氢燃料电池成为救世主,是终极能源方案?

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大竞
2018-08-23 13:10
[ 亿欧导读 ] 身为化学元素周期表上的第一元素,氢生来是种“宇宙黑科技”。虽然在地球上易于逃逸,常以化合物的身份存在,但在广袤宇宙之中,氢是含量最丰富的元素——太阳就日以继夜地进行氢聚合反应,释放出巨大的能量,为太阳系带来光明与生命。
氢燃料;氢气;汽车,氢能,新能源,续航里程 图片来自“corsia.us”

2018年5月初,在日本首相安倍晋三的陪同下,中国总理参观了丰田北海道生产线的一台Mirai氢燃料电池车。照片中,总理一脸凝重。

加氢3分钟,续航600公里。

对比饱受白名单呵护与资本青睐的动力电池:“快充20分钟,续航300公里”已经是业内翘楚。

“被骗了!动力电池是大忽悠,氢燃料电池才是终极能源方案!”

这样的报道铺天盖地而来。配着总理的表情,一时掀翻了国内舆论。

宇宙第一元素,终极的清洁能源——身负盛名,氢是救世主?是炸碎动力电池统治的重磅炸弹?

又或者,难成大器,如钢铁侠Elon Musk所言:“氢燃料电池的投资非常愚蠢”。

纯电动一路狂飙,氢能源暗自磨刀

2017年,全球纯电动车销量122万辆,相比2016年增长近五成。得益于政府的鼓励政策,中国的纯电动车销量65.2万辆,撑起了半个地球。反观氢燃料电池车,2013年到2018年,累计销量6475辆,其中75%的销量由丰田贡献。

“产业化落后了不止十年!”看衰氢能源车的人声称。

然而,主流动力电池的局限,业内人都一清二楚。即使是Model 3所采用的,目前能量密度最高的三元锂电池21700,能量密度也不过是300Wh/kg,快充30分钟,续航210公里。充满的话

可是充满氢燃料电池车的两个储氢罐只需3分钟,续航里程达600公里。单纯从用户体验和摆脱里程焦虑的角度,氢燃料电池有碾压优势。

虽然纯电车的急先锋马斯克号称,下一代的Tesla将会拥有长达800公里续航能力的电池,但是业内人一清二楚,目前高镍三元锂电池如811尚且面临多种技术挑战,镍的用量增加之后,会导致相应的电极材料的结构稳定性降低,从而导致电池循环寿命和安全性大幅降低。

打嘴炮没用,还是要看数据。

氢气1个标准大气压密度为0.0899克/升,热值为1.4亿焦/kg,也就是大约1公斤氢气完全释放能量有39度电,转换效率最高60%,按500公里80度电算需要3.45公斤氢气(以Mirai为例),大约38375升体积,用60升高压罐装需要加压到639个大气压。目前丰田和本田已经将70MPa的高压储氢罐应用于量产,氢燃料电池车一口气跑500公里不是个问题,背一个储氢罐就能搞定。

事实上,身为化学元素周期表上的第一元素,氢生来是种“宇宙黑科技”。虽然在地球上易于逃逸,常以化合物的身份存在,但在广袤宇宙之中,氢是含量最丰富的元素——太阳就日以继夜地进行氢聚合反应,释放出巨大的能量,为太阳系带来光明与生命。

而地球之上,所有人类活动都建立在能源之上,人类生活水平的提高,必须以人均消耗能源的提升为基础。人类历史上每一次成功的能源变革,都有一个清晰的主线逻辑,就是能量密度(或者说热值)出现数量级上的跃升。

如煤炭能量密度是木柴的160倍,石油约为煤炭的2倍。这类似英尔特创始人格鲁夫在IT领域提出的10倍速原理,即能够成功颠覆(10倍提升)的新技术一旦出现,便会星火燎原,摧枯拉朽。这反映在煤炭替代柴薪,石油替代煤炭之上。

各类能源能量密度约为下表,氢气表现出了“一骑绝尘”的高能量密度:

各类能源能量密度表

(三元锂电替代汽油机的过程如此费劲,也怪能量密度的先天不足啊!)

