編譯 | 楊玉科

編輯 | 李國政

出品 | 幫寧工作室（gbngzs）

它時而被贊譽為“魔力”解決方案，時而被嘲笑為無法企及的“烏托邦”，時而又被擁抱為“地球保護計劃”。

它就是氫能。因排放物只有水，幾十年來，氫能一直被標榜為近乎奇跡的燃料?？苹眯≌f之父儒勒·凡爾納（Jules Verne）在他1874年的小說《神秘島》中描述道，有朝一日“水將被用作燃料”，氫和氧將“提供取之不竭的熱和光來源”。

近150年后的今天，氫能的應用不再局限于科幻小說中。不過，盡管氫能的生產(chǎn)過程涉及的化學反應很簡單，但它能否成為改變社會的能源仍是未知數(shù)。

作為一種豐富且無污染的能源，氫能被許多人認為在交通及其他領域擁有誘人的潛力。經(jīng)過幾十年的試點項目和零星部署，氫能似乎接近經(jīng)濟可行性和廣泛使用的邊緣。

如今，由于氣候變化和地緣政治不穩(wěn)定，氫能的高光時刻似乎終于到來。面對氣候變化這一全球性挑戰(zhàn)，以及人們對能源獨立日益強烈渴望的雙重刺激下，各國政府和跨國公司開始投入數(shù)十億美元，希望開創(chuàng)一個氫能源時代。

▍能源危機推動氫能研究

博世燃料電池工程經(jīng)理馬特·所林頓（Matt Thorington）表示:“終于要發(fā)生了?！钡?030年，博世將在氫能生產(chǎn)技術上投資至多5.91億美元。

根據(jù)美國環(huán)保署的數(shù)據(jù)，交通運輸業(yè)占美國溫室氣體排放的27%，比其他任何行業(yè)都多。美國對抗交通運輸領域碳排放的主要努力，集中在純電動汽車和政府支持的電動汽車生態(tài)系統(tǒng)上。

但這也許還不夠。

安永會計師事務所（Ernst & Young）全球移動出行分析師克里斯汀·林蘭（Kristin Ringland）認為，在有些領域，電池可能不是最好的選擇。

盡管目前還沒有達成共識，但越來越多的行業(yè)分析師和科學家認為，要在2050年實現(xiàn)零排放的目標，交通運輸業(yè)將需要純電動汽車和氫動力汽車。

作為洛斯阿拉莫斯國家實驗室的項目經(jīng)理，羅德·伯魯普（Rod Borup）表示：“我們認為，沒必要非此即彼，我們希望它‘共存’?！?/p>

許多汽車行業(yè)氫能和燃料電池的努力都始于洛斯阿拉莫斯，這個實驗室因氫彈的開發(fā)而聲名鵲起，博魯普現(xiàn)在負責該實驗室運行時間最長的非武器項目。

1973、1974年，石油輸出國組織禁止向部分國家出口石油并削減石油產(chǎn)量，美國遭受經(jīng)濟沖擊，汽油極度匱乏，對氫能的努力自此開始。

1977年，聯(lián)邦法律設立美國能源部，部分原因就是為了應對那次能源危機。各種不同的研究項目進入了國家實驗室的權限范圍，在洛斯阿拉莫斯實驗室，當年從亞利桑那大學畢業(yè)3年的年輕科學家拜倫·麥考密克（Byron McCormick）建立了氫能和燃料電池技術實驗室。

這是一個偶然天成的時機。美國能源部對太陽能、風能、先進電池和燃料電池進行了研究。雖然花了幾十年的精力，但換來了這些技術的成熟?，F(xiàn)年76歲的麥考密克說:“所有這些都是從上世紀70年代就開始啟動了。如果不是石油禁運，這些研究可能不會開展?！?/p>

麥考密克后來成為通用汽車的高管，在那里建立了通用汽車的全球替代驅(qū)動中心（Global Alternative Propulsion Center），專注于氫能和燃料電池技術，直到2009年退休。

