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不谈技术和成本 从节能角度聊燃料电池车
信息发布日期: 2016-11-28
 2015年初,某公司分管技术的副总,曾跟我说过这样一段耐人寻味的话:“燃料电池汽车的时代就要来临了,因为丰田已经推出了燃料电池汽车。丰田是汽车行业的风向标,我们可以做燃料电池汽车了。”这一先入为主的观点,让我再如何解释燃料电池技术上的不成熟,都无济于事。而对新能源汽车未来战略的各种把脉,技术和分析类的文章有一大把,虽然看了不少,但是读书少的我,实在是傻傻分不清楚。但是既然新能源车为的是节能,那么单一从节能角度分析分析,也未尝不是一个方法。

既然是讨论新能源,为了说话方便,我会把所有诸如大卡、焦耳这样的单位都换算成kWh,也就是度,这样比较直观。

为什么说新能源汽车节能呢?

我们可以看一个表格,表格中国燃油车百公里油耗按照8公升计算。

从表格中可以看出来,燃油车的能耗是新能源汽车的5倍。所以节能这个事实已经摆在这了。同时,我们观察到一点,就是燃油车浪费的能量很多,这部分能量有多少呢?数据太抽象,我们不妨打个比方:普通的550mL的农夫山泉矿泉水,燃油车跑一百公里,所浪费的能量,可以将1700瓶这样的矿泉水从20度烧开。

有些人,会有不同的观点:说电动汽车的电来自火电,那么只是把能量浪费的部分,换了个时间,换了个地方而已。这种说法很有道理。如果煤或天然气发电的效率是30%,那么从煤或天然气开始计算,电动汽车百公里的能耗就变成了83kWh。虽然仍然比燃油汽车更节能的结果没有改变,但是似乎优势就不那么大了。

可是有一点值得注意,就是烧煤或天然气那70%的能量,虽然没有发电,但是并没有浪费掉,会议热能的形式继续被利用,尤其是在冬天。

Mirai的能耗有多少?约每百公里39kWh

氢能用到公路交通上,实际上有两种应用形式,一种是直接的氢气内燃机,比如宝马的“氢7”,还有著名的施瓦星格州长推崇的悍马H2H。这种车不在我们的讨论范围;另一种,是燃料电池汽车,比如丰田的Mirai,本田的FCX Clarity。

对什么催化剂,双极板这些问题,不论是从成本还是技术上都已经讨论的太多了,我们还是单一从节能的角度去分析下,看看能得出什么结论。

燃料电池有很多种,在汽车上使用的,是质子交换膜燃料电池,简称PEMFC,利用氢气和氧气,在电池内反应,生成水。这个过程中没有二氧化碳排放。

首先,顾名思义,燃料电池,燃料指的就是氢气。氢气的能量密度是多大呢?每公斤氢气为39kWh。以丰田的Mirai为例,一辆车加氢量为5公斤,如果这辆车续航为500公里,那么它的百公里功耗是多少呢?

经过简单计算,Mirai每百公里的能耗是39kWh。一个看上去还好的数据。但是为了公平起见,我也想在追根溯源一下,氢气到底是从哪来的。

氢气的来源很关键

氢气来源是多种多样的,但是综合来看,为了不让事情太复杂,我们只看看最常用的两种获取氢气的方式,天然气裂解和水电解。根据《Clean urban transport for Europe》一文中的描述,制取1公斤氢气,使用天然气制氢的能耗是52kWh,而使用电制氢的能耗是11kWh。

插一句,有些人可能会说我用的数据过时了。很多技术已经把电制氢的能耗降到了每公斤5~6度电的水平了,这点我是承认的。因为我本人在2009年,就把制氢的能耗做到了每标方4.2kWh以下,折合每公斤约为5.3kWh,但是那个设备的成本确实太高了,广泛推广,还需要时间。既然提到了费用,我想我要食言一下,大概说一下制氢的成本。天然气裂解获取一公斤氢气的成本大概在1.5~2元,水电解获取一公斤氢气的价格在3~4.5元。成本上的优势,使得天然气制氢仍然是主流。再多说一句,氢气的运输成本一公斤大概在10~20块钱,要变成高压气体,另有成本,所以不是说把Mirai加满5公斤的氢气,有个20几块钱就足够了。

燃料电池汽车节能吗?不,一点也不!

