装机量,这将占到杜克能源公司2050年夏季总装机 量的40%。
西班牙石油巨头雷普索尔计划将可再生能源产能扩大五倍。 去年底,雷普索尔宣布,在未来十年内将可再生能源产能扩大五倍,并从石油业务中筹集资金,将可再生能源发电能力从目前的2.95吉瓦扩大到15吉瓦,包括风能和太阳能。
法国石油巨头道达尔计划未来十年内,每年在可再生能源上投入30亿美元。 道达尔未来10年能源产量将增长三分之一,其中大约一半将来自液化天然气,另一半来自电力——主要来自太阳能和风能的增长。
英国石油巨头BP将可再生能源产能从2019年的2.5GW拉升至50GW。 BP打算在2030年底前,将在低碳能源的投资总额拉升10倍达到50亿美元,并将可再生能源产能从2019年的2.5吉瓦拉高至50吉瓦。
葡萄牙石油巨头GalpEnergía计划到2030年,将其可再生能源的规模扩大到10吉瓦 ,计划将集团10%至15%的投资用于可再生能源发电。
欧洲最大电力公司之一Enel拟投资700亿欧元扩大太阳能、风能业务。 去年底,Enel宣布2021-2030年的战略重点是加速能源转型。其中,约700亿欧元用于扩大其风能和太阳能业务,可再生能源发电规模将从目前的45GW增至120GW。
西班牙最大电力公司Endesa拟在未来三年将太阳能等发电总容量增加50%。 Endesa表示将在2021-2023年期间筹措79亿欧元投资用于脱碳,新可再生能源产能等。其中,可再生能源将获得33亿欧元,用于投资约3000MW的太阳能和900MW的风电。
西班牙电力巨头Iberdrola计划5年投入760亿欧元,将可再生能源装机增至60GW。 去年底Iberdrola公 布了调整后的新5年投资计划,将在2021-2025年间,投资750亿欧元大力发展可再生能源,到2025年将可再生能源装机从去年的32吉瓦增至60吉瓦。
以上只是我们列举的部分化石能源巨头在可再生能源领域的投资计划,更多的案例不胜枚举。
颇具前景的可再生能源,吸引的不只是能源巨头。 越来越多非能源企业也开始蜂拥而入。
比如澳大利亚铁矿石巨头FMG,去年底就宣布2022年或2023年开始生产风能、太阳能、氢气和氨水等可再生能源,最终目标是达到236吉瓦的清洁能源产能。又比如 日本电信巨头NTT宣布,到 2030年将可再生能源发电能力从现在的300兆瓦提高 到7.5吉瓦。
02
技术创新的力量
从目前公开资料统计,未来5年时间,全球至少有万亿美元以上资金将进入可再生能源领域。
相对于未来更为庞大的体量,目前投入的资金还只是冰山一角。国际可再生能源署预计到2050年,为了实现碳中和,全球需要在清洁能源领域累计投资130万亿美元。
这些资金大部分将投向风电和光伏相关 领域 。
十年前,这简直无法想象。
越来越多的企业将宝押向新能源,除了情怀,更多的因素是源于以风电、光伏为首的新能源竞争力越来越强。
在技术进步和规模效应推动下,风电和光伏已经成为全球最具竞争力的能源。
以风电为例,十几年前,陆上风电单位千瓦造价高达12000元,如今已经下降到7000多元。国内上网电价已经下降至0.29元/千瓦时(I类区域),部分地区成本已经下探至0.15元/千瓦时。
十几年来,风电技术不断推陈出新,目前已经进化到第四代风机——人工智能风机,这种风机为全球新能源加速开发创造了契机。
有兴趣的同学,可以观看B站上一条爆红的 讲述风机进化史的科普视频,为了方便大家观看,我们将视频上传至此。
远景能源工程师告诉我们,他们推出的伽利略超感知风机就是人工智能风机。 在前三代增加偏航、变桨、独立变桨基础 上,工程师们在风机中创造性融入了人工智能元素。
这种风机能够利用传感数据,结合人工智能模型,实时还原所在机位的风信息,并对比实际运行情况与设计的差异,进行不断的精细调整。 这样一来,风机不再是按照预设好的场景程式化的变桨,而是依据实际的气流特性求真务实的变桨。 就和伽利略一样,能够用实例来验证固有理论。
当成千上万台伽利略超感知风机遍布群山、平原、海洋,大量的实例验证信息将在云端刻画出风机该有的样子,然后传回每一台风机,进而使风机不断进化,将潜力发挥到极致,再次提升发电能力。 而且,这种进化不仅可以体现在某一台风机上,也体现在整个风电场上。 依托边缘计算技术,风电场集群的人工智能,可以回顾和预测数十台风机已经和将要经历的风况,协调各个风机的运行,实现风场整体发电能力的最大化。
