美国用什么发电

18.91%

美国在核能发电使用上占比较高，总量达到7781.52亿千瓦时，占比18.91%。

美国是按照燃料的种类来分类，比如煤炭、燃油、木材燃烧、天然气等等。

截止2021年从总发电量来看，中国大约是美国的两倍。中国在清洁能源上的利用相对少些，尤其是在核能发电上，中国只有美国的一半。

一、发电频率不同

美国发出电的频率是60HZ；我国发出电的频率是50HZ。

二、民用电压不同

美国民用电是110伏；而我们民用电是220伏。

三、电力市场方面不同

中国只有两家utilities国家电网和南方电网，高度垄断；而美国的电力公司多如牛毛，用户可以轻易的选择自己喜欢的价格低廉的电力公司。所以说美国的电力市场才是真正竞争性的电力市场。

四、应用的电塔不同

美国有的地方应用了新型高压输电塔，占地范围更小；而中国基本都是普通的高压铁塔。

五、发电能源不同

美国形成了三大电网体系：东部、西部和德克萨斯三大电网体系。东部以煤炭和天然气发电为主；西部以水电装机为主；德克萨斯以天然气发电，形成了区域的独立小电网。

中国能源资源禀赋形成大一统电网，中国煤炭资源丰富，所以主要是以电力发电为主。

背景

如今，我们身边的各种电子产品，例如智能手机、笔记本电脑、可穿戴设备等，几乎都离不开电池供电。然而，电池却存在着使用寿命有限、续航能力有限、需要反复充电、安全隐患等问题。因此，电池也成为了影响现代电子产品性能与用户体验的关键因素之一。

为此，科学家们一直在积极研发让电子产品摆脱电池的新型供电方案。之前，笔者也为大家介绍过许多这方面的案例。接下来，让我们先来看几个经典案例：

（一）美国华盛顿大学发明的全球首款无需电池的手机，能从周围环境中的无线电信号或者光线中获取几微瓦的能量，保证正常手机通话。

（二）美国哈佛大学维斯生物启发工程研究所和约翰·保尔森工程和应用科学学院的科研人员团队创造出一种无需电池的折纸机器人，它能够通过磁场，无线地提供能量和进行控制，展开可重复的复杂运动。

（三）中国科学院、重庆大学、美国佐治亚理工学院、台湾 科技 大学等机构的科研人员组成的团队，在中华传统剪纸艺术启发下，开发出一种轻量的、剪纸式样的摩擦电纳米发电机（TENG），能采集人体运动的能量，为电子产品供电。

（四）美国密歇根州立大学的科研人员开发出由铁电驻极体纳米发电机（FENG）组成的柔性设备，让电子设备直接从人体运动中采集能量。

创新

今天，笔者要为大家介绍一项让电子产品摆脱电池的新科研进展。

近日，美国麻省理工学院联合其他科研机构（马德里理工大学、美国陆军研究实验室、马德里卡洛斯三世大学、波士顿大学、南加利福尼亚大学）开发首个能将WiFi信号的能量转化为电力的完全柔性设备，它可以为电子产品供电。

能将交流变化的电磁波转化为直流电的设备被成为“整流天线”。在《自然（Nature）》期刊上发表的论文中，研究人员们演示了一种新型整流天线。

技术

该整流天线采用了一个柔性射频（RF）天线，以交流变化的波形捕捉电磁波（包括携带WiFi信号的那些）。然后，这个天线被连接至一个由仅为几个原子厚度的“二维半导体”制成的新型器件。这种交流信号传送到半导体中，被半导体转化为直流电压，而直流电压可用于为电子电路供电或者为电池充电。

通过这种方式，无需电池的设备被动地捕捉无处不在的WiFi信号，并将其转化为有用的直流电源。更进一步说，该设备是柔性的，并能通过“卷对卷（roll-to-roll ）“工艺制备，从而可以覆盖非常大的面积。

所有的整流天线都依赖一个称为“整流器”的元件，这个元件将交流输入信号转化为直流电源。传统的整流天线将硅或者砷化镓用于整流器。这些材料可以覆盖WiFi频段，可惜它们是刚性的。尽管采用这些材料制造小型器件相对便宜，但用它们覆盖大面积，例如建筑物与墙壁的表面，成本过高。长期以来，研究人员们一直在尝试解决这些问题。但是目前所报告的柔性天线很少工作在低频率下，并且无法捕捉与转化千兆赫频率的信号，然而大多数相关的手机和WiFi信号都处于这个频率。

为了构造他们的整流器，研究人员们采用了一种称为“二硫化钼（MoS2）”的新型二维材料。它只有三个原子的厚度，是全球最薄的半导体之一。MoS2 可用于构造柔性的半导体元器件，例如处理器。

