隨著世界朝著能源部門脫碳的方向發展，清潔交通考慮了兩種主要方法：電池電動汽車 (BEV) 和燃料電池電動汽車 (FCEV)。 目前，全球關注的焦點是使用可再生電力為 BEV 解決方案的電池充電，或為 FCEV 解決方案使用水電解生產氫氣。 人們普遍認為可再生電力是 100% 無碳的、經濟上可行的，并且有足夠的數量來支持運輸部分。 本文反映了這些假設，并提供了支持新興清潔交通解決方案的替代方案。

可再生電力的可用性

目前，美國國家電網只有 18% 的可再生能源，包括 11% 的非水電（風能、光伏或光伏、地熱、潮汐等）和 7% 的水電。

(1) 非水電占比

美國的情況與印度和中國類似。 然而，在過去幾十年中，德國和英國等國家在“綠化”電網方面更加積極（圖 1）。

圖 1：選定國家的可再生能源發電百分比

可再生電力增長的主要來源是非水電解決方案，主要是風能和太陽能。 由于天氣條件經常變化，這些生產方法僅在有限的時間范圍內可用（美國數據）：

? 風 - 一天中約 35% 的時間

? 太陽能 - 一天中約 26% 的時間

這個有限的可再生能源窗口需要使用煤炭、核能和天然氣等按需能源進行替代發電，以保持電燈亮起，保持我們的房屋供暖，并保持我們的工廠運轉。

可再生電力成本

這種發電的間歇性帶來了三個工程和財政挑戰。

? 可再生能源發電容量必須超額建設至少3 到4 倍。

? 大型電池儲能項目必須在向100% 可再生能源發電轉變的同時完成。

? 需要在使用點增加輸配電系統以保持穩定性和可靠性。

在美國實現前兩個目標的成本保守估計至少為 4.5 美元至 5.7 萬億美元。 此成本估算中未包括建設大型風力發電場和光伏發電場所需的土地價值，據估計這相當于美國土地面積的?。盡管歐洲取得了重大進展，但仍需花費約美元 3.6 萬億美元（3 萬億歐元）以實現 100%可再生能源，印度將至少花費 11 萬億美元。

與歐洲類似，過去 15 年來，美國的風力發電和光伏發電在總發電量中所占的份額不斷增加（見圖 2）。 在此期間，盡管增加了可再生能源發電能力，但平均工業用電率幾乎持平。 然而，從 2011 年到 2019 年，加利福尼亞州的平均住宅費率從每千瓦時 0.13 美元增加到 0.17 美元。我們考慮工業費率，因為我們假設這是最有可能適用于通過電解制氫的公司（而不是住宅）的費率 費率或商業費率，兩者分別高出約每千瓦時 0.08 美元和 0.04 美元）。

圖 2. 美國凈發電量與平均工業價格

展望未來，美國的平均電力（住宅、商業和工業）價格預計在未來 30 年內在全國范圍內幾乎持平，但加州等州的價格預計會上漲，而新的可再生能源 電滾出來。 同樣，從 2020 年到 2030 年，德國和英國的電價預計將上漲，而中國的電價預計將保持幾乎持平。 一些人認為，在國家電網中增加可再生能源發電容量將降低電力成本——然而，數據并不支持這一結論。

圖 3：選定國家當前和預計的電價（每千瓦時）。

電力成本影響 BEV 的經濟性。 在美國，BEV 的運營成本在可預見的未來可能會保持平穩，不會更便宜，并且仍需要大量投資充電站基礎設施。 據估計，到 2030 年，僅美國就需要累計 2000 萬個至少耗資 100 億美元的充電器。額外的充電器也意味著額外的將需要傳輸和分配系統來支持電力基礎設施。

氫是唯一討論的其他零排放車輛概念。 提高電價也會影響燃料電池汽車加油站通過電解水生產氫氣的成本（Nikola模型）。 如果我們每生產一公斤氫氣使用 50 千瓦時的電力，并考慮美國 0.07 美元/千瓦時的工業電價，那么僅電力成本就等于每生產一公斤氫氣 3.5 美元。 在電費高于美國平均工業費率的地區，成本挑戰更為顯著。

電解制氫的碳強度

傳統思維提倡將水電解作為獲得碳中性氫的首選途徑。 然而，美國國家電網（2019 年數據）的碳足跡為 0.453 kgCO2e/kWh，來自來自煤炭和天然氣發電廠。 這個值很重要，但在許多工業化國家中并不高。

通過使電流通過水來生產氫氣是能源密集型的，消耗 50 至 55 kWh/kg 氫氣，并導致超過 21 kgCO2e/kg 氫氣的高碳強度。這不是綠色氫氣，因為溫室氣體 ( 歸因于電網電力的溫室氣體排放量很大（見表 1）。 為了接近零溫室氣體排放和綠色氫，電網需要 100% 可再生，或者需要在可再生電力生產點生產和使用氫。 在專用可再生電網中生產的綠色氫氣仍需要運輸到使用點。 運輸過程是能源密集型的，有大量的碳足跡，而且非常昂貴。

表 1：部分國家電網的碳強度和相應的制氫值

正如我們上面所討論的，由于可再生電力的間歇性和建設基礎設施的成本，使用 100% 可再生電力使交通部門脫碳面臨著巨大的挑戰； 在中短期內不太可能克服的挑戰。

可再生甲醇支持低碳經濟為了使運輸部門脫碳，我們需要一條不依賴大量電能、可擴展以支持運輸、與柴油燃料具有成本競爭力并提供近期碳中和潛力的綠色氫氣途徑。 該途徑是由天然氣生產的灰色甲醇，不久的將來是可再生甲醇，它由可持續原料制成，包括：

? 城市固體廢物 (MSW)

? 生物質

? 來自沼氣池的沼氣

? 從工業流中捕獲的 CO2

? 直接空氣捕獲 CO2

與水混合的甲醇是一種致密的氫載體，很容易轉化為合成氣（氫氣和碳氧化物的混合物）。 從合成氣中分離純化氫的過程也很容易完成。 甲醇是全球生產的前 10 大化工商品，可在全球范圍內使用，可以填補柴油等高碳強度燃料與 100% 可再生能源目標之間的差距。 可再生甲醇已上市，許多新工廠正在建設中。 對可再生甲醇的評價非常好，包括當前的商業運營和成本預測。運輸規模的可再生甲醇需要時間，但全球甲醇制造商正在投資以增加產量，因為對可再生甲醇的需求增加。

可再生甲醇的低碳強度非常有吸引力。 通過使用廢物流制造可再生甲醇，可以避免將溫室氣體排放到大氣中。 這種避免的排放服務在某些情況下，將生成的可再生甲醇的碳強度降低至負值。 阿貢國家實驗室發表的一項研究表明，可再生甲醇原料具有顯著的避免的排放物包括垃圾填埋場氣體、厭氧消化池氣體和生物質。 例如，艾伯塔省埃德蒙頓的 Enerkem 工廠每年將 100,000 公噸通常運往垃圾填埋場的城市固體廢物 (MSW) 轉化為可再生甲醇。 如果將這些固體廢物掩埋在垃圾填埋場，它們會慢慢分解并向環境中釋放二氧化碳和甲烷。