而除去能量密度,更清洁亦是能源发展的线索:从伐薪烧炭到发现煤炭,再到利用石油,利用天然气,能源的进化史事实上是一场“脱碳的革命”——如果薪柴的碳元素含量是一百个碳单位,煤炭的碳含量是十个碳单位,石油的碳含量减少到了一个碳单位。煤炭相比薪柴更清洁,石油相比煤炭更清洁;到了氢,由于不含碳,燃烧后的产物是水,因此可看作是“零碳排放”的高清洁能源。

纵观能源史,从能量密度和含碳量的历史规律上,氢燃料电池给了人们许多的想象空间——动力电池难堪能源变革的重任,氢能源才是终极能源?

难怪动力电池一路狂飙背后,以丰田为首的企业暗暗磨刀,准备为开拓氢燃料电池而披荆斩棘。

而马斯克等人为什么会鄙视氢燃料电池车是种“傻瓜能源”呢?加州的ZEV法案(类似于中国的双积分),让做出零排放的Model S的Tesla从通用等传统车企手里赚了不少积分钱,而丰田、本田FCV的推出显然是来“砸场子”的。早在2013年,特斯拉通过卖Model S的积分就大赚1.4亿美金,一度实现盈利。而氢燃料电池由于超高的续航里程和0排放量,积分超过BEV。

马斯克看到有人抢他生意,怎能不急?

宇宙黑科技受到质疑

氢燃料电池的工作原理远没有“宇宙黑科技”的名头那么复杂。说白了,就是氢气和氧气化合反应生成水、电,放出热量。所以原料一边是空气,一边是用各种方式提取出来的高纯度氢气。

氢分子又小又活泼。它透过质子膜时,电子被从分子上剥离,只留下带正电的氢质子通过,氢质子被吸引到薄膜另一侧的电极与氧分子结合。电解质薄膜两侧的电极板将氢气拆分成氢离子(正电)和电子、将氧气拆分成氧离子(负电)和电子,电子在电极板之间形成电流,两个氢离子和一个氧离子结合成为水,是反应的唯一废物。

氢能转化

整个过程可以理解成蚊子无法穿过纱窗,但是更小的灰尘却可以。那么“纱窗”——质子交换膜就是这一过程中最核心的技术。质子交换膜中又以铂金(Pt)为催化剂,Mirai用了约100克铂,按照现在181元/克计算,催化剂就用了近2万块。质子交换膜以杜邦的Nafion为例,约为一平方厘米10元人民币,按照用量一平方米计算,光是质子交换膜的成本就在10万元左右。另外还需高压储氢罐成本6万。

横向比较,传统汽油车2L发动机的成本约为3万元,锂电池成本约1.2元/Wh, Tesla主流配置的75 KWh三元锂电池成本约为9万。两相对比,氢燃料电池的成本还是高出不少,现阶段不靠政府补贴很难走下去。

另一方面,氢的制备技术虽然较为成熟,但全世界96%的氢都来源于化石能源的产业链条。可是显然,依赖石油化工是没有未来的,氢的制备若要真的绿色环保,还是要大力发展那4%的电解水方式——特别是生物制氢和太阳能电解水。

安全,则是另一个重大问题。

对于氢,人类曾经有过非常痛苦的记忆。1937年,曾经成功12次往返大西洋两岸的德国豪华氢气飞艇“兴登堡”号,即将降落在美国新泽西州莱克赫斯特镇。由于这是一艘世界最豪华的飞艇,豪华程度碾压泰坦尼克号。它满载着名流,现场有22架摄像机和众多记者迎接“兴登堡”号的降落。谁知在降落过程中飞艇突然着火,尾部爆炸,顿时在空中燃成了一团火球,造成37人死亡。镜头被直播给了全世界,造成巨大的震动。

尽管至今对于事故成因依然争论不休,但氢气易燃易爆确是不争的事实。此世故结束了飞艇的历史使命,更为氢的安全性蒙上阴影。

然而氢气超高的能量效率依然吸引着人们探索。航天探索中,长征三号系列的三级发动机、长征五号一级二级主推进发动机,都采用了氢氧火箭发动机。航天技术中广为应用的液氢存储技术也逐渐向民用领域推进。

能量效率高,成本也高;清洁,却存在安全隐忧。身为“宇宙黑科技”,想要落地并不容易。降低成本、存储、和加氢站建设是最核心的三个突破点。

日本——氢能源的天时地利

氢能的利用,目前走在世界前列的是日本。日本提出了“氢能社会”的构想,丰田量产了第一辆性能优越的氢电池车Mirai,本田也推出了Clarity,加氢三分钟,续航750公里。日本至今建设了92座加氢站。其他国家或坚守燃油,或大力发展纯电的时候,日本“朝氢走”走得特别坚定。

