随着世界朝着能源部门脱碳的方向发展，清洁交通考虑了两种主要方法：电池电动汽车 (BEV) 和燃料电池电动汽车 (FCEV)。 目前，全球关注的焦点是使用可再生电力为 BEV 解决方案的电池充电，或为 FCEV 解决方案使用水电解生产氢气。 人们普遍认为可再生电力是 100% 无碳的、经济上可行的，并且有足够的数量来支持运输部分。 本文反映了这些假设，并提供了支持新兴清洁交通解决方案的替代方案。

可再生电力的可用性

目前，美国国家电网只有 18% 的可再生能源，包括 11% 的非水电（风能、光伏或光伏、地热、潮汐等）和 7% 的水电。

(1) 非水电占比

美国的情况与印度和中国类似。 然而，在过去几十年中，德国和英国等国家在“绿化”电网方面更加积极（图 1）。

图 1：选定国家的可再生能源发电百分比

可再生电力增长的主要来源是非水电解决方案，主要是风能和太阳能。 由于天气条件经常变化，这些生产方法仅在有限的时间范围内可用（美国数据）：

▪ 风 - 一天中约 35% 的时间

▪ 太阳能 - 一天中约 26% 的时间

这个有限的可再生能源窗口需要使用煤炭、核能和天然气等按需能源进行替代发电，以保持电灯亮起，保持我们的房屋供暖，并保持我们的工厂运转。

可再生电力成本

这种发电的间歇性带来了三个工程和财政挑战。

▪ 可再生能源发电容量必须超额建设至少3 到4 倍。

▪ 大型电池储能项目必须在向100% 可再生能源发电转变的同时完成。

▪ 需要在使用点增加输配电系统以保持稳定性和可靠性。

在美国实现前两个目标的成本保守估计至少为 4.5 美元至 5.7 万亿美元。 此成本估算中未包括建设大型风力发电场和光伏发电场所需的土地价值，据估计这相当于美国土地面积的⅓。尽管欧洲取得了重大进展，但仍需花费约美元 3.6 万亿美元（3 万亿欧元）以实现 100%可再生能源，印度将至少花费 11 万亿美元。

与欧洲类似，过去 15 年来，美国的风力发电和光伏发电在总发电量中所占的份额不断增加（见图 2）。 在此期间，尽管增加了可再生能源发电能力，但平均工业用电率几乎持平。 然而，从 2011 年到 2019 年，加利福尼亚州的平均住宅费率从每千瓦时 0.13 美元增加到 0.17 美元。我们考虑工业费率，因为我们假设这是最有可能适用于通过电解制氢的公司（而不是住宅）的费率 费率或商业费率，两者分别高出约每千瓦时 0.08 美元和 0.04 美元）。

图 2. 美国净发电量与平均工业价格

展望未来，美国的平均电力（住宅、商业和工业）价格预计在未来 30 年内在全国范围内几乎持平，但加州等州的价格预计会上涨，而新的可再生能源 电滚出来。 同样，从 2020 年到 2030 年，德国和英国的电价预计将上涨，而中国的电价预计将保持几乎持平。 一些人认为，在国家电网中增加可再生能源发电容量将降低电力成本——然而，数据并不支持这一结论。

图 3：选定国家当前和预计的电价（每千瓦时）。

电力成本影响 BEV 的经济性。 在美国，BEV 的运营成本在可预见的未来可能会保持平稳，不会更便宜，并且仍需要大量投资充电站基础设施。 据估计，到 2030 年，仅美国就需要累计 2000 万个至少耗资 100 亿美元的充电器。额外的充电器也意味着额外的将需要传输和分配系统来支持电力基础设施。

氢是唯一讨论的其他零排放车辆概念。 提高电价也会影响燃料电池汽车加油站通过电解水生产氢气的成本（Nikola模型）。 如果我们每生产一公斤氢气使用 50 千瓦时的电力，并考虑美国 0.07 美元/千瓦时的工业电价，那么仅电力成本就等于每生产一公斤氢气 3.5 美元。 在电费高于美国平均工业费率的地区，成本挑战更为显着。

电解制氢的碳强度

传统思维提倡将水电解作为获得碳中性氢的首选途径。 然而，美国国家电网（2019 年数据）的碳足迹为 0.453 kgCO2e/kWh，来自来自煤炭和天然气发电厂。 这个值很重要，但在许多工业化国家中并不高。

通过使电流通过水来生产氢气是能源密集型的，消耗 50 至 55 kWh/kg 氢气，并导致超过 21 kgCO2e/kg 氢气的高碳强度。这不是绿色氢气，因为温室气体 ( 归因于电网电力的温室气体排放量很大（见表 1）。 为了接近零温室气体排放和绿色氢，电网需要 100% 可再生，或者需要在可再生电力生产点生产和使用氢。 在专用可再生电网中生产的绿色氢气仍需要运输到使用点。 运输过程是能源密集型的，有大量的碳足迹，而且非常昂贵。

表 1：部分国家电网的碳强度和相应的制氢值

正如我们上面所讨论的，由于可再生电力的间歇性和建设基础设施的成本，使用 100% 可再生电力使交通部门脱碳面临着巨大的挑战； 在中短期内不太可能克服的挑战。

可再生甲醇支持低碳经济为了使运输部门脱碳，我们需要一条不依赖大量电能、可扩展以支持运输、与柴油燃料具有成本竞争力并提供近期碳中和潜力的绿色氢气途径。 该途径是由天然气生产的灰色甲醇，不久的将来是可再生甲醇，它由可持续原料制成，包括：

▪ 城市固体废物 (MSW)

▪ 生物质

▪ 来自沼气池的沼气

▪ 从工业流中捕获的 CO2

▪ 直接空气捕获 CO2

与水混合的甲醇是一种致密的氢载体，很容易转化为合成气（氢气和碳氧化物的混合物）。 从合成气中分离纯化氢的过程也很容易完成。 甲醇是全球生产的前 10 大化工商品，可在全球范围内使用，可以填补柴油等高碳强度燃料与 100% 可再生能源目标之间的差距。 可再生甲醇已上市，许多新工厂正在建设中。 对可再生甲醇的评价非常好，包括当前的商业运营和成本预测。运输规模的可再生甲醇需要时间，但全球甲醇制造商正在投资以增加产量，因为对可再生甲醇的需求增加。

可再生甲醇的低碳强度非常有吸引力。 通过使用废物流制造可再生甲醇，可以避免将温室气体排放到大气中。 这种避免的排放服务在某些情况下，将生成的可再生甲醇的碳强度降低至负值。 阿贡国家实验室发表的一项研究表明，可再生甲醇原料具有显着的避免的排放物包括垃圾填埋场气体、厌氧消化池气体和生物质。 例如，艾伯塔省埃德蒙顿的 Enerkem 工厂每年将 100,000 公吨通常运往垃圾填埋场的城市固体废物 (MSW) 转化为可再生甲醇。 如果将这些固体废物掩埋在垃圾填埋场，它们会慢慢分解并向环境中释放二氧化碳和甲烷。