回顧歐美日韓氫能發(fā)展的歷程，無論美國的通用、福特，德國的寶馬、奔馳和奧迪，日本的豐田、本田，韓國的現(xiàn)代，在漫長的研發(fā)中，推出了一代又一代氫動力產(chǎn)品無不是以乘用車為主導(dǎo)，今天關(guān)于燃料電池是否適應(yīng)乘用車卻成了一個敏感的話題，甚至，連2023年版的《美國國家清潔氫戰(zhàn)略和路線圖》（以下簡稱《路線圖》）的應(yīng)用端也未涉及氫能乘用車，于是市場出現(xiàn)各種解讀。
我最近花了一些時間來回顧幾大汽車品牌企業(yè)氫能發(fā)展歷史，恰好陳剛師弟送給我一本回顧戴姆勒與巴拉德和福特合作開發(fā)燃料電池汽車的書，又有機會訪談到在霍尼韋爾服務(wù)過多年的顧茸蕾博士。結(jié)合他們的資料與描述，以及我翻閱的眾多歷史資料，我梳理了美國氫能產(chǎn)業(yè)化的歷史脈絡(luò)，并企圖從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的邏輯中尋找《路線圖》的合理性。
來源：美國能源部國家清潔氫戰(zhàn)略和路線圖(草案)- 2022年9月
1 航天技術(shù)民用化
盡管已經(jīng)實現(xiàn)能源自主的美國發(fā)展氫能的緊迫感遠不如歐洲和亞洲國家，我們還是不得不將這個國家的氫能產(chǎn)業(yè)放在最顯著的位置，這是一個不斷創(chuàng)造奇跡的國家，一個代表世界顛覆性創(chuàng)新的國家。
1839年世界第一塊燃料電池在英國被發(fā)明出來，但直到20世紀50年代燃料電池應(yīng)用才有了實質(zhì)性的進展，1965年美國率先用燃料電池將阿波羅送上了太空，1966年通用汽車又將燃料電池用于汽車上。上世紀70年代中期，能源安全和對外國石油的依賴是美國面臨的主要問題。多年來，美國能源部在氫氣和相關(guān)技術(shù)方面建立了強大的研發(fā)活動，與許多法定機構(gòu)保持一致，1970年，美國提出了“氫經(jīng)濟”的概念，此時剛好遇到第一次石油危機的爆發(fā)，氫能被寄予厚望。
1990年，加州出臺零排放汽車（Zero Emission Vehicle，簡稱ZEV，包括BEV和FCEV）法案，通過強制規(guī)定企業(yè)零排放汽車銷售比例和信用額度積分的方式來迫使車企推廣ZEV，大大影響了燃料電池汽車的發(fā)展。這一時期，燃料電池在航天領(lǐng)域的專利到期，美國考慮將這一技術(shù)民用化，并再次提出氫能發(fā)展的規(guī)劃，這一次提出了研究、發(fā)展和示范的法案，當時提出“五年管理計劃”，顯然對氫能產(chǎn)業(yè)化的難度估計不足，并未達到預(yù)期目標。此后，美國對氫能的鼓勵政策一直沒有停止，而且從應(yīng)用端的可行性研究到示范應(yīng)用。
2 制定國家氫能路線圖
進入21世紀美國政、產(chǎn)、學(xué)、研多部門對發(fā)展氫能基本達成共識，從而轉(zhuǎn)入制定國家氫能戰(zhàn)略，2001年提出30年氫能源轉(zhuǎn)型的愿景。2002年4月美國制定了《國家氫能路線圖》，為協(xié)調(diào)長期的、公共的和私人的氫能發(fā)展提供基本的方向；2002年11月又制定了長期的戰(zhàn)略規(guī)劃，概述了氫在美國國家的潛在作用和實現(xiàn)氫能經(jīng)濟的共同愿景。
在這份戰(zhàn)略規(guī)劃里，詳細地制定了從制氫、氫氣輸送、儲氫、氫燃料電池、終端應(yīng)用場景等做了全面的闡述，這已經(jīng)是一個基于全產(chǎn)業(yè)鏈的氫能戰(zhàn)略。此后的十年，美國圍繞氫能產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)展開了基礎(chǔ)建設(shè)與激勵機制。到2014年，隨著燃料電池在汽車領(lǐng)域技術(shù)的成熟，美國明確氫能在交通運輸轉(zhuǎn)型中的主導(dǎo)作用。