说是天时地利,其实背后是一把辛酸泪。

日本这个岛国资源特别匮乏,也就剩下能捕点金枪鱼了。明治维新之后,为了保证国内的经高速增长必须抢资源,就到处侵略别人。战败以后,就靠着美国老大哥开路,从中东运石油。也许是因为资源底子薄,日本人的危机意识也就特别强,努力寻找不必依赖别人的能量来源。前些年日本的核电很厉害,占到所有发电量的30%,可是2011年福岛事件后,日本政府不得不将一系列核电站关停。到了今天,日本的核能发电只占全国发电量的2.7%,产生了巨大的空白等待填补。

同样资源匮乏,惧怕核能也排斥火电的台湾,去年频频爆出电荒,更是造成了815停电事件等影响恶劣的事件。日本可不想学台湾“用爱发电”,有没有替代的办法?

氢能于是走进规划。

日本看重的不仅是氢能源的高效与清洁,在煤炭和石油时代,人们早已发现了氢可作为炼制化石能源的副产品,因此氢的制备多种多样,还可以很好地利用起石油时代的基础设施和产业链。

以我国比较成熟的氯碱法制氢为例,2015 年,我国氯碱厂产量为3028.1 万吨。根据氯碱平衡表,烧碱与氢气的产量配比为40:1,理论上将产生氢气75.7 万吨,即85 亿立方米氢气,理论上可以供243 万辆乘用车使用。但考虑氯碱厂区域分布、运输距离、期间损耗及不同车型的耗氢量,供应几十万辆燃料电池车的规模问题不大。

还有一个因素就是寒冷。锂电池的低温性能到今天都得不到很好的解决,而日本纬度较高,最温暖的地区也不过和山东的温度近似,跟温暖的加州和纯电跑得最多的华东华南实在没法类比。氢燃料电池不受温度的制约,这在日本看来有不小的吸引力。

而且日本是个非常狭长的岛国,主岛本州岛的宽度在50—230公里之间。一个加氢站覆盖100平方公里左右的面积,就算仅仅将加氢站在日本沿海布局,好像戴一串珍珠项链一样,也基本可以满足日本加氢的需求了。

想及中国广袤无垠的内蒙古、青海、西藏和新疆,每个加氢站的成本1500万人民币,额,不敢再想下去了……

是因为天时地利,也是因为无可奈何,日本成为了全球氢能利用的急先锋。借2020年东京奥运会,日本计划全面展示氢能社会的建设成果,包括4万辆氢燃料汽车的全国保有量。而这一数字在2025年和2030年将分别达到25万台和80万台。日本为氢能源的利用画下了充满希望的蓝图,这或许为与日本非常类似的国家的地区指了一条能源明路。

再看看韩国。

今年的美国CES,韩国现代展出了第五代氢燃料电池车Nexo——续航里程高达805km,百公里加速仅9.9秒。目前,韩国共有加氢站11座,计划到2020年达到100座。到2020年计划将有1万辆氢燃料电池轿车上路。

此外,美国的加州也在积极探索氢能源,目前美国有1800辆氢能源车在路上跑,基本上是大巴和叉车,约30座加氢站沿着美国西海岸分布在加州。目前美国的加氢站约55座,在建的65座,绝大部分在为氢燃料大巴或叉车服务。丰田卖到美国去的千余辆Mirai显然会进一步推动加氢基础设施区域化的建设。

从日本、韩国、加州的例子可以看出,氢燃料电池车或许是一种非常具有地域特色的解决方案,尤其适合狭窄,人口稠密,能源匮乏以及高度要求环保的地点。如同各国目前的能源获取有各种各样的方式,煤炭多的例如中国,火电占比在40%;核能发达的例如法国,核能发电占总发电量的70%;风能呢?在大部分国家占比1%,可是在适宜的风能的荷兰就占到发电量的6%以上。

与能源的多样共存一样,氢能也将成为一个重要的汽车动力来源,在未来的一段时间,在适宜的地区发展。与纯电动车一起,彻底颠覆燃油车的时代。

氢能在中国

在中国发力纯电,致力于颠覆发动机的百年积淀之时,氢能一直是一个剑走偏锋的选择。

剑走偏锋的选择未必不是一个好选择。别忘记,我们说的是一个年销量2000多万辆,存量达3亿辆的市场。新能源车将燃油车逐步替代的过程,无疑会打乱现有格局,好的产品,都有机会分一杯羹。

