雷立旭
燃料电池电动乘用车是一个没有任何前途的死局,这是毫无疑问的 精选
2022-8-20 12:16
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摘要:氢燃料电池和氢能如何发展,是一个问题。必须予以深入讨论,以免太多的人花太多的精力和金钱于毫无出路的地方。本文作者认为,氢气目前更好的应用场景是化工原材料,而不是燃料电池。燃料电池乘用车既不节能,也不如二次电池乘用车环保,毫无经济上成功的可能性。国家不应当把人民的血汗钱花在这种事情上。如果要花,那要用于支持大功率应用车辆上,替代高污染的内燃机车上,取得经济和环境效益。这是因为,根据简单的但最本质的估算,如果不考虑其制造成本高,氢燃料电池大型商用车/船既节能又降排放,在使用期间比燃油车更划算。


         没错,我就是那位教授(参见郑贤玲,燃料电池产业链还没有闭环,锂电则是生态链没有闭环 (qq.com),以下简称郑文)!

首先申明,本人不反对氢燃料电池,也欢迎不听劝的人义无反顾地向氢燃料电池乘用车投资投精力,相信他们有的是时间和金钱。因为,在未来,当所有的能源来自太阳时,必有一部分会被转化成可以燃烧的氢气。但是我要说,燃料电池乘用车不仅仅具有经济问题,也有环保问题,它违反了经济、环境保护的基本原则,因此没有出路。

以下讨论基于如下不容置疑的假设(如果有人认为下述假设不对或不全面,请指出,我会修改我的论述):

(1)    氢燃料电池与锂离子电池乘用车技术的优劣,应当从技术、社会和经济三方面考虑;

(2)    对于理性的消费者来说,他们更喜欢花更少的钱获得相同的服务,不一定在乎它是否环保;

(3)    对于生产企业来说,产品的经济性是更重要的指标。因为只有产品能盈利,企业才可以持续;

(4)    严格地说,一个产品的环保性要从全寿命周期考察。但是,对大多数情况来说,考察其服役期的表现就够了。因为产品出生前与退役后的事是另外一些企业的事,追究起来有点麻烦;

(5)    考察产品服役期的性价比,还得与同功能竞品比较,得遵从优胜劣汰的规律。

 

事实1:氢气是二次能源物质,制取它是高耗能的。因为耗损的能量基本上是以热的形式进入环境的,因此可能会使周边环境温度升高,造成环境恶化。如果一次能源是电,则氢燃料电池产电肯定比锂离子电池少一半,因此使用成本前者永远都高于后者

倘使氢气由电解水制取,则其能耗是40 ~ 54 kWh/kg H2,通常54 kWh/kg H2左右这个数据受制于单台电解水设备的产能,产能越高,能耗越大。以上数据分别对应于电解水装置的小室电压1.52.0 V

氢燃料电池的产电量与输出功率有关。由于1 mol氢气产生的电量是一定的(法拉第定律),因此产能决定于氢燃料电池的输出电压。一般地,氢燃料电池的输出电压为0.6 ~ 0.9 V(分别对应与高功率输出和低功率输出),因此电能变成氢气,然后再在燃料电池中产电,其能量转换效率只有35 ~ 50%。受制于工业过程的经济效益不仅与能耗、物耗有关,也与时间和占用空间有关的特性,绝不会有人在最低功率制氢、最低功率产电,虽然这样做会导致最高的能量转换效率。

锂离子电池充放电能量转换效率也与功率有关但它远比氢燃料电池高,通常能达到90%左右。如果一个人使用快充,开车时也猛加速,能量转换效率会低一些。但相信这样的人不多。

因此,从能量转换效率讲,锂离子电池完胜氢燃料电池。

 

事实2:不论电力是绿电还是灰电,如果用于电解水,或者给锂电池充电,都是一样的,不可区分。人们只能区分峰谷电,因为它们价格不同

很多人会争辩说,氢气可以由弃风弃光电力制取,但他们忘记了弃风弃光一旦被正常使用,它就不再是弃风弃光了,因此价格会上升更何况作为二次电池的锂离子电池也可以吸收弃风弃光电力因此,不论电力是绿电还是灰电,如果用于电解水,或者给锂电池充电,都是一样的,不可区分。