这么做时，团队利用了二硫化钼的一种“奇特”行为：当接触特定的化学物质时，材料的原子会重新排列，表现得如同开关一样，产生一种从半导体到金属材料的相变。这种结构也称为“肖特基二极管”，它是利用金属与半导体接触形成的“半导体-金属结”原理制作的。

论文第一作者、电子工程与计算机博士后 Xu Zhang（不久将成为卡耐基梅隆大学的助理教授）表示：“通过将 MoS2 设计成二维的半导体-金属结，我们构建出了原子薄度、超高速的肖特基二极管，它可以同步减少串联电阻与寄生电容。”

在电子器件中，寄生电容是一种不可避免的情况。这种情况下，特定的材料存储少量的电荷，将使电路速度变慢。因此，寄生电容越低，整流器速度就越快，运行频率也越高。研究人员们设计的肖特基二极管中的寄生电容，比目前最先进的柔性整流器中的寄生电容，要小一个数量级。因此，这种二极管的信号转化速度更快，可采集并转化10GHz的无线信号。

Zhang 表示：“这种设计将带来一种完全柔性的设备，它快到可覆盖我们日常使用的电子器件的大多数射频频段，例如WiFi、蓝牙、蜂窝LTE等。”

研究人员所报告的工作，为将WiFi转化为电力的其他柔性设备提供了蓝图，这些柔性设备具备足够大的输出和效率。根据WiFi输入信号的输入功率，目前设备的最大输出效率约为40%。在典型的WiFi功率等级下，MoS2 整流器的能量效率约为30%。相比而言，目前最佳的硅和砷化镓整流天线（由更加昂贵的刚性材料硅和砷化镓制成）实现了差不多50%到60%的效率。

价值

论文合著者之一、麻省理工学院微系统技术实验室的 MIT/MTL 石墨烯器件与二维系统研究中心主任 Tomás Palacios 表示：“假如我们开发出的电子系统，能够环绕大桥，或者覆盖整个公路，或者覆盖办公室墙壁，并将电子智能带给我们周围的每个物体，那将会如何？你如何为这些电子产品供电？我们提出了一种新办法来为这些未来的电子系统供电，通过一种可简单大面积集成的方式采集WiFi的能量，为我们身边的每个物体带来智能。”

科学家们提出的这种整流天线的早期应用包括为柔性与可穿戴设备、医疗设备、“物联网”传感器供电。例如，对于主要的技术公司来说，柔性智能手机将是一个热门的新市场。在实验中，当研究人员们将器件放置到典型的WiFi信号功率级别（150微瓦左右）的环境中，它可以产生出40微瓦的功率。这个功率足以点亮一个简单的移动显示屏，或者为硅芯片提供电力。

论文合著者之一、马德里理工大学的研究员 Jesús Grajal 表示，另外一个可能的方案就是为植入式医疗设备的数据通信供电。例如，研究人员们正在开始开发能被患者吞服的药丸，并将 健康 数据发回给计算机诊断。

Grajal 表示：“理想情况下，你不会想用电池来为这些系统供电，因为如果电池泄露锂，那么患者可能会死亡。从环境中采集能量，为体内的这些小型实验室以及与外部计算机的数据通信提供电力，具有明显的优势。”

目前，团队正在计划打造更加复杂的系统并提升效率。

参考资料

【1】http://news.mit.edu/2019/converting-wi-fi-signals-electricity-0128

【2】Xu Zhang, Jesús Grajal, Jose Luis Vazquez-Roy, Ujwal Radhakrishna, Xiaoxue Wang, Winston Chern, Lin Zhou, Yuxuan Lin, Pin-Chun Shen, Xiang Ji, Xi Ling, Ahmad Zubair, Yuhao Zhang, Han Wang, Madan Dubey, Jing Kong, Mildred Dresselhaus and Tomás Palacios. Two-dimensional MoS2-enabled flexible rectenna for Wi-Fi-band wireless energy harvesting . Nature, 2019 DOI: 10.1038/s41586-019-0892-1

属于工业的公用事业主要包括电力或暖气、天然气或自来水供应。公用事业与制造业具有明显区别，比如，公用事业的竞争程度相对制造业要弱的多，公用事业几乎很少进行国际贸易，公用事业具有一定的垄断供应特点。这些因素导致美国的公用事业并不完全是私有企业，还有一部分是国有企业。以下以美国的电力供应为例，介绍美国的公用事业。