他的工作開始生根發(fā)芽。2021年6月，通用汽車啟動了一項350億美元的投資，反映了雙重碳減排戰(zhàn)略。該公司正在推出一個完整的純電動乘用車和商用車系列。同時這筆資金還支持通用Hydrotec系統(tǒng)用于卡車、火車和飛機的燃料電池的開發(fā)。

▍從卡車開始

行業(yè)專家認為，鐵路和航運是氫燃料電池的最佳選擇，但在地面交通中，氫能適合哪個領域還不太確定。

預計長途卡車運輸具有潛力。根據(jù)美國環(huán)保署的數(shù)據(jù)，中型和重型卡車消耗了美國26%的運輸燃料。在燃料電池領域，氫能提供的能量密度具有優(yōu)勢。氫能的燃料補充時間短，而且相對于電動汽車，其自體重量要小。

重型電池會消耗有效載荷，這對長途卡車運輸來說是一個問題，因為這會降低利潤。北美貨運效率委員會執(zhí)行董事邁克爾·羅斯（Michael Roeth）表示，由于重量差異，在350英里的里程中，一輛燃料電池卡車可以裝載約3.8萬磅貨物，而一輛純電動卡車只能裝載3.3萬磅貨物。

盡管燃料電池卡車比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機卡車重，聯(lián)邦政府對零排放卡車的載重限額為2000磅，這使得燃料電池卡車的載重能力與柴油卡車相當。

就總成本而言，燃料電池供應商Ballard估計，在區(qū)域運輸場景下，電池電動卡車的總成本將為434381美元，一輛類似的燃料電池卡車售價為414367美元，柴油卡車的價格與后者相當。

2021年9月，美國國家可再生能源實驗室的一項分析給出了喜憂參半的結(jié)果，它支持了“兩種技術都有發(fā)展空間”的觀點。研究表明，在特定的商業(yè)場景和路線距離下，兩種動力系統(tǒng)都可能具有成本優(yōu)勢。

燃料價格是一個很大的變數(shù)?？偟膩碚f，該實驗室的研究人員表示，在較短里程情況下，電動動力系統(tǒng)可能是最好的。報告稱，到2025年，這兩種技術最就可以在成本上與柴油卡車競爭。

現(xiàn)代汽車集團支持的新墨西哥州氫燃料初創(chuàng)公司Pajarito Powder，其聯(lián)合創(chuàng)始人湯姆·斯蒂芬森（Tom Stephenson）表示:“經(jīng)驗之談是，現(xiàn)在的柴油領域，將來會看到氫燃料電池；現(xiàn)在的汽油領域，將來會看到電動電池?！?/p>

并非所有人都信服。當約翰·亨利·哈里斯（John Henry Harris）在2021年7月聯(lián)合創(chuàng)立中型卡車初創(chuàng)公司Harbinger時，他選擇從零開始生產(chǎn)一輛專用汽車。但他很快就對氫能這個潛在的選擇失去了興趣。

“當實際觀察這兩種解決方案的成熟度時，我們看到了一個數(shù)量級的差異，”哈里斯說，“在過去的兩年里，我們可以很輕松地建造一個電動平臺。但如果換作氫燃料汽車，我們要做到這個水平，差得還很遠?！?/p>

▍對電動電池的補充

在乘用車市場上，目前只有兩款燃料電池車型，而且銷量都很低。

根據(jù)咨詢公司Interactive Analysis發(fā)布于2022年10月的一份報告，豐田汽車于2014年在日本推出Mirai，該燃料電池乘用車的累計銷量約為4200輛。報告稱，在韓國，盡管制定了一項國家戰(zhàn)略，讓氫能在脫碳努力中發(fā)揮核心作用，但現(xiàn)代Nexo等燃料電池乘用汽車在2020年和2021年的銷量加起來僅為8500輛。