2020年美國又將氫能產(chǎn)業(yè)的重點轉(zhuǎn)向清潔氫的降本，美國能源部（DOE）即提出了氫能項目計劃，初步規(guī)劃了到2030年及更長時期氫能研究、開發(fā)和示范的總體戰(zhàn)略框架。
2021年，氫能攻關(guān)計劃（Hydrogen Energy Earthshot）首次提出了降本目標，預(yù)計到2030年，清潔氫成本降低80%至1美元/千克。
2021年11月，拜登簽署了《兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法》（BIL），提出對清潔氫產(chǎn)業(yè)投資95億美元，其中：
（1）80億美元用于區(qū)域氫能中心建設(shè)；（2）10億美元用于電解水制氫計劃，包括從研發(fā)、示范到產(chǎn)業(yè)化的完整創(chuàng)新鏈，投資初期從降低電解槽資本支出入手；（3）5億美元用于制氫和回收，并支持美國清潔氫設(shè)備的制造。
2022年8月的通貨膨脹削減法案為氫能產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)提供補貼和貸款，主要包括上游制氫、制氫設(shè)備、下游工業(yè)示范部門、氫燃料電池車等。
2022年9月，DOE發(fā)布了國家清潔氫能戰(zhàn)略和路線圖草案，2023年6月發(fā)布了國家清潔氫能戰(zhàn)略和路線圖，全面概述了美國氫氣生產(chǎn)、運輸、儲存和使用的潛力，美國實現(xiàn)清潔氫能的主要挑戰(zhàn)，及促進氫能發(fā)展的關(guān)鍵戰(zhàn)略。路線圖的目標為在2030年碳排放水平較2005年低50-52%，2035實現(xiàn)100%的無碳污染電力，2050年實現(xiàn)凈零排放。根據(jù)路線圖的預(yù)計，美國2030、2040、2050年清潔氫的預(yù)計市場空間分別為1000/2000/5000萬噸，2030年氫能建設(shè)可以帶來10萬個直接和間接凈新增就業(yè)。
“氫能計劃”設(shè)定了到2030年氫能發(fā)展的技術(shù)和經(jīng)濟指標，主要包括：（1）電解槽成本降至300美元/千瓦，運行壽命達到8萬小時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率達到65%，工業(yè)和電力部門用氫價格降至1美元/千克，交通部門用氫價格降至2美元/千克；（2）早期市場中交通部門氫氣輸配成本降至5美元/千克，最終擴大的高價值產(chǎn)品市場中氫氣輸配成本降至2美元/千克；(3)車載儲氫系統(tǒng)成本在能量密度2.2千瓦時/千克、1.7千瓦時/升下達到8美元/千瓦時，便攜式燃料電池電源系統(tǒng)儲氫成本在能量密度1千瓦時/千克、1.3千瓦時/升下達到0.5美元/千瓦時，儲氫罐用高強度碳纖維成本達到13美元/千克；(4)用于長途重型卡車的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)成本降至80美元/千瓦，運行壽命達到2.5萬小時，用于固定式發(fā)電的固體氧化物燃料電池系統(tǒng)成本降至900美元/千瓦，運行壽命達到4萬小時。
表 美國50多年來氫能產(chǎn)業(yè)政策
3 氫能重點轉(zhuǎn)移
但顯然，美國自上世紀60年代的軍轉(zhuǎn)民燃料電池技術(shù)似乎已經(jīng)不再是重點，而是將經(jīng)濟性和氫的能源屬性放在了更重要的位置。