美国发电量一直是世界第一，大规模的商业用电起源于美国，这是第二次工业革命的标志。2010年，中美两国总发电量分别为42065亿千瓦时（1千瓦时等于1度电）和43259亿千瓦时，占世界发电量的比重分别为19.7%和20.3%，中国发电量略低于美国。不过，2011年美国发电量已经被中国超过，这很有可能就是一个不可逆的过程，中国将接替美国长期成为未来发电量第一的国家。按照人口规模，中国未来发电量还有很大的增长空间，发电量可以是未来或现在美国发电量的几倍，有可能最终达到3倍左右，达到美国的两倍是容易实现的。

中国电力装机容量在2012年超过美国，2011年中国电力装机容量（功率）已经超过10亿千瓦，2012年近11亿千瓦。美国在2008年就达到10.1亿千瓦，美国近期每年电力装机容量增加1300多万千瓦，相对中国每年新增9000多万千瓦的规模要小许多。并不是美国不能装机那么多发电机，而是美国电力市场增加幅度没有那么多，美国装机增量由电力市场需求增量决定。电力装机周期一般为几年时间，这意味着电力装机难以迅速适应市场变化，意味着电力装机增量与经济周期不一致。美国每年人口增长约1%，近期每年安装的1300万千瓦的发电装机容量，主要是由于人口增长对电力的需求增长所致，按照美国10亿千瓦的装机规模，仅仅由于人口增长，就需要1000万千瓦的装机容量。如果人口不增长，虽然美国人口更多的直接使用二次能源——电力能源，由于节能技术的进步，电力的需求增长率是很低的，每年只需增加几百万千瓦的电力装机容量。

1902年美国发电量60亿千瓦时，1912年美国发电量为248亿千瓦时，1917年为434亿，1920年为566亿，1926年942亿。1930年为1146亿，1933年为1027亿，发电量的下降，显示经济大萧条的影响，只是大萧条对电力的影响没有对 汽车 生产的影响大，大萧条导致 汽车 产量下降一半多，这说明 汽车 更具有奢侈品的特点。电力消费确实是新兴的东西，在稳步增长。

美国发电量1936年为1360亿千瓦时，1942年为2331亿，1945年为2712亿。1949年2961亿千瓦时，1952年迅速增长到4038亿千瓦时，1956年为6039亿千瓦时，1960年为7592亿，1970年为15351亿，1976年为20409亿，1988年为27074亿，1995年为33535亿，2002年为38585亿，2004年为39706亿。由于时间间隔太大，从这些数据中，看不出石油危机的影响。不过，美国的电力消费始终在蓬勃发展，通过这些数据是可以产生这样的感觉的。这显示了电力与 汽车 的重要区别，美国的 汽车 消费就可以达到顶峰，并且 会停滞 。而电力消费却是一直增长，这主要是由于人们对一次能源的消费增长减少，而转移到了二次能源的电力消费。比如，电器的进一步普及，淘汰了许多一次能源的消费。人们做饭，有时就直接使用电力，像微波炉、电磁炉、电饭煲等做饭电器的普及，淘汰了部分天然气或煤炭的使用。这是美国等发达国家的能源利用趋势，一次性能源的直接使用大幅度减少，逐渐更多的是把一次性能源转变成二次性能源的电力进行使用。

发达国家现在人均消耗的能源已经开始停滞，但是人均消耗的电力却依然在逐渐增长。发达国家电力使用结构与中国大不一样，中国主要使用到工业领域，生活用电或服务业用电不大，而发达国家主要是生活用电和服务业用电，当然工业用电也不少，属于三足鼎立局面。

美国发电量2007年为41568亿千瓦时，2008年为41103亿，2009年为39531亿，2010年为43259亿千瓦时，我们可以清楚的看到2008年金融危机对美国用电量的影响，影响确实不算大。美国的用电量还会逐渐增长，这说明电的作用还会越来越大。第二次工业革命的标志——电，依然在继续加大着影响。

美国近期（2011年）的电力结构大致如此；大约50%的电力来自煤炭发电，核能发电占美国电力供给的20%，天然气发电占的比例大约是18%，水力发电大约占7%，石油残渣发电占1%，生物质（木材废料、秸秆等）发电约占美国发电量的1%，风力发电约占1%，地热发电量不到1%，太阳能发电大约占1%。中国也是以煤炭发电为主，只是占的比例更大一些，中国核能发电占比较低，天然气发电占比也不高，而水力发电占比明显比美国高。但是近期形势似乎在改变，包括中国在内的许多国家更加注重清洁能源与可持续能源，比如，中国也开始了大量使用生物质发电的行动，让农业废弃物有了用武之地。

人类发展核电的热情主要在20世纪70或80年代，主要是石油危机产生所致，幸运的是中国没有赶上这个热潮。中国核电姗姗来迟，进入21世纪，核电热情在发达国家已经退去，在中国似乎要蓬勃发展。谁知日本福岛核电站事故给中国核电热情泼了冷水，这也许是中国的幸运。事实上美国一些地区也打算关闭核电站，比如田纳西河地区。随着美国页岩气的大规模开采，天然气发电比例会逐渐增加，长时间积累，天然气发电比例会有明显的增加。