除此之外,伽利略超感知风机还有很多进步,比如可以借助先进的趋势感知能力,在线规划风机的寿命策略,找到最优的运行模式,从而降低运维成本。可以通过大量结构受力样本,知道风机哪一部位需要进一步加强,哪一个部位可以优化减少材料,再运用到新风机的制造上,从而降低建设成本和度电成本。
风电如此,光伏创新更是层出不穷。
光伏转化率已经从十几年前的14%左右,上升到了目前的23%以上。晶硅组件价格从十几年前接近40元/瓦下降到目前1.4元/瓦左右。
技术创新和成本下降,让光伏成为近十年内降本速度最快的能源之一。 根据 国际可再生能源署 数据,全球光伏LCOE (平准化发电成本)由2010 年的0.378$/kWh快速下降至2020年的0.048$/kWh,降幅高达87%。
今年开始,不仅是风电, 国内大部分地区光伏项目都可以实现平价上网。在海外一些国家,由于非技术成本占比较低,一些光伏项目度电成本已经低至0.1元人民币以下。
虽然没有人能准确预测未来,但是新能源未来却是确定的。
在风电和光伏等可再生能源的驱动下,一个全新的时代序幕已经徐徐拉开。
/ END /
亚马逊将在全球开发71个可再生能源新项目,对碳中和有帮助主要有能够促进可再生能源项目提升,而且加强可再生能源合理利用,为碳排放量做好相应调整。
亚马逊将在全球开展有关70多个可再生能源项目的开展对碳中和有着非常重要的作用,创业发展意义会加强对项目的提升和布局对于可再生资源而言是非常重要,能够为未来有关低碳模式和各种可再生能源有效利用和长期发展做好充分准备,并且能够有效保护我们国家环境和生态安全问题。从多个层面维护国家合法权益和利益,对于在全球加大对于各种生能源项目的合理利用和开发能够很好利用有关可再生能源。包括风能太阳能以及水能的多个能源也会加强对清洁能源的提供和使用。
相关负责人能够了解到,加强对于风能太阳能各种合作项目的有效利用,能够为当地地区提供各种清洁能源和设施做好充分准备。也能够为前就做好相应绿色能源服务,推动有关可再生能源相应产业的有效运行,为未来长期发展和人民生活安全生态问题改善做到非常重要的影响。还包含各个国家相应产业合理发展,包含对南美地区未名地区以及各个欧洲亚太多个地区和再生能源的合理利用,对整个全球碳排放量做好相应关键准备。关于此次亚马逊的相关可再生能源项目,能够最大程度上保证人民正常生活安全,为可再生能源合理利用和投资效益加大这样能够促进有关可再生能源自身行业的长期发展和持续发展。
要加大对于可再生能源的合理利用,这样才能够最大程度上利用好绿色能源,促进低碳社会的改善,为有关可再生能源行业做好相关投资。
美国清洁能源产业发展的一个重点目标是要大幅提升可再生能源在能源消耗中的比例。2009年1月1日,美国的可再生能源生产能力为 27.8吉瓦。美国府提出的目标是,到 2012年可再生能源生产能力翻一番,达到或超过55.6吉瓦。因此,美国府为提升可再生能源生产能力提供了大力支持。《美国复苏与再投资法》向可再生能源生产和先进能源制造方面投入 230亿美元。这笔资金有望创造253000个工作岗位,并撬动私营部门新增430亿美元的投资,支持新增469000个工作岗位。
《美国复苏与再投资法》为可再生能源融资提供了便利和支持。根据美国风能协会的报告,有了《美国复苏与再投资法》的投入,在风能领域的私人投资将会更多。以前在没有府资助的情况下,风能企业的开发项目可以获得 40%—50%的贷款支持,而有了府资助,风能企业可以获得70%—80%的贷款支持。美国府承诺,到2010年底,将支持风能、太阳能、地热能等可再生能源增长15吉瓦,足以为400万至500万个家庭供电。美国也致力于提高风轮机、太阳能板及其它可再生能源部件的制造能力。美国还把可再生能源开发的范围扩大到外大陆架。据美国国家可再生能源实验室估计,仅外大陆架的风能的开发就可以为美国提供1900吉瓦的清洁能源。