美國認為，氫不僅是高效的清潔能源，也是經(jīng)濟增長的驅(qū)動力，包括：氫的重量能量含量是所有已知燃料中最高的，比汽油高3倍，是包括液體燃料在內(nèi)的整個化工行業(yè)的關(guān)鍵原料；氫與燃料電池或基于燃燒的技術(shù)一起，可以在運輸、固定或遠程電力以及便攜式電力應(yīng)用中實現(xiàn)零排放或接近零排放；氫可以用于千兆瓦時的儲能，并作為電網(wǎng)的“響應(yīng)負載”，以確保電網(wǎng)穩(wěn)定，提高發(fā)電機的利用率，包括核能、煤炭、天然氣和可再生能源；氫氣可用于各種國內(nèi)行業(yè)，如鋼鐵、水泥、氨和其他化學(xué)品的制造；氫氣可以由不同的國內(nèi)資源生產(chǎn)，用于多個部門，也可以用于出口，預(yù)期到2050年，氫技術(shù)的全球市場潛力將達到2.5萬億美元，據(jù)估計，氫經(jīng)濟每年可帶來7500億美元的收入，并累計創(chuàng)造340萬個就業(yè)崗位。
敏感的人從2023年版的《美國國家清潔氫戰(zhàn)略和路線圖》看到一些信息，美國本次提出了氫氣從制取到運輸?shù)慕当灸繕耍趹?yīng)用端也提出了燃料電池的使用壽命和成本目標，但在交通領(lǐng)域鼓勵的是重型卡車而沒有乘用車。
圖片4 漸進式創(chuàng)新與顛覆性創(chuàng)新的差異
毫無疑問，通用汽車是現(xiàn)有汽車品牌中最早開始燃料電池汽車研究的企業(yè)，早在1964年便開始燃料電池的研究，1966年推出第一臺燃料電池汽車，是上世紀70年代第一波氫能浪潮的先鋒。到1995年又啟動了Giner Stack發(fā)展計劃，先后與埃克森美孚、BP、雪佛龍、殼牌、豐田汽車、鈴木、寶馬等能源及汽車企業(yè)的合作，并于2003年推出世界首款可駕駛的采用線控技術(shù)的氫燃料電池概念車——Hy-wire。
福特汽車也是燃料電池汽車重要的踐行企業(yè)，1998年加入由戴姆勒和巴拉德組建的燃料電池汽車聯(lián)合實驗室，這一合作于2005年終止。
此后一段時間，美國的乘用車幾乎擱置了他們的燃料電池汽車發(fā)展路徑，通用汽車在研究燃料電池汽車的同時，也在研究電動汽車，1996年便推出了首款量產(chǎn)純電動車EV1，通用亦是電動汽車的開山鼻祖，早在1912年就生產(chǎn)過682輛電動卡車。就像今天純電動汽車的車輪跑到了燃料電池汽車的車輪一樣，上個世紀初期燃油車的車輪跑到了電動汽車的前面，企業(yè)需要在趨勢上做選擇。曾經(jīng)改變世界的汽車巨頭福特的命運也沒有更好，燃料電池汽車輸給了豐田和現(xiàn)代，電動汽車輸給了“新勢力”。
顯然，以漸進式改革為指導(dǎo)思想的傳統(tǒng)汽車企業(yè)并不適應(yīng)顛覆性創(chuàng)新的環(huán)境，這不是美國單個國家的現(xiàn)象，傳統(tǒng)企業(yè)路徑依賴和創(chuàng)新機制與“新勢力”不同是產(chǎn)業(yè)變革中遇到的普遍問題。美國今天的氫能政策沒有提出乘用車的目標，是因為整車企業(yè)短時間內(nèi)無法達成盈利目標，沒有走下去。
但顯然，美國依然是全球氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展最先進的國家之一，“華爾街”賦予了這個國家極強的創(chuàng)新活力，機會與風(fēng)險并存的風(fēng)險投資成就了無數(shù)美國的科技型企業(yè)，成就了IBM、Facebook，也成就了特斯拉。
不偏不倚，美國的風(fēng)險投資剛好遇到了馬斯克，電動汽車率先突破成為了燃料電池汽車發(fā)展的阻力。同樣，燃料電池領(lǐng)域的“新勢力”普拉格能源、尼古拉也在演繹機會與風(fēng)險的極限，也是美國燃料電池重卡、叉車、固定式發(fā)電等應(yīng)用領(lǐng)域的希望所在。“新勢力”企業(yè)來自風(fēng)險投資的資金是“零成本”，而傳統(tǒng)企業(yè)卻面臨投入產(chǎn)出的巨大壓力，這是市場的創(chuàng)新機制導(dǎo)致的必然結(jié)果。