赶紧转回来说节能。有了以上数据,我们对比一下不同汽车的实际能耗。

相比燃油汽车,燃料电池汽车并不是十分节能。不过要说明一下,燃料电池的能耗,是按照天然气制氢来计算的。可能有人要问,我什么要把气体来源的能耗也要计算在内?首先,如此计算的灵感来自剑桥大学物理系教授David Mackay,我是从他那里学到的。另外,有一点出于我个人的考虑,就是因为这里面有一个隐含的概念:一公斤的氢气,所包含的能量是39kWh,但是要获得1公斤氢气,所需要的能量是52kWh。假设燃料电池的效率是40%,那么一公斤氢气所能释放的能量只有16kWh。所以,用燃料电池是一件多么费力不讨好的事情啊。我想起梅里克·戈德海文的一句话:“对于儿童作家来说,氢动力汽车是“零排放”,可惜这骗不了气候。”

如何取得氢气,一直是一个很现实的问题。综上所述,取得氢气的真相,实际上是靠消耗更多的能源来换取的。除此之外,您是否还记得上面谈到了一个细节,就是生产一公斤氢气的成本只要两三块钱,但是储运则需要好几倍的成本。这说明氢气在储存和运输的过程中,都是不太容易的过程。不是储存和运输过程中太耗能,或者效率太低,就是有安全隐患,让人忧心忡忡。

氢燃料电池汽车是否一文不值?可再生能源是关键!

我之前写过一篇文章《锂电池虽好,我更看好燃料电池,哪怕还要等上40年》,对于这种燃料电池技术,我是长期看好,短期可行性不大。

对于燃料电池的研究,早在十九实际上半叶就开始了。历时近两个世纪的研究,技术发展依然缓慢,可见这种技术的难度。

不谈技术本身,咱们还是从节能角度来看。前文所述,燃料电池汽车节能与否,氢气的来源是关键。如果产生氢气的能耗更低,更加划算,也许燃料电池汽车就会变成一款节能的产品。比如可以利用太阳能去产氢。

有人会有误区,说太阳能也好,风能也好,这些都是使用化石能源建造的。但是这些新能源发电设备,如果正常使用,产生的能量要比消耗的能量大得多。比如在北欧国家,安装在屋顶寿命为20年的并网光伏系统能量产率为4,在太阳能更丰富的国家,比如澳大利亚,能量产率则大于7。所谓能量产率,就是生命周期内产生的能量与制造时消耗能量的比值。寿命20年的风力发电机,能量产率可以到达80。

所以我的观点,和《第三次工业革命》作者杰里米里夫金先生并不矛盾。新能源和氢能均为未来能源结构的五大支柱之一,五大支柱必须同时存在,他们不但相辅相成,而且缺一不可。燃料电池需要太阳来解套。

日本为什么热衷于燃料电池?我猜是为了能源安全

日本为什么要发展燃料电池汽车?有人说跟日本的地形有关,日本处于多山多丘陵的地带,纯电动车动力不足,也有人说为了环保。我想原因不会那么简单。如果要我说,我想应该和日本的能源结构有关。

提到日本的能源,不知道大家会先想到什么?可能中国老百姓,最先想到的会是福岛核电站。一次事故,让我家门口菠菜叶子里,都检测出了核污染。在福岛事故以前,日本是很热衷发展核电的。因为可能核电更符合日本的国情。

那这和燃料电池有什么关系呢?在国家层面讲,能源的储备,和能源安全息息相关。日本通过核反应堆,可以源源不断获得电能,这些电能,怎么样储备,是个问题。有人说,那何不用电池直接储存起来,用的时候再放电,这样岂不是更好。第一,用电池去储能,电池有自放电,只能短期存放,长期存放不可能。第二,电池能量密度低,一公斤锂电池的储能只有100多瓦时。第三,电池运输困难,有安全隐患。第四,电池使用受环境影响,比如高温或者低温。第五,电池需要定期维护,维护就是把电放了重新充……我还能罗列更多的理由,总之,直接用电池储存,受限太多。

氢气就不一样了,可以长期储存,加压后能量密度高,加氢也比充电或者换电方便的多,是非常适合日本岛国的能源储备形式。既然储存了,总要使用,所以即使有美国的前车之鉴,日本仍在不遗余力的发展燃料电池。燃料电池,有时候会觉得不太像个电池,更像个高能量密度,高效的发电机一样。再深说就是什么军转民,民拥军,就有点阴谋论了,OK,这个问题点到而止,我们还是正能量一点。

如果从民用角度讲,其实日本有核电,核能制氢,是最有效率氢气生产方式之一。所谓核能制氢,就是用核能来烧水,然后通过高温,使水转化为氢气。因此,日本是有可能低成本多的氢气的,氢气也符合日本的能源战略。所以没必要惊呼日本现在的氢气是否来自于电解水。只有有合理的氢气来源,在日本岛国小范围内,燃料电池汽车也可能会有很好的发展。

多说几句

截稿时听到两个消息,一个是丰田开始做纯电动汽车了(不知道开头提到的那位副总作何感想),另一个是丰田打算将燃料电池汽车引入中国了,不知真假。我所理解的新能源技术本质,只是对已知能源形式更合理的利用罢了。一个地区,有什么样的能源,就要顺理成章的发展什么样的技术。所以,没有一种技术形式,放之四海而皆准。先有能源,还是先有技术,并不是先有鸡还是先有蛋的死循环。因为纵观人类简史,都是先有能源,再有利用。人们先发现了汽油,后发明了汽车。所以有时候靠下游去带动上游,实际上是很困难的。站在这个角度上,去讨论燃料电池汽车是否会有希望,可能会得到不同的答案吧。

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