新能源汽车和未来的车用燃料联邦府承诺投入160亿美元,用于能够改革交通运输业的项目,包括插电式混合动力车、全电动汽车以及为新型汽车提供电力的基础设施和新型清洁燃料。美国目前没有一家电动汽车生产厂,先进电池生产能力几乎为零,先进电池和电动元器件生产厂只有两家。美国政府提出的目标是,到2015年,电动汽车生产厂要达到3家,有30家新型电池和其他电动汽车制造厂全部投入运营,并具备足够的先进电池生产能力,以便每年为50万辆插电式混合动力车提供动力。
政府也在建设相应的基础设施,以支持电动汽车的发展。目前美国的电动汽车充电站不足500家,到2015年,要在12个城市建设10000多家充电站。
智能电网美国府致力于发展智能电网,推动电网的现代化改造。智能电网的优点在于能够及时监测到断电的可能性,必要时更改供电线路。通过智能电网项目,可以降低用电成本,提高可靠性。智能电网还可以使可再生能源并入电网,为消费者提供更多选择,并控制他们的能源利用。《美国复苏与再投资法》有40亿美元的资金投入到智能电网建设上,这笔投入有望创造43000个新工作岗位。联邦府的资金投入可能会撬动私营部门57亿美元的投资,从而再创造 61000个新工作岗位。私营部门在智能电网项目上的配套资金将超过一倍,这些配套资金又可以创造 61000个新工作岗位。据估计,智能电网技术将使2030年的用电量减少4%以上,使美国企业和消费者每年节省 204亿美元的电费。
通过《美国复苏与再投资法》的资金支持以及产业界的投资,将为美国家庭安装1800万个智能电表,使目前使用的智能电表数量增加一倍多。有了这些智能电表,用户可以按月、周,甚至按小时来监测用电情况。到2013年,公共和私营投资支持安装的智能电表数量要达到2600万个;到2015年,智能电表有望达到4000万个。美国府还与产业界共同支持在电力传输系统中安装 877个传感器,以提高电力传输的可靠性和安全性。
清洁煤技术与核电奥巴马总统积极致力于发展碳捕获与封存技术,把它视为清洁能源经济的重要组成部分。美国希望在清洁煤技术领域领先于世界。通过《美国复苏与再投资法》以及贷款担保等措施,府向碳捕获与封存技术项目的投入达100亿美元,这笔投资至少可以撬动40亿的私人投资,使得清洁煤技术领域的公私投入总额超过140亿美元。这些投资将用于支持规模足够大的碳捕获设施,这些项目经过示范后,要能够重复,并在电力行业的商业实践中进行部署。
截至2009年1月,美国没有一家达到商业规模的电厂拥有大型碳捕获与封存设施,每年捕获的二氧化碳量微乎其微。美国府提出的目标是,到2015年,拥有大型碳捕获与封存设施的电厂要达到5家,每年捕获的二氧化碳要达到1200万吨以上。
核电作为清洁能源的优势获得了奥巴马府承认。美国是世界核电生产能力最强的国家,拥有 104座核电站,但自1979年三里岛事故以来没有再建设一座新的核电站。2010年2月,美国总统奥巴马宣布,将重启核电建设计划。美国府将提供80亿美元贷款担保,帮助建造两个核反应堆。到2011年,美国将为3—4个核反应堆建设提供贷款担保。奥巴马表示:“美国将建成一批设计新颖,更安全、更清洁的核电站。”
提高能效能效是发展清洁能源经济的关键。美国府强调要提高建筑物的能效,提高汽车能效和电器的能效。《美国复苏与再投资法》特别为美国家庭建筑能效的提高投入了大量资金,这是历史上绝无仅有的。根据该法案,美国府将为美国家庭用于提高能效的资金投入提供高达 30%的税收减免。美国能源部也启动了一项名为“改建强化”(RetrofitRamp-Up)的创新运动,支持一次性对各区进行整体改建。该运动将简化住宅改建流程,帮助美国家庭进行住房改建,降低改建的成本。该计划的另一目标是使能源效率成为一个公认的会准则。
美国府对商业和家用电器实施了更加严格的能效标准,包括微波炉、炉灶、洗碗机、电灯及其他常用电器。新能效标准的出台对常用电器的制造提出了能效要求。每个家庭和企业使用的电器都会受到影响,因而会使能耗显著减少。
1.埃克森美孚(Exxon Mobil,美国,炼油,年度销售收入3399.38亿美元)
2.沃尔玛(Wal-Mart Stores,美国,零售,年度销售收入3156.54亿美元)
3.皇家壳牌石油(Royal Dutch Shell,英国/荷兰,炼油,年度销售收入3067.31亿美元)
4.英国石油(BP,英国,炼油,年度销售收入2676.00亿美元)
