货运大赛
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卡车能带来氢经济吗？
「别特么挡我们的道儿，别资助石油公司了。我真是受够这个了。」生产氢动力卡车的美国创业公司尼古拉 (Nikola) 的老板特雷弗·米尔顿 (Trevor Milton) 咆哮到。他的怒火指向政府，而且他听起来像伊隆·马斯克也不无原因。马斯克是清洁能源界另一位特立独行者，开了一家以交流电动机发明者尼古拉·特斯拉命名的公司。米尔顿和他正在进行一场让公路运输脱碳的竞赛。
总部位于亚利桑那州的尼古拉汽车拥有 8000 辆氢燃料卡车的预订单，这些卡车将与特斯拉用电池供电的「Semi」，以及沃尔沃、现代、比亚迪等公司生产的其他零碳重型卡车竞争。由于长距离移动重载荷所需的重量和体积，许多人对在卡车运输中使用电池和氢气嗤之以鼻。虽然两种类型的发动机都比内燃机更节能 (见图表)，但单位体积产生的功率都不如传统燃料，因此它们需要的存储空间要多得多。氢气的另一个缺点是生产需要消耗大量电力。
然而找到使货运脱碳的方法变得越来越重要，因为随着轻型运输的电气化减少了其碳排放量，货运排放量所占的份额很可能会增加。目前卡车每年产生约 25 亿吨二氧化碳，而所有运输的排放总量约为 95 亿吨 (更不用说它们产生的空气污染了) 。但和轿车不同，卡车的排放标准很少，而且这是一个非常碎片化的业务，有许多自驾车主，无法轻易集中起来以承担应对气候变化的集体责任。
减少公路货运排放可以采取多种形式。瑞典正试验沿着一小段道路铺设输电线，让重型车辆可以边跑边充电，就像一些城市的公共汽车那样。政策制定者还鼓励企业通过铁路运输更多重型货物，因为铁路碳排放量较低，也可能会电气化。乙醇等生物燃料可以更广泛地用于抑制内燃机的排放。但自 2008 年中国为北京奥运会推出电池供电的垃圾车以来，最受欢迎的方法是在短程运输中使用电池，特别是对于可预测的路线来说充电很容易。咨询公司麦肯锡估计，在欧洲和美国，到 2020 年代轻型和中型电动卡车的成本也许能与柴油卡车竞争。
超过 800 公里的旅程更成问题，因为大型电池组的重量减少了卡车可以携带的货物量，并且漫长的电池充电时间——可能充一次要 90 分钟——不利于那些按里程数拿薪水的司机。配备四个电池组以加速充电的特斯拉 Semi 就为此而生，马斯克承诺它将于 2019 年在美国上路。一些特斯拉专家估计，他们的燃料系统将比 40 吨柴油卡车重两吨，这意味着载货更少。但这可能不会吓跑所有用户，特别是使用它们的公司可以宣称减少排放，使其产品更加环保。
同样加入竞争的还有氢燃料电池车，它的续驶里程和加油时间都和传统车辆类似，而尾气仅仅是水蒸气。在氢能拓展到供暖、航运和重工业之前，尼古拉这样的公司可能会发现自己处于氢经济的前沿。但首先，他们必须克服三个将影响氢能整个未来前景的挑战：制造、使用和运输氢。
从氢的主要缺点开始：它必须被生产出来。它在地球上很少以单质存在，而是形成天然气和水等化合物。今天大约 95%的工业氢来自于化石燃料。制造它的最常用方法是蒸汽—甲烷重整 (SMR)，即使用催化剂从天然气和蒸汽中分离出氢。这种方法广泛用于化学工业，但会产生大量二氧化碳。如果要以低排放生产氢气，则需要捕获二氧化碳 (见图表) 。
更清洁的方法是使用零碳电力来驱动电解槽，将水分解为氢气和氧气。这是一个非常耗电的工艺。每消耗一个单位的电力，仅能生产 0.8 单位的氢。因此电力成本至关重要，可能会占到氢价的四分之三。排放二氧化碳的价格可以忽略不计 (至少在政府让碳排放成本变得更现实之前) 给了 SMR 很大的优势。但电解氢那点可怜的份额预计会增加，因为安装的可再生能源越多，其价格下降的也会越多。国际能源署表示，最近智利和摩洛哥等地的可再生能源拍卖表明，电力价格约为每兆瓦时 30 美元。以这个价格计算，氢可以每千克 2 美元的价格生产，能与每千克成本 1 至 3 美元的 SMR 竞争。