不過，這兩家汽車制造商都沒有失去對氫能的興趣。

現(xiàn)代汽車集團計劃在2028年之前，開發(fā)其全部商用系列的氫燃料電池版本，下一代系統(tǒng)將于明年推出。而且，該公司看好燃料電池在卡車、火車和海上船只上的應用。

除了Mirai，豐田汽車還在今年8月與寶馬集團合作，設計和生產(chǎn)一款氫燃料電池汽車，預計最早將在2025年銷售。豐田汽車也在研發(fā)氫燃料巴士，與洛杉磯Kenworth公司合作開發(fā)的8級燃料電池卡車也在測試中，并計劃與五十鈴和日野汽車合作開發(fā)中型燃料電池卡車。

豐田汽車在2021年12月表示，將在電池電力和氫燃料電池技術方面投資700億美元。

在大多數(shù)競爭對手更專注于純電動汽車的情況下，豐田汽車把注意力集中在多種選擇上，讓一些人感到奇怪，但豐田汽車傾向于以一種微妙的方式進行能源轉(zhuǎn)型。該公司認為，不同的技術可能適合不同的車型和地理位置，現(xiàn)在判斷如何匹配還為時過早。它還在探索氫內(nèi)燃機。

豐田汽車首席科學家、豐田研究所（Toyota Research Institute）首席執(zhí)行官吉爾·普拉特（Gill Pratt）說:“我們對整件事非常謙卑——我們不知道。誠實的事實是，我們認為其他人也不知道?！?/p>

Pajarito Power的斯蒂芬森說，關于哪種技術能最好地降低碳排放的爭論，讓人想起了上一代風能和太陽能產(chǎn)業(yè)之間的類似爭吵。

他預計，從長期來看，電池電動汽車和氫燃料電池汽車的互補性將大于競爭性。“當市場力量能夠真正決定人們在這方面的決策時，我們就可以超越競爭對手，看到兩者兼用帶來的更大機遇?！?/p>

咨詢公司德勤對此表示認同。就像太陽能和風能是“過去十年的驚喜”一樣，德勤的一份新報告稱，氫能“現(xiàn)在看起來很可能”將成為下一個規(guī)?；哪茉础?021年，與氫氣相關的風險投資活動達到了創(chuàng)紀錄的近20億美元。德勤預計2022年將超過這一數(shù)字。

盡管如此，氫能仍然面臨著“先有雞還是先有蛋”的難題?，F(xiàn)有的基礎設施不足以支持大量的早期采用者。

根據(jù)美國能源部替代燃料數(shù)據(jù)中心2022年11月發(fā)布的數(shù)據(jù)，美國有48148座電動汽車充電站，基礎設施開始快速發(fā)展。

相比之下，公共加氫站只有54個。

“如果你問房地產(chǎn)從業(yè)人員什么是最重要的，你聽到的一定是‘地段、地段、地段’。我們做一個類比，對于替代燃料來說，最重要的是‘基礎設施、基礎設施、基礎設施。’”普拉特說。

加氫站要想實現(xiàn)經(jīng)濟可行性，必須有臨界數(shù)量的用戶。根據(jù)國際清潔交通委員會2017年的一份報告，根據(jù)加氫頻率和使用情況，每個加氫站可以支持100到400輛汽車。

雖然商業(yè)卡車運輸網(wǎng)絡的基礎設施要求可以根據(jù)特定地點進行定制，但許多人現(xiàn)在懷疑氫燃料電池在輕型應用方面能否趕上純電動汽車。

安永的林蘭表示:“就氫能的基礎設施而言，幾乎為零，這一時間差將給電池帶來額外的動力。人們需要額外的時間來學習如何使用和適應氫能，然后再表達感受說‘它真的可以’。”

無論是主要用于卡車運輸還是更廣泛的用途，美國能源部正在開始奠定氫能基礎設施的基礎。在為電動汽車建造50萬個充電站的同時，能源部還從兩黨基礎設施法中撥款80億美元，在氫生產(chǎn)商、消費者和企業(yè)之間建立6到10個氫樞紐。