5.通用汽车(General Motors,美国,汽车,年度销售收入1926.04亿美元)
6.雪佛龙(Chevron,美国,炼油,年度销售收入1894.81亿美元)
7.戴姆勒克莱斯勒(DaimlerChrysler,德国,汽车,年度销售收入1861.06亿美元)
8.丰田汽车(Toyota Motor,日本,汽车,年度销售收入1858.05亿美元)
9.福特汽车(Ford Motor,美国,汽车,年度销售收入1772.10亿美元)
10.康菲(ConocoPhillips,美国,炼油,年度销售收入1666.83亿美元)
埃克森美孚(372,824百万美元,500强排名第2)埃克森美孚(Exxon Mobil, NYSE:XOM)是全世界第一大型石油企业,其总部设于德克萨斯州。该公司前身分别为埃克森和美孚,于1999年11月30日合并重组。该公司也是艾克森、美孚及埃索全球分公司的母公司。此外,艾克森美孚与壳牌、BP(英国石油)及Total同为全球四大原油公司。
壳牌(355,782 百万美元,500强排名第3)壳牌由荷兰皇家石油与英国的壳牌两家公司合并组成。荷兰皇家石油于1890年创立,并获得荷兰女王特别授权,因此被命名为荷兰皇家石油公司。为了与当时最大的石油公司,美国的标准石油竞争,1907年荷兰皇家石油与英国的壳牌运输贸易有限公司合并。壳牌是所谓的七姊妹(Seven Sisters)之一,至今依然是石油、能源、化工和太阳能领域的重要竞争者。壳牌拥有五大核心业务,包括勘探和生产、天然气及电力、煤气化、化工和可再生能源。壳牌在全球140多个国家和地区拥有分公司或业务。
BP(291,438 百万美元,500强排名第4)BP由前英国石油、阿莫科、阿科和嘉实多等公司整合重组形成,是世界上最大的石油和石化集团公司之一。公司的主要业务是油气勘探开发;炼油;天然气销售和发电;油品零售和运输;以及石油化工产品生产和销售。此外,公司在太阳能发电方面的业务也在不断壮大。BP总部设在英国伦敦。公司目前的资产市值约为2000亿美元,拥有愈百万股东。BP近十一万员工遍布全世界,在百余个国家拥有生产和经营活动。
雪佛龙(210,783百万美元,500强排名第6)美国雪佛龙公司,美国第二大石油公司,公司业务遍及180多个国家,涉足于油气产业的每一个领域,其中包括勘探开采、炼油、销售和运输、化学产品的生产和销售,以及发电。
康菲(178,558百万美元,500强排名第10)康菲石油 (ConocoPhillips)是由美国康纳和石油公司(Conoco)和菲利普斯石油公司(Phillips)于2002年8月30日合并而成立。合并后的新公司承袭了原来两家公司在能源行业共200多年的丰富经验和在石油领域的优越技术,使之成为当今世界杰出公司之一。康菲石油是一家全球著名的国际一体化能源公司,主要从事石油、天然气勘探、生产、加工和营销,以及化工和塑料产品的生产和销售,是全美最大的能源公司之一。
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文/赵学良 中国石化发展计划部,当代石油石化
1美国氢能及燃料电池产业概况
美国能源局从1970年就开始布局燃料电池研发,并一直处于世界领先地位。燃料电池备用电源和燃料电池叉车已具备市场竞争力,处于商业推广阶段;燃料电池乘用车处于政府补贴商业推广阶段;燃料电池巴士、大型货车、商用车处于行车实验验证阶段。2018年美国被评为国际氢能经济和燃料电池伙伴计划IPHE(International Partnership for Hydrogen and Fuel Cells in the Economy,为2003年由18个国家和欧盟共同发起成立的国际合作组织)主席国。
美国参议院决议确定2018年10月8日为美国国家氢能与燃料电池第四个纪念日,“参议院第664号决议”给出如下13点理由:
1)氢原子质量为1.008,而且是宇宙中含量最丰富的化学物质;
2)美国是燃料电池和氢能技术开发和部署的世界领先者;
3)氢燃料电池在美国太空计划中发挥了重要作用,帮助美国完成了登陆月球的任务;