2018年6月28日,北京天气燥热。中国电动汽车百人会与国际氢能委员会在清华大学举办的“氢能产业发展创新论坛”的热度甚至更胜过天气。

氢能产业、汽车、能源等各方专家人士挤满了会场。清华大学校长邱勇、中国电动汽车百人会理事长陈清泰为论坛致辞;全国政协副主席万钢,中科院院士、清华大学教授欧阳明高,中国工程院院士干勇,国家能源集团总经理、中国工程院院士凌文,液化空气董事长、国际氢能委员会联席主席Benoit Potier,现代汽车集团副会长、国际氢能委员会联席主席Yang Woong-chul等嘉宾发表了精彩演讲。

事实上,在纯电世界赚得了成长红利的宁德时代等企业之外,早有产学研的专家默默耕耘在氢能领域。当动力电池的能量密度为这一技术的应用前景蒙上阴霾的时候,中国早有一些企业开始布局氢能。

或许,他们博取的不是一个巨大的主流市场,但只要产品对路,一样可以有光明前景。

就是这样,有两股氢能势力悄然崛起。

在山海关之北,有一家大连的企业名叫新源动力。2000年初,这家企业脱胎于中科院大连化学物理研究所。之前提到的氢燃料电池的核心技术是质子交换膜,新源动力就选用了这一领域世界领先的供应商戈尔战略合作。2006年,“燃料电池及氢源技术国家工程研究中心”在新源动力挂牌,这里开始承接国家重点项目,2007年,上汽悄然入股新源动力1.17亿元,这在当时并未引人注目,直到今年总理参观丰田北海道工厂之时,才重又被人提起。

在造车新势力在纯电领域拼得刺刀见红之时,上汽大通搭载新源动力HYMOD®-300型车用燃料电池电堆的荣威750推出。并赫然名列工信部最新发布的白名单目录。这一车型成功进行了历时三个月,途径14省25市,行程10000公里的旅行。无疑,上汽在深度电动化的同时,也没放弃另辟蹊径。

而岭南之南的佛山,有一个叫做云浮的小镇,这里也即将发起一场新能源和新出行的革命。国鸿氢能科技有限公司与氢燃料电堆技术的全球领导者巴拉德于2016年7月成立合资公司,国鸿氢能股比90%,巴拉德股比10%。同时,巴拉德将成为合资企业生产的每个燃料电池堆的膜电极组件(MEA)的唯一供应商;在“采购或付款”协议中规定,在2017年至2021年的最初五年期间,MEA最低采购量超过1.5亿美元。在运行调试后,合资企业将拥有在中国制造和销售FCveloCity®-9SSL电堆的独家权利。

中国这个具有巨大潜能的市场令巴拉德雀跃。事实上,巴拉德的燃料电池野心一直志在全球。包括奔驰、福特、丰田、大众和本田在内的众多车企均是基于加拿大巴拉德公司燃料电池电堆(Mark900)开发了自己的第一代燃料电池汽车,其中奔驰和福特还参股巴拉德18%和20%的股份。

而通过定向增发持有巴拉德9.9%股权的大洋电机也与国鸿氢能签订了一万辆氢能大巴的大单。自2016年起,云浮佛山之间就开始有国鸿氢能生产出的氢能大巴往返两地。

尽管还没有宁德时代这样的头部企业,但是氢燃料领域无疑已经开始涌入玩家布局。面对中国商用车、乘用车这个天量市场,我们不应忽视任何一种可能性。

当别国发展氢能源最大的阻碍是天价的加氢站建设费的时候,天朝笑了。基础设施?这向来不是一个问题。

在纯电动一路狂飙之时,氢能源暗自磨刀。当质子交换膜、铂用量显著降低、氢的清洁制备、低温存储氢技术得到突破之时,或许就是氢能广泛落地之日。

当我们放眼一个10年,对于汽车来讲是两个世代更替,而对于人类在能源革命上的探索,不过历史的一瞬。

氢燃料电池或许是终极解决方案,但这仍需时光来证实。但从众多国家与企业的深度布局上看,说是大忽悠实在太过武断。新能源车是个不断在扩充的天量市场,可以容纳下众多的产品。

百花齐放,胜过孤注一掷。何况这是对于全人类能源消费方式的升级探索。

相信科技,为人类留了不止一个好选项。


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