能源部從9月份開始向爭奪這筆資金的地區(qū)征求申請，預計明年春天將進行選拔。據(jù)能源部稱，這些氫能市場將成為該部“能源地球”計劃的催化劑。該計劃旨在在未來10年，將清潔氫氣的價格從目前的每公斤約5美元降低80%，至每公斤1美元。

盡管氫氣除了水之外什么都不排放，但在實現(xiàn)零碳經(jīng)濟的道路上，它仍然面臨著巨大的障礙。就像純電動汽車可能依賴燃煤電廠提供的電力一樣，當使用化石燃料制造氫時，它的無污染優(yōu)勢就被否定了。

根據(jù)世界經(jīng)濟論壇（World Economic Forum）的數(shù)據(jù)，僅用可再生能源生產(chǎn)的綠色氫氣占目前氫氣總產(chǎn)量的0.1%。專家們表示，綠色氫氣要成為主流，還有幾十年的路走。

能源和氣候政策智庫能源創(chuàng)新（Energy Innovation）的電氣化主管薩拉·鮑德溫（Sara Baldwin）說:“我們用了20年的時間，才達到電動汽車的水平，我預計氫燃料也需要同樣的時間。還有很多化石燃料可以繼續(xù)燃燒，但我認為關鍵是讓我們擺脫化石燃料?！?/p>

無論排放怎樣，氫氣都會到來。根據(jù)極光能源研究公司（Aurora Energy Research）的數(shù)據(jù)，歐盟啟動了一項計劃，以減少對俄羅斯石油的依賴，因此，自4月份以來，目前全球氫電解槽項目的數(shù)量增加了一倍多。

推動能源獨立的努力，突顯了氫能正在帶來的巨大變化。但作為現(xiàn)代燃料電池研究的先驅(qū)，麥考密克認為，另一種轉(zhuǎn)變正在進行中，其意義更為深遠。

“人們一直在談論石油的末日，我認為他們沒有抓住重點，我們真正應該談論的是內(nèi)燃機的終結(jié)。從穴居人到今天，石油是我們賴以生存的東西。內(nèi)燃機的終結(jié)才是真正劃時代的?！丙溈济芸丝偨Y(jié)道。

▍豐田、康明斯著眼于氫內(nèi)燃機

在汽車和卡車制造商大舉投資氫燃料電池的同時，他們也在考慮另一種替代方案——可以在大量車輛中取代柴油發(fā)動機的氫內(nèi)燃機。

這并不是一個全新的創(chuàng)意。早在1806年，瑞士發(fā)明家弗朗索瓦·艾薩克·德·里瓦茲（Francois Isaac de Rivaz）就制造了一種以氫和氧為動力的內(nèi)燃機。

200多年后，豐田汽車和康明斯重新審視了這個問題。寶馬集團在十多年前曾嘗試過這種技術，但后來放棄了，轉(zhuǎn)而進軍純電動汽車和插電式混合動力汽車。

在主要汽車制造商中，豐田汽車可能是唯一一家認真探索氫內(nèi)燃機汽車的公司。豐田汽車總裁豐田章男（Akio Toyoda）今年在富士賽道（Fuji Speedway）的一場24小時耐力賽中，駕駛了一輛氫內(nèi)燃機卡羅拉掀背車。

豐田章男曾表示，他相信有很多方法可以減少碳排放，而排放氮氧化物但不排放二氧化碳的氫內(nèi)燃機可能在交通運輸中發(fā)揮作用。卡車和重型汽車制造商也在考慮，在某些情況下將氫內(nèi)燃機作為柴油車的替代品。

康明斯氫燃料發(fā)動機總經(jīng)理吉姆·奈伯格（Jim Nebergall）表示:“氫燃料內(nèi)燃機的性能和效率，與柴油內(nèi)燃機非常相似。這意味著它可以成為任何柴油應用的合適替代品?！?/p>