4)私营企业、联邦和州政府、国家实验室以及高等教育机构持续提高燃料电池和氢能技术,以解决美国最迫切的能源、环境和经济问题;
5)利用氢和富氢燃料发电的燃料电池是清洁、高效的技术,被用于固定电源和备用电源、以及零排放轻型 汽车 、公共 汽车 、工业车辆和便携式电源;
6)固定式燃料电池正投入到连续和备用电源的使用中,以便在电网停电时为商业和能源消费者提供可靠的电力;
7)与传统发电技术相比,固定式燃料电池有助于减少用水量;
8)燃料电池轻型 汽车 和使用氢气的公共 汽车 可以完全复制内燃机车的经验,包括行驶里程和加油时间;
9)氢燃料电池工业车辆正在美国各地的物流中心和仓库部署,并出口到欧洲和亚洲;
10)氢气是一种无毒气体,可以从各种国内可获得的传统和可再生资源中获取,包括太阳能、
风能、沼气以及美国丰富的天然气;
11)氢和燃料电池可以储存能量以帮助增强
电网,并使可再生能源的部署机会最大化;
12)美国每年生产和使用超过1100万吨的氢气;
13)工程和安全人员及标准专业人员就氢气的交付、处理和使用已经达成共识,并已制定出相关协议。
2美国发展氢能及燃料电池的初衷
美国参议院决议的理由充分说明,从国家层面而言,发展氢能及燃料电池具有降低二氧化碳排放、减少空气污染等清洁环保层面的意义,同时还具有降低燃油消耗、提高可再生能源利用率及电网可靠性等增加能源自给率、保障国家能源安全的优点。2014年美国发布《全面能源战略》,将“发展低碳技术、为清洁能源奠基”作为放眼长远的战略支点,并明确提出,氢能作为替代性能源将在交通业转型中起到引领作用。
2.1减少温室气体排放
由于氢燃料电池具有高效率和温室气体近零排放的特性,燃料电池系统能够在很多应用领域实现温室气体减排。美国能源部研究了燃料电池的温室气体减排潜力。燃料电池应用于热电联产系统时,相比传统热电联产系统可减少35%~50%的排放;燃料电池货车相比燃油货车可减少55%~90%的排放;燃料电池叉车相比柴油叉车或动力电池叉车可减少35%的排放;燃料电池巴士比内燃机巴士效率高40%;燃料电池备用电源相比柴油发电机可减少60%的排放。
美国能源部对比测算了不同能源介质运输工具的油井到车轮(WTW)温室气体排放情况。天然气制氢-氢燃料电池路线每英里排放二氧化碳200克,低于美国现有电网取电-电动 汽车 路线230克和传统燃油车450克的排放标准。配有二氧化碳封存的煤气化制氢-氢燃料电池路线每英里排放二氧化碳95克,生物质气化制氢-氢燃料电池路线每英里排放二氧化碳仅37克。
2.2减少燃油消耗
燃料电池提供了一种几乎不消耗石油的提供动力方式,且可覆盖美国大部分的石油消耗,如 汽车 、巴士、备用发电机和辅助发电机等。美国能源部的研究结果表明,氢燃料电池轻型 汽车 相比汽油内燃机 汽车 可降低95%的燃油消耗,相比混合动力车可降低85%的燃油消耗,相比插电式混合动力车可降低80%的燃油消耗。可以看出,相较大规模使用生物燃料、提高内燃机效率(ICEV包括使用混合动力 汽车 ),燃料电池车大规模应用后可以大幅减少国家的石油消费,到2050年燃油消耗量将降到目前的40%左右。
2.3提高电网可靠性、最大程度部署可再生能源
美国能源部预估光伏和风电的建设成本将大幅下降,“太阳计划2030”(SUNSHOT2030)设定的目标是2030年光伏电站成本为3美分/千瓦时,2018年美国陆上风电成本已低至2.9美分/千瓦时。光伏和风电将得到迅速普及,预计到2050年风能装机容量将达到404吉瓦,装机容量占总容量的35%;光伏装机容量将达到632吉瓦,发电量占总发电量的19%。
根据国际能源署发布的研究报告《GettingWindandSunontotheGrid》,当电网中间歇性可再生能源(以风电、光伏为主)的比例超过15%时,就必须配置相应的储能设施。另外由于可再生能源的生产水平在不同时间段、不同季节之间存在显著差异,例如欧洲的太阳能发电在冬季比夏季低60%左右,但电力需求却增加40%,也需要配置大规模、长时间的储能设施才能提高可再生能源的利用小时数,减少“弃风”“弃光”。