至于，為什么同樣是傳統(tǒng)車企的豐田和現(xiàn)代能夠在乘用車上勝出，以至于今天有機會布局氫能乘用車，德國Werner Tillmetz和 André Martin在《Wasserstoff auf dem Weg zur Elektromobilität》一書檢討到：歐洲企業(yè)與北美企業(yè)比較在創(chuàng)新機制和文化上存在差異，歐洲企業(yè)對創(chuàng)新項目需要充分論證才會進入市場開發(fā)，而北美企業(yè)通常會在應(yīng)用中來驗證理論上的可能性。而且他們認為，對于產(chǎn)業(yè)鏈復(fù)雜、跨學(xué)科、跨部門的氫能產(chǎn)業(yè)戴姆勒與巴拉德、福特的科研體系達不到NEDO統(tǒng)一協(xié)調(diào)國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈資源的效率。事實上，盡管美國風(fēng)險投資勝于歐洲，但風(fēng)險投資主要關(guān)注的是創(chuàng)新型企業(yè)，美國傳統(tǒng)車企的風(fēng)格與歐洲車企并無本質(zhì)上的差異。
而顧茸蕾博士分析到，日韓企業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新在細節(jié)上與歐美企業(yè)又有差異，歐美傳統(tǒng)企業(yè)希望科研投入能在預(yù)期的時間內(nèi)看到經(jīng)濟效益，而豐田企業(yè)卻有一套保持企業(yè)新項目儲備的機制，他們有一筆資金專門投入未來技術(shù)，屬于公司固定的成本開支，不會列入公司生產(chǎn)單位的業(yè)績考核，所以豐田儲備的技術(shù)其實遠高于其他傳統(tǒng)車企。
事實上美國在全球氫能領(lǐng)域的成就依然超前，這是因為氫能產(chǎn)業(yè)鏈長，除燃料電池外，還涉及到眾多的技術(shù)，包括化工技術(shù)、電解水技術(shù)、氫氣的儲運技術(shù)（管道、液氫、鹽穴儲氫等），美國都有很好的基礎(chǔ)。2021年，美國氫氣產(chǎn)量達到1000萬噸，主要應(yīng)用于石油精煉（55%）、制氨和甲醇（35%）。當前美國電解槽裝機規(guī)模超3.7GW。
截至2022年底，公開宣布的清潔氫生產(chǎn)項目生產(chǎn)潛力達到1200萬噸。在儲運端，美國當前有專用氫氣管道約2575km和三個地質(zhì)儲氫洞穴，已經(jīng)建成液化工廠11座累計產(chǎn)能超過200公噸/天。終端包括6萬+臺燃料電池叉車、50個加氫站、80+臺燃料電池公交車、1.6萬+臺燃料電池車。
我理解，美國現(xiàn)階段在乘用車領(lǐng)域的優(yōu)勢主要在電動車，而亞洲國家燃料電池乘用車的優(yōu)勢更加明顯，所以，美國當期的路線圖并不代表世界燃料電池汽車的趨勢就此擱置。固然，燃油車時代的品牌時代，發(fā)動機是品牌車企重要的核心競爭力，但對于顛覆性電動汽車，技術(shù)突破有先有后，率先突破電池技術(shù)的不一定是整車企業(yè)，整車廠無法等到自己電池的成熟再啟動電動車戰(zhàn)略。現(xiàn)階段全球汽車市場產(chǎn)業(yè)嚴重過剩，燃料電池產(chǎn)業(yè)化進程更多取決于基礎(chǔ)建設(shè)和成本的下降，全球綠氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展顯然有助于這個目標。