因此,用弃风弃光为电解水制氢站台,理由不成立。

我们知道,目前电网运行存在峰谷问题。当电网发电能力不能应对尖峰需求时,便产生了拉闸限电现象。这与电动车用电没有直接关系;如果真的有关,在尖峰时期,停止电动车充电就好。无论如何,不让电动车充电,比让工厂停工损失要小得多。

类似地,风电、光电、水电等可再生能源是绿电,火电是灰电,这个分类是没问题的,但这是发电侧的问题,对于用电者来说,谁能知道哪个是绿电,哪个是灰电?也只有便宜的谷电和昂贵的峰电。因此,谷电尽量用,峰电能不用就不用是自然选择。

二次电池恰恰可以用于调峰。如果我们赋予电动车向电网输电的能力,电动车完全可以在夜间低谷电时充电,在电网用电尖峰时放电,赚取差价,岂不两全其美?这个事情,前面已指出,氢燃料电池做得不好。

 

事实3:氢气当然可以源于化石燃料,因为化石燃料便宜、能量转换效率也较高而价格较低。但该过程存在严重的因氢气纯化导致的能耗问题,因此碳排放严重

很多人会争辩说,氢气也可以使用煤、天然气制造。这里以较便宜的煤制氢为例说明。假设煤按石墨计算,能够完全按照C + 2 H2O = 2 H2 + CO2进行,也就是说1 molC可以产生2 mol的氢气,这样每制取1 kg H2就需要消耗3 kgC,产生CO2排放11 kg。不过,煤制氢是吸热反应,还需要高温,这样必须燃烧更多的C来产生热量。理论上可以计算最少的CO2排放量,它是16 kg。但由于这样制取的氢气还需要纯化、加压等操作,现有技术实际上需要排放22 kg以上的CO2

如果锂离子电池车充电时实际使用的是煤电,它的碳排放是多少呢?根据我国煤电先进标准,发1 kWh电要产生碳排放0.841 kg;若锂离子电池充放电能量转换效率为80% ~ 90%,则锂离子电池输出1 kWh的碳排放1.1 ~ 0.93 kg(为计算方便,下面我们按1 kg计算)。

目前,有两款车可比较的电动车,Toyota Mirai二代和Tesla Model 3。它们的社会属性差不多,都是乘用车,都号称零污染,其车重和售价相当,性能差别虽比较大,但仍在可忍受的范围内,应能进行比较。

表1 两款在美国销售的电动车关键数据比较


Toyota Mirai XLE

Tesla Model 3 Long Range RWD

车重/lb.

4255

4034

最大功率/kW

128

357

续航里程/mile

402

358

能耗

0.87 kg H2/100   km

15 kWh /100   km(根据国内的数据计算)

售价/USD

49500

40390

数据来源

2022 Toyota Mirai Specs & Options

设计您的 Model 3 | Tesla

我们最感兴趣的是能耗数据,Toyota Mirai二代百公里耗氢气0.87 kgTesla Model 3 LR RWD耗电15 kWh。倘使氢气由电解水制取,按电解水制氢能耗54 kWh/kg H2计算,需耗电47 kWh。很明显,氢燃料电池车耗电是锂离子电池的3倍多。这里,我们还没计算氢气制取时外围设备能耗、氢气压缩和运输产生的成本。

如果氢气来源于煤制氢,则同样运行100公里时,Toyota Mirai产生19 kg二氧化碳,Tesla Model 315 kg后者还是少一些

当然,氢气可以是工业副产,表面上看似乎没有成本,但那是不可能的。因为副产氢气的过程肯定消耗了很多能量,它们需要碳排放。当然,如果城市的夜间低谷电也可以看作副产话,是不是又扯平了?

 

事实3:氢气的确是高危险性的气体

的确,正常情况下,危险无处不在。我们不必过分担心,因为通常危险是可以控制的。

但是,如果我们知道1 kg氢气燃烧释放的能量相当于相当于28.8 kg TNT,而且氢气是宽爆炸限、传播速度最快的气体,如果有恐怖分子决定利用一下,那该咋办?要知道,Toyota Mirai二代可装了5.6 kg的氢气!