丰田、通用、奔驰、林德等企业组成的氢能理事会研究表明,氢能是大规模储存电能的一种重要选择:相比超级电容、压缩空气、电池、飞轮储能、抽水蓄能,氢能更适合长期大量储存能量。当需要大规模储能时可以液氢或者氢化物的形式存储于地下盐穴,估计每个兆瓦时的成本在50~150美元之间,与受地质条件限制较大的抽水蓄能相当,显著低于其他的能量存储方式。
2.4高能源转化效率
燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能,效率非常高且不需要燃烧。氢燃料电池 汽车 的能量转化效率约60%,大约是汽油内燃机的两倍。
燃料电池用于固定电源,用天然气或丙烷发电效率大致为45%;如果将透平系统与高温燃料电池组合,发电效率可达到70%,结合热电联产系统效率可达80%,相比传统煤电、天然气发电45%~50%的综合效率提高35%~40%。
2.5降低污染物排放
美国能源部的研究课题表明,燃料电池发电系统比燃煤、燃气发电系统少排放75%~90%的氮氧化物、75%~80%的颗粒物(PM)。
2.6 H2@Scale计划
H2@Scale是美国能源部(DOE)的一项倡议,将利益相关者聚集在一起,促进可负担得起的氢气生产、运输、储存和利用,增加多个能源部门的收入。通过政府资助将国家实验室和工业界以项目形式整合在一起共同合作,以加快适用氢技术的早期研究、开发和示范。H2@Scale联盟促进了工业界和学术界合作,利用国家实验室世界级的研发能力,依赖私营部门进行至关重要的示范。
通过示范使尖端技术集成到现有系统中、验证未来部署的商业可行性,并指导未来的研发计划。美国目前生产超过1100万吨氢气,占全球供应量的1/6,主要用于炼油和化肥工业。大型基础设施包括超过1600英里的氢气管道、不断增长的加氢站和数千吨的地下储存洞穴。H2@Scale计划中氢能的地位与日本的氢能战略类似,把氢能作为一种重要的二次能源,氢能与电能之间可以相互转化。通过利用电解槽在发电量超过负荷时生产氢气,可以减少可再生能源的浪费,并有助于电网的稳定。从现有基本负荷(如核能)中产生的氢气也可以储存、分配,并用作多种用途的燃料。这些应用包括运输、固定动力、工艺或建筑用热,以及工业部门,如钢铁制造、氨生产和石油炼制。
3燃料电池商业化推广现状
截至2017年,在世界范围内共有超过70000台、共计650兆瓦燃料电池处于商业运行状态,其中移动领域应用占比接近70%,非移动领域应用占比30%,相关营收超过20亿美元。
截至2018年10月,美国共出售或者租赁超过6200辆燃料电池乘用车,包括丰田Mirai、本田Clarity、现代Tucson;建成39个加氢站;商业应用超过23000辆燃料电池叉车;商业化普及超过240兆瓦燃料电池备用电源,遍及美国40个州;FedEx、UPS在试用燃料电池快递车;多家公司试验运行共33辆燃料电池巴士,其中最长行驶里程已经超过50万公里。
3.1燃料电池备用电源应用现状
截至2017年底,据美国DOE统计数据显示,全美共销售8400套燃料电池备用电源,其中900套获得美国DOE经费支持,其他7500套未获支持。燃料电池将天然气转换成电能供大型超市、数据中心、生产企业及其他工商设施使用,能源转化效率从传统发电的30%~40%提高到60%~65%,加上热能利用可达90%,极大地减少了污染物排放,同时还减排二氧化碳。相较美国某些州的电网供电电费,使用燃料电池供电可节省一部分费用。
BloomEnergy是美国燃料电池发电的领军企业,其燃料电池成本2016年第一季度为5086美元/千瓦时,2018年第一季度降至3855美元/千瓦时;而其安装成本也从同期的1280美元/千瓦时降至526美元/千瓦时。
家得宝2014年在加利福尼亚试用安装第一套200千瓦的燃料电池备用电源。验证了其经济性后,到2016年底为其140家连锁超市都安装了燃料电池系统,并准备将全部170家店都安装上燃料电池备用电源。家得宝的首席财务官CarolTome曾披露:“使用燃料电池发电比从电网取电节省15%~20%的费用,同时减排大量二氧化碳。”
沃尔玛在加利福尼亚、新泽西的60家超市安装了燃料电池备用电源,用电规模按其单店用电量40%~60%确定,保障在电网断电时冷柜、照明系统、收款机可继续工作,不至于致使食物腐败,并在恶劣天气情况下继续为顾客服务,且使用燃料电池供电价格低于从电网取电价格。