对电解槽的更大需求也将降低其价格。总部位于谢菲尔德市的英国公司 ITM Power 的格雷厄姆·库里 (Graham Cooley) 说，他的公司生产的电解槽的价格已在三年内降低一半，降到每千瓦 800 英镑 (1000 美元)。 (其他人还号称能提供更低的价格。) 他把主要原因归结为批量生产。ITM Power 目前正在为壳牌德国公司建造它号称的世界上最大的聚合物电解质膜 (PEM) 电解槽，容量为 10 兆瓦。库里预计，到 2020 年代中期，电解槽的成本将降至每千瓦 400 英镑左右。
用于电解的主要技术是 PEM 和碱。碱性电解槽更成熟、更便宜，但体积更大。PEM 变得越来越便宜，响应也更快，这更适合间断性的可再生能源。它也可以小规模应用，这比较适合加氢站。
尼古拉帮助提升了碱性电解槽的产量。今年 6 月，它与挪威公司 Nel 签订了一份合同，由 Nel 为其供应 448 台电解槽，并为尼古拉的卡车提供加氢设备。Nel 曾经属于在 1927 年建造了第一台此类电解槽的挪威海德罗 (Norsk Hydro) 公司。这些设备的总容量将达到 1000 兆瓦，是挪威自 1927 年以来生产的所有电解槽的 1.5 倍。卡车将租给美国啤酒商安海斯-布希等。
咨询公司麦肯锡的迪肯·平纳 (Dickon Pinner) 认为，虽然在目前的水平上，电解槽仍处于「净亏钱」状态，但其成本可能会因工业化而大幅下降，就像风能和太阳能一样，特别是如果中国积极采用这种技术的的话。碳价也会使它们更具吸引力。
氢气不仅必须能够更清洁、更便宜地生产，使用它作为燃料的成本也必须下降。优选的手段是燃料电池，其原理类似于反向电解，将氢气重新变成电和水来为电动机提供动力。燃料电池并不新鲜；他们为把阿波罗宇航员送上月球的宇宙飞船提供了动力。但到目前为止，对于广泛地面使用来说它太贵了。它们将氢气送到阳极，空气送到阴极。两者周围都夹着电解质。阳极释放的氢电子通过外部电路接到阴极，从而发电。
美国能源部表示，用于小型车辆的燃料电池的成本 (如果使用现有最好的技术大规模生产，目前成本为每千瓦 53 至 60 美元) 将需要降至每千瓦 40 美元才能与内燃机竞争。燃料电池也必须更加坚固，能够在寒冷的天气中更好地运作，并且需要更多的加氢站以及更好的系统来把绿色氢气输送到加氢站。尼古拉的米尔顿表示，其电解槽将由太阳能、风电场和水电站提供动力，其中大部分来自离网发电。
大规模生产清洁氢气也需要供应链支持。建设一套新的基础设施来输送它的成本可能会高到无法负担，特别是在发展中国家。 (Nel 最近展示了其在丹麦手工组装的加氢站，每台成本约为 100 万欧元或 114 万美元。) 可用于为电解槽供电的最佳可再生能源很多是位于如智利的阿塔卡马沙漠、巴塔哥尼亚、索马里、西藏和澳大利亚等偏远地区。氢很难通过管道输送，而以液体形式运输氢需要极低的温度和极高的压力。
上车
在希望成为氢经济领导者的日本的鼓励下，澳大利亚正在努力寻求解决方案，这也可能使另一个货运部门——航运——受益。澳大利亚联邦科学与工业研究组织 (CSIRO) 的迈克尔·多兰 (Michael Dolan) 指出，目前还没有能以液体形式运输氢的船只 (燃烧液氢的太空船除外)。
为了避免液氢的缺点，可以通过更简单 (尽管耗能更高的) 的哈伯法将其转化为氨。不合直觉的一点是，一升液氨中氢的质量大于一升液氢中氢的质量。然后氨可用液体形式运输——部分液氨也可用于改装后的船舶发动机。
唉，可惜氢燃料电池车烧不了氨，因此在运输后必须将氨转化回氢气 (需要额外费用)。2018 年 8 月，CSIRO 兴奋地展示了一台丰田 Mirai 和一台现代 Nexo，可以使用其研发的膜技术从氨中提取高纯度氢气作为燃料。这种膜可以让氢透过而阻挡其他气体。
所有这些都可能使全世界的卡车司机更接近后碳时代。但要实现规模经济来把氢的成本大幅降低，非化石能源需要其他庞大的需求驱动因素。其中之一是供暖，它可能用到碳捕获和储存。
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