像其他內(nèi)燃機一樣，它燃燒燃料來轉(zhuǎn)動活塞。這與燃料電池不同，后者采用膜電極，使用氫和氧產(chǎn)生電能，為電機提供動力。大多數(shù)柴油和汽油機械師都知道如何修理氫內(nèi)燃機，但修理燃料電池汽車卻需要大量的培訓。

康明斯正在押注使用氫內(nèi)燃機的重型汽車的市場。

今年5月，在加州長灘舉行的替代清潔交通博覽會（Alternative Clean Transportation Expo）上，康明斯推出了一款15升的氫燃料發(fā)動機。該動力裝置基于康明斯的燃料不限定平臺。缸蓋墊片以下，發(fā)動機的部件是相似的，但在缸蓋墊片以上，不同的燃料擁有不同的部件。

康明斯計劃在2027年將這種發(fā)動機投入生產(chǎn)。今年9月，一家大型卡車運輸公司沃納企業(yè)（Werner Enterprises）簽署了一份意向書，準備等康明斯的氫氣內(nèi)燃機上市后購買500臺。沃納企業(yè)將這種發(fā)動機視為減少溫室氣體排放的工具。它將與康明斯合作測試和驗證發(fā)動機。

不過，發(fā)動機作為一種綠色交通工具的使用，取決于清潔氫的廣泛可用性。清潔氫的市場和基礎設施還處于初級階段。

奈伯格認為，在電動電池、氫燃料電池、氫內(nèi)燃機等零碳交通工具中，氫內(nèi)燃機因其初始成本低、熟悉度高、燃燒耐久性強、對惡劣環(huán)境的適應性強，以及在具有挑戰(zhàn)性的工作循環(huán)中的性能而脫穎而出。

他看好其在農(nóng)業(yè)、建筑和港口運營中的應用。它也適用于長途和區(qū)域運輸，以及專用車輛，如自卸卡車、水泥攪拌機和掃雪機、消防車等應急車輛。

著手氫燃料汽車的公司不僅關注這項技術，也在關注清潔交通法規(guī)的發(fā)展。

沃爾沃卡車負責全球產(chǎn)品管理的高級副總裁Jessica Sandstr?m表示，他們正在繼續(xù)投資于內(nèi)燃機，也在考慮是否可以在內(nèi)燃機中使用氫氣。當然，其中一個不確定因素是有關零排放的政治決定?！笆橇愣趸歼€是零排放?如果你有一款內(nèi)燃機，即使用氫燃料，你也會有非常小的排放，比如氮氧化物?！?/p>

戴姆勒卡車集團首席執(zhí)行官馬丁·道姆（Martin Daum）表示，該公司的底特律系列柴油發(fā)動機可以使用氫燃料。道姆對Automotive News表示:“如果我們看到市場即將到來，我們就可以把它從前期開發(fā)階段拉出來，投入到一個全面的項目中?！?/p>

這家卡車公司正在等待觀望，因為來自歐洲和加州監(jiān)管機構(gòu)的所有信號都要求完全禁止內(nèi)燃機。

但加州大學戴維斯分校交通研究所的創(chuàng)始主任、加州空氣資源委員會成員丹尼爾·斯珀林（Daniel Sperling）認為，氫內(nèi)燃機的市場可能在某些地方有發(fā)展空間，它們與柴油發(fā)動機的兼容性是一個優(yōu)勢。

斯珀林說:“僅僅因為歐洲和加州想要什么，并不意味著這就是整個市場?！?/p>

不過，他對汽車行業(yè)是否會廣泛使用氫內(nèi)燃機表示懷疑?！叭剂想姵乇葍?nèi)燃機效率高得多，你消耗的能量更少。這樣就不用在車上安裝昂貴的油箱了，也不會有氮氧化物的排放?！彼圭炅终f，“沒有人知道事情會如何發(fā)展，我們都在試圖弄清楚?！?/p>

（本文部分內(nèi)容綜合Automotive News、Reuters報道，部分圖片來自網(wǎng)絡）