Johnson&Johnson于2015年安装了1台500千瓦BloomEnergy燃料电池电源,经其测算20年的运转周期将总共节省1000万美元的费用,每年减排130万磅二氧化碳;Medtronic公司的报告显示,其安装的400千瓦燃料电池电源每年可节省电费230万美元,每年减排100万磅二氧化碳;Ratkovich公司的报告显示,其安装的500千瓦燃料电池电源每年可节省电费20万美元;JuniperNetworks公司的报告显示,其安装的1兆瓦燃料电池电源配合300千瓦太阳能电池每年可节省电费12万美元,每年减排270万磅二氧化碳。
3.2燃料电池叉车推广情况
据美国能源部2016年5月统计显示,2008年美国氢燃料电池叉车数量在500辆左右,到2016年,美国26个州的氢燃料电池叉车数量已经超过11000辆,年复合增速高达56%。而截至2017年底,统计数据显示全美共销售21838台燃料电池叉车,其中713台获得美国DOE经费支持,其他21125台并未获得DOE经费支持。713台燃料电池叉车共获得DOE970万美元经费支持。
目前在美国使用燃料电池叉车的公司包括但不限于亚马逊、宜家、宝马、可口可乐、奔驰、尼桑、联邦快递及一批食品公司,仅沃尔玛在其北美的19个配送中心就配备了3000辆燃料电池叉车。PlugPower、NuveraFuelCells和OorjaProtonics,Hydrogenics及H2Logic提供了绝大多数的燃料电池叉车。
亚马逊在2014年采购了535辆氢燃料电池叉车,在证明其成本效益的合理性后,于2017年4月收购了美国燃料电池制造商PlugPower23%的股权。除此之外,亚马逊为其11个大型仓库配备氢燃料电池叉车。2021年1月,电池巨头SK集团与旗下天然气子公司SKE&S各出资8000亿韩元,共约合13亿美元,收购PlugPower9.9%的股份。短短几年间PlugPower公司市值升值50倍。
相较内燃机叉车,氢燃料电池叉车没有任何污染物排放,因此广受食品工业青睐,更多被用于室内作业。相较电池叉车,氢燃料电池叉车可节省充电的时间和空间,并在整个轮班期间全功率运行,在冷藏仓库环境中运行时不会出现任何电压骤降的情况,从而提高运营效率和节省成本。
美国国家实验室(NREL)对动力电池叉车和燃料电池叉车的总运行成本进行了评估,包括电池和燃料电池系统的购置成本、支持基础设施的成本、维护成本、仓库空间成本和劳动力成本。考虑到所有这些成本,NREL发现燃料电池叉车的总体拥有成本比同类动力电池叉车要低。
燃料电池叉车的样本约60台,每天工作2~3班,每周6~7天。NREL发现,对于用于多班作业的Ⅰ类和Ⅱ类叉车,燃料电池可将总体拥有成本降低10%,从每辆叉车每年19700美元降至每辆叉车每年17800美元。三级叉车的拥有成本可降低5%,从每年12400美元降至每年11700美元。NREL的评估仅限于考虑电池和燃料电池叉车的拥有和运行成本,未评估燃料电池叉车提高生产力的潜在效益。
通过NRTL的敏感性分析,只要燃料电池叉车车队的数量足够大(敏感性分析中燃料电池叉车台数为30~100台)、多班次工作,燃料电池叉车的总操作费用会低于动力电池叉车。PLUGPOWER公司测算,对于拥有超过90辆二级叉车的客户,5年预计节省成本超过40万美元。
PLUGPOWER公司建设的加氢设施主要配合燃料电池叉车使用,建设在配送中心、工厂等厂房内,加注压力350千克,操作温度0~40 ,加注1台叉车耗时1分钟,与美国、日本通常建设的车用加氢设施有所区别。
3.3燃料电池乘用车及加氢站情况普及情况
美国的加氢站主要集中在加州地区和美国东北部地区,东北部地区项目由美国液化空气集团和丰田公司推动和主导,加州地区参与建设加氢站的企业包括空气产品公司、Shell、Linde、丰田、本田等公司。全美目前已投运加氢站39座,计划到2025年建成200座,2030年建成1000座。
截至2018年底,在美共销售Mirai、Clarity、TucsonFuelCellSUV共计6200辆。除丰田、本田、现代已有燃料电池车商业化推广外,奔驰最新推出了GLCF–Cell燃料电池车,宝马、奥迪、通用等企业也有燃料电池合作研发计划。