锂离子电池电动车的话,估计恐怖分子一定不会想。因为已经烧了很多车了,各种场景的都有。

 

事实4:氢燃料电池运行时有排放,锂离子电池没有

氢燃料电池运行时产生水,因此有排放。当然我们知道水基本上是无害的。但是,如果我们知道水汽是温室气体会加大温室效应,使大气中水汽含量更大,因此会加大雨量,甚至让它变成灾害性大暴雨呢?如果在冬天,排放的水变成了冰呢?要知道,近10年的灾害性大暴雨明显增加是一个事实这中间,内燃机车大量使用肯定有重要贡献

锂离子电池在正常运行时没有任何排放,是真正的零排放。

 

事实5:二次电池可以循环生产,能形成基本闭合的循环

二次电池可以循环生产,也就是能形成郑文中所述的生态链闭环。这一点没有问题,当然目前还没有闭环是因为投入还不到位。本人从事这项研究已16年了,只是暂时苦于没有资助没有将实验室已成功的工艺产业化。可以欣慰的是,已有人宣称实现了废旧锂离子电池的资源化。终有一天,我们能完全实现锂离子电池的循环生产。

锂离子电池可以用于夜间低谷电的消纳,并在日间尖峰时刻向电网输电。技术上不存在任何问题,能量转换效率更可以蔑视氢燃料电池。个人认为,电动车换电模式应当大力推广,因为这没有技术难度。设想一下,在一个能够容纳世界上主要电源插座与一身的中国,这事还算事吗?请注意,USB type C已兼容各种功率的锂离子电池,如笔记本、平板、手机等等。

假使有一天,所有的人开着一个短续航、高安全性电动车,当他决定远足,到锂离子电池储能电站快速换下并寄存自己的电池,换上长续航电池包,那该多爽?从此没有里程焦虑!想去哪就去哪,反正到处有那样的储能电站。

限于科学研究的特点,每个科学工作者都如同井底之蛙,经常得坐井观天。不过,受制于科学工作者的学识水平,井有深有浅,井口也有大有小。那些认为锂离子电池生产必须看电网发展的人,他们的井未免有点太深了,井口也太小了点

 

事实6:我国在内燃机和内燃机车制造方面有欠缺,不过电动机和电动车好像还不错;锂电池做得非常好,燃料电池则较差。这种情况下,忽悠政府投高能耗的氢燃料电池乘用车,他们是怎样想的?

毋容讳言,我们的内燃机造得不如人家好;燃料电池虽能造,但催化剂、隔膜可能还得进口(今早看到一个讲演,讲演者声称他能做很好的催化剂和隔膜。希望他的技术能尽早产业化)。因此发展更便宜的、更低能耗的二次电池电动车,对我国交通工具的发展,交通能耗和排放的降低更有利。

我这里不把二次电池局限于锂离子电池。它可以是包括铅酸电池的任何电池。各种技术的指标固然有高低,但低指标的产品未必没有市场,未必就不能对双碳目标的实现做出贡献。我想,低速电动车的确存在安全性问题,但这不是不能解决的;铅酸电池固然有产生污染的风险,但不也被基本上解决了吗?电动两轮车有电动自行车、电动轻便摩托和电动摩托的区别,为什么安全运行了10余年的电动自行车突然间到处起火?

我们必须思考这些问题,给出解决方案。

 

事实7:氢燃料电池的确存在能量转换效率低于锂电池的致命缺点,但相对于内燃机车,它的优势已显,若制造成本能够显著下降,应当能够在大功率营运车辆中获得应用

我们仍以Toyota Mirai为例,它做到了百公里耗0.87 kg H2的好成绩。我们知道,它运行时只产生7.83 kg水汽或水。一个百公里油耗为7升的汽油车呢?若汽油以戊烷(C5H12),密度按0.74 kg/L计,则CO2排放为15.2 kg,水汽18.3 kg。因此,氢燃料电池汽车具有显著的环境效益。

经济上,假如汽油价格为7 /升,则当氢气价格低于56/kg时,就能与内燃机车竞争了。按电解水制氢总电耗60 kWh/kg H2估算(考虑了外围设备的能耗),只要电价在0.9 /kWh以下,使用成本就能与之竞争了(糟糕的是,氢燃料电池车有点贵)

当然,毫无疑问,与锂电池乘用车竞争,氢燃料电池是不可能的。再说一遍,永远都不可能!但是,如果是大功率营运车辆,因为锂电池能量密度较低,意味着车辆自重会大幅度增加,因此锂离子电池不一定适合。

 

因此,我的结论是,虽然因为锂离子电池的存在,氢燃料电池在乘用车中没有大规模应用的可能性,但在大功率营运车中,相对于燃油的内燃机车,它还是有一定的竞争力的。


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