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美国能源部长珍妮佛·m·格兰霍姆今天启动了美国能源部(DOE)的“能源地球发射计划”(Energy Earthshots Initiative)，旨在在十年内实现更丰富、更廉价、更可靠的清洁能源解决方案的突破。其中首个Earthshot-Hydrogen计划，力求在十年内将清洁氢的成本降低80%，低至每公斤1美元。作为启动的一部分，2021年美国能源部氢计划年度绩效评估和同行评估会议在6月份举行。
01
项目概况和相关性
该项目旨在分析高昂的氢燃料基础设施建设成本以及市场对氢基础设施的需求与商用燃料电池应用的时间和数量的不确定性。评估并确定重型燃料电池（100kw-100mw）在铁路、海运和航空领域的机会，并大规模应用。
02
项目目标
该项目的目标是确定氢和燃料电池与现有技术在铁路、海事和航空领域的应用相比如何，以及它们需要什么样的性能指标才能在总拥有成本的基础上竞争。内容包括：
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对燃料电池动力系统进行系统级分析
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模拟和分析船上气体和液体氢储存方案（以及船上重整）
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分析氢燃料补给基础设施
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进行总拥有成本分析(TCO) ，并与现有技术(铁路和海运用柴油，民航用航空汽油)进行比较
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确定氢和燃料电池在铁路、海上和航空应用中的早期机会，以及哪些应用具有最大的影响
铁路应用：线路运输机车，场地转换器，区域客运机车，多机组。
海运应用：港口拖船、汽车/客运渡轮和支线集装箱船。
航空应用：小型飞机. 通用航空、城市空中机动性和无人驾驶航空器。
03
分析方法
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选择一个有代表性的案例。对于占用大部分时间在部分负荷工作的工况下，燃料电池更有优势，效率优于内燃机
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设计燃料电池系统以匹配现有的相关性能（货运量，客运量，航程等）
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计算现有版本和燃料电池版本的TCO比较
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计算未来燃料电池系统的TCO，假设其进展与HFTO的目标一致
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对初始资本投资采用10%的内部收益率，对固定资产成本采用20%的安装成本因素。每个部件（如发动机、油箱、电机等）的固定资产成本在其使用周期内按年计算
04
铁路用燃料电池:多单元（初步结果）
美国提供通勤铁路服务的交通系统从1998年的18个增加到现在的67个，每年有超过47亿人次的旅客出行。
不同类型驱动系统的对比分析
背景和假设
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同时考虑 MU 和支持基础设施的资本和维护成本
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通勤服务包含22英里单程，12辆(MUs)运行
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础设施成本在12辆车辆的生命周期内分摊
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不考虑再生制动能量
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基础设施维护运营成本根据2014-2019年北县中转区SPRINTER线的平均年成本调整至2020美元计算。动车组还包括维持接触网系统的额外费用。
05
飞机用氢燃料电池: 可行性和性能
该项目目的在于验证燃料电池系统在不牺牲有效载荷（267公斤）、巡航速度（269公里/小时）和航程（1,695公里）的情况下，可以取代涡轮增压的6缸航空气体燃料活塞发动机。
任务要求
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包括45分钟紧急巡航所需的燃料储备，337分钟实际巡航时间，218KG空油箱重量
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机身包括55KG电机，16KG变频器
结论：确定了燃料电池系统的额定功率(（220KW）和储氢瓶容量（48KG），以满足任务要求。
TCO和单变量分析
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燃料电池系统可以实现比活塞发动机更低的TCO成本
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燃料电池系统的效率更高，并且在爬升阶段的效率可以提高82-83%
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活塞发动机飞机的运行维护要求更高，燃油成本更高
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实现盈亏平衡的燃料电池成本：430美元/kW
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燃料电池系统寿命的盈亏平衡：>1334h
氢燃料电池直升机，多旋翼和倾斜旋翼飞行器TCO
06
小型船舶的燃料电池技术及TCO
案例一：小型RoPax渡口（华盛顿州）
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装载150名乘客，28辆汽车
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巡航速度为12海里/小时，配备2台375kW主柴油发动机
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15分钟的单程旅行，全程3海里
案例二：小型高速客运轮渡（纽约-新泽西州）
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装载150名乘客
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巡航速度为38海里/小时，配备2台750kW柴油发动机
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60分钟航程，其中20分钟慢巡航，20分钟全巡航，全程18海里
柴油机与燃料电池在该案例中的对比分析
TCO仅包括动力总成组件、船舶升级、燃料和燃料存储。为了强调与燃料电池系统和氢相关的费用，排除了船体、船员工资、保险因素。
07
总结
在船舶应用场景中，比较分析了氢燃料电池渡轮与柴油渡轮的TCO，如需要与柴油动力渡轮竞争，燃料电池渡轮的燃料成本必须控制在3.50美元/kg，并需要提高燃料电池的成本和耐久性。
在飞行器应用场景中，氢燃料电池在TCO基础上具有竞争力。这些应用对燃料成本的敏感性远低于海洋应用，即使氢气成本高达8美元/kg，仍然可以使得小型飞机具备有竞争力的总拥有成本。
在轨道交通应用场景中，确定了通勤铁路运营中多个单元的燃料电池总拥有成本。
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