3.4燃料电池巴士试验运行结果
DOE于2012年制定的2016年燃料电池巴士技术预期指标及终极目标见表1。33辆试验运行的燃料电池巴士中,ACTransit公司的13辆由UTCPOWER公司提供燃料电池系统,Sunline、UCI、OTCA、MBTA、SARTA公司的12辆由Ballard公司提供燃料电池系统。根据统计,截至2018年2月28日,最好的1辆车运行总时长超过27330小时,超过DOE终极目标;12辆ACTransit运营车辆平均运行时长19000小时,达到了2016年预期目标值。ACTransit公司车辆从2006年开始逐步投入试验,试验结果基本达到预期;Sunline、UCI、OTCA、MBTA、SARTA等公司从2015年逐步投入车辆试验运行,周期较短,未达到验证燃料电池寿命的时限。
3.5燃料电池货车及商用车测试情况
丰田2017年推出第一代燃料电池卡车Alpha,在长滩和洛杉矶港口进行了近1万英里的测试和拖曳操作;2018年8月推出了第二代燃料电池卡车Beta,续航增加50%。Kenworth、Scania、Asko等传统卡车制造商在DOE、挪威政府科研资助下开展了氢燃料电池卡车的研发。PowerCell是一家低温质子交换膜电堆开发、制造及零售商,开发和生产世界顶级能量密度的固定和移动应用的燃料电堆,开发的100千瓦S3燃料电池供欧洲运输企业制造燃料电池卡车。Nikola为美国电动 汽车 制造商,宣称其制造的燃料电池卡车2020年正式上路测试,2022年正式上市销售,单价40万美元;通过其官方推特宣称已获得80亿美元的预订单,并计划与挪威NelHydrogen公司合作,2018年开始在全美陆续建设364个加氢站,并在2019年末陆续向公众开放,到2028年将累计达到700座。FedEx和UPS都在DOE的资助下开展燃料电池快递车辆运行试验。
4结论
1)美国高度重视氢能及燃料电池产业的发展,视氢能为未来不可或缺的、仅次于电能的重要二次能源,在未来的工业、交通运输、电网储能、供热发电等领域都将占有相当的比重。
2)美国在燃料电池领域开展了长期、深入、全面的技术研发以及工业验证实验。美国从20世纪70年代就开展了氢能相关领域的研究工作,在制氢、储氢、输氢、燃料电池、储能、相关安全环保事项、相关标准等领域技术储备雄厚。在燃料电池发电、燃料电池叉车、燃料电池商用车、燃料电池巴士、燃料电池载重货车等领域进行了长期的工业验证实验。
3)美国商业化推广燃料电池态度是积极的,方式是慎重而稳妥的。在有充分的技术储备后,美国政府仅利用少量的补贴进行了市场引导用于商业初期验证实验,实践证明这部分技术已经具备市场竞争力,有望看到未来美国在燃料电池领域取得更长足的进步,获得更多更广泛的应用。
4)燃料电池技术是保障国家能源安全重要的技术手段。氢能可有效整合多种化石能源和可再生能源,加大可再生能源部署、提高能源自给率、有效降低原油消耗,为 社会 提供一种环保、高效的能源,对保障国家能源安全具有重要意义。
5)氢能是可以安全部署和利用的。几万台氢燃料电池叉车十几年的安全运行经验,十几台氢燃料电池巴士上百万公里的运行试验,证明了氢气是可以被安全、高效利用的。
6)固定地点或固定线路、高运营负荷的的燃料电池应用场景更适用于氢能产业的初步推广。对比美国和日本的实践,美国的模式是1个加氢站服务1个物流中心数十台、数百台燃料电池叉车,制氢售氢企业和燃料电池用户的初始投资不高,而数十台满负荷运行的燃料电池叉车就可以平衡1个35兆帕加氢站的投资收益,制氢售氢企业和燃料电池应用企业的投资回报合理,产品在没有补贴的情况下得到迅速推广;而日本在本州岛大量建设加氢站,由于初期氢燃料电池乘用车售价较高、数量不足,平均每个站1天只服务几台车,制氢售氢企业处于全面亏损状态,同时由于加氢站的密度不够、使用不便,用户没有经济收益,一般用户也不愿意选择氢燃料电池乘用车替代燃油乘用车。燃料电池乘用车的继续推广需要制氢售氢企业坚定战略方向,等待燃料电池成本下降,燃料电池乘用车得到普及。
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