中国现在已经是世界最大的风力发电装机大国，只是风力发电量还低于美国，风力发电效率不如美国。中国计划2030年风力发电装机达到2亿多千瓦，相当于现在中国电力装机的20%多，相当于那时装机的10%附近，由于风力发电效率没有火力发电高，按照火力发电效率的一半计算，发电量可能会占那时总发电量的5%左右。美国未来风力装机也可能会达到2亿千瓦，达到一亿千瓦是很有可能的，风力发电量将占美国当时的5%附近。

太阳能发电前途无量，难以估测，就是按照现在的技术水平，太阳能发电量也将有大幅度增长。在现在的 科技 水平下，意味着人类能源危机已经子虚乌有，属于自我恐吓。如果太阳能发电技术获得重大突破，将会产生一系列戏剧性变化，什么都会变成浮云，人类将获得可持续性的廉价能源，那时的煤炭将逐渐退出 历史 舞台。

人类的能源努力从来不是孤注一掷的，是全方位的能源供给 探索 ，结果常常会出乎意料，不知道会在哪里有重大突破，页岩气就是典范一例。人类还在尝试可控核聚变能源的供应，如果这个技术获得重大突破，也将把人类带入可持续能源时代。当然可控核聚变在未来的航天领域，将发挥出重大价值，满足人类的航天梦。未来很有可能是可控核聚变与太阳能技术都获得重大突破，都可以单独让人类进入可持续能源利用时代，核聚变会多用在航天领域，而太阳能发电更多用于民间。

20世纪70年代末，美国电力行业仍是传统的公用事业，电价依照成本加毛利核定，新建电厂运营效率低，成本一直居高不下。80年代后，联邦和各州政府开始逐步放松管制，通过有效的竞争使电价下降，为消费者带来福利。市场组织也从发输配售垂直一体化演变为厂网分离，现在美国的电力市场化模式是发电领域和售电领域市场化，输电领域共用化。美国电力产品不同环节的价格大部分通过竞争确定，只有输电价格由政府法律确定。这其实也是中国电力改革的方向，比如现在中国也开始实行发电厂竞价上网。

政府管制的放松促使电力领域竞争增强，进而促使电力暴利终结。电力企业盈利减少，导致股价下跌，到现在，电力公司市场价值已经累计下跌1900亿美元。员工的收入与公司绩效直接挂钩，虽然平均收入下降，逐渐与其他雇员收入趋同，但是工作积极性有所提高，部分电力企业也在新的环境中取得成功。

在发电的环保方面，以前，美国相对中国环保投入成本或环保技术水平要高的多，这主要体现在煤炭除硫或烟气除硫方面，以及尽量选择低硫煤炭发电。现在中国在这个领域已经赶上美国水平。不知道中国火电厂在烟气除硫方面，能不能尽职尽责，现在中国在烟气除硫设备方面已经不低于美国了。

发电效益或效率可以体现在发电标准煤耗方面，美国是不高的。中国2011年达到329克/千瓦时，这比以前下降了许多，这主要是由于中国每年新增大型发电机较多所致，大型火力发电机相对小型火力发电机，不仅效率高（工作人员人均发电多），而且发电的标准能耗少。2007年美国发电标准煤耗为360克每千瓦时，这明显比中国2007年的334克/千瓦时低，这显示了中国的后发优势，毕竟，中国可以选择先进的发电设备或大规模的发电设备，而美国是多年前建设的火电厂，那时的发电设备或单机规模自然不如现在。中国是用电大国，可以建设大型发电机组，实现发电领域的高效运行，这也算是大国的优势之一。

上海外高桥第三发电公司，2010年的供电煤耗降至279.39克/千瓦时，再度刷新了由该电厂在上一年保持的282克/千瓦时的世界最低纪录。2010年最高的是陕西榆林银河发电公司386克标准煤/千瓦时。二者悬殊如此之大，这也显示中国火电厂煤耗还有较大的下降空间。

中国2011年火电厂用电率6.22%，美国的电厂用电率在4.8%，不知道美国的火电厂用电率是多少，中国在这个方面可能不占优势。2011年，中国线路损失率降至6.37%，低于2007年的英国（7.4%）、澳大利亚（7.5%）、俄罗斯（11.95%），接近2007年美国（6.38%）水平。俄罗斯应该是人口稀少导致线损率较高。笔者认真看了一些中国的发电领域数据，几乎可以与美国比肩了，中国劳动力价格远比美国低，不知道为什么中国电价却并不明显低。

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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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