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不談技術和成本 從節能角度聊燃料電池車

來源:本站 更新:2018-12-21 17:32:37 作者:佚名 瀏覽:1691次

2015年初,某公司分管技術的副總,曾跟我說過這樣一段耐人尋味的話:“燃料電池汽車的時代就要來臨了,因為豐田已經推出了燃料電池汽車。豐田是汽車行業的風向標,我們可以做燃料電池汽車了。”這一先入為主的觀點,讓我再如何解釋燃料電池技術上的不成熟,都無濟于事。而對新能源汽車未來戰略的各種把脈,技術和分析類的文章有一大把,雖然看了不少,但是讀書少的我,實在是傻傻分不清楚。但是既然新能源車為的是節能,那么單一從節能角度分析分析,也未嘗不是一個方法。

既然是討論新能源,為了說話方便,我會把所有諸如大卡、焦耳這樣的單位都換算成kWh,也就是度,這樣比較直觀。

為什么說新能源汽車節能呢?

我們可以看一個表格,表格中國燃油車百公里油耗按照8公升計算。

從表格中可以看出來,燃油車的能耗是新能源汽車的5倍。所以節能這個事實已經擺在這了。同時,我們觀察到一點,就是燃油車浪費的能量很多,這部分能量有多少呢?數據太抽象,我們不妨打個比方:普通的550mL的農夫山泉礦泉水,燃油車跑一百公里,所浪費的能量,可以將1700瓶這樣的礦泉水從20度燒開。

有些人,會有不同的觀點:說電動汽車的電來自火電,那么只是把能量浪費的部分,換了個時間,換了個地方而已。這種說法很有道理。如果煤或天然氣發電的效率是30%,那么從煤或天然氣開始計算,電動汽車百公里的能耗就變成了83kWh。雖然仍然比燃油汽車更節能的結果沒有改變,但是似乎優勢就不那么大了。

可是有一點值得注意,就是燒煤或天然氣那70%的能量,雖然沒有發電,但是并沒有浪費掉,會議熱能的形式繼續被利用,尤其是在冬天。

Mirai的能耗有多少?約每百公里39kWh

氫能用到公路交通上,實際上有兩種應用形式,一種是直接的氫氣內燃機,比如寶馬的“氫7”,還有著名的施瓦星格州長推崇的悍馬H2H。這種車不在我們的討論范圍;另一種,是燃料電池汽車,比如豐田的Mirai,本田的FCX Clarity。

對什么催化劑,雙極板這些問題,不論是從成本還是技術上都已經討論的太多了,我們還是單一從節能的角度去分析下,看看能得出什么結論。

燃料電池有很多種,在汽車上使用的,是質子交換膜燃料電池,簡稱PEMFC,利用氫氣和氧氣,在電池內反應,生成水。這個過程中沒有二氧化碳排放。

首先,顧名思義,燃料電池,燃料指的就是氫氣。氫氣的能量密度是多大呢?每公斤氫氣為39kWh。以豐田的Mirai為例,一輛車加氫量為5公斤,如果這輛車續航為500公里,那么它的百公里功耗是多少呢?

經過簡單計算,Mirai每百公里的能耗是39kWh。一個看上去還好的數據。但是為了公平起見,我也想在追根溯源一下,氫氣到底是從哪來的。

氫氣的來源很關鍵

氫氣來源是多種多樣的,但是綜合來看,為了不讓事情太復雜,我們只看看最常用的兩種獲取氫氣的方式,天然氣裂解和水電解。根據《Clean urban transport for Europe》一文中的描述,制取1公斤氫氣,使用天然氣制氫的能耗是52kWh,而使用電制氫的能耗是11kWh。

插一句,有些人可能會說我用的數據過時了。很多技術已經把電制氫的能耗降到了每公斤5~6度電的水平了,這點我是承認的。因為我本人在2009年,就把制氫的能耗做到了每標方4.2kWh以下,折合每公斤約為5.3kWh,但是那個設備的成本確實太高了,廣泛推廣,還需要時間。既然提到了費用,我想我要食言一下,大概說一下制氫的成本。天然氣裂解獲取一公斤氫氣的成本大概在1.5~2元,水電解獲取一公斤氫氣的價格在3~4.5元。成本上的優勢,使得天然氣制氫仍然是主流。再多說一句,氫氣的運輸成本一公斤大概在10~20塊錢,要變成高壓氣體,另有成本,所以不是說把Mirai加滿5公斤的氫氣,有個20幾塊錢就足夠了。

燃料電池汽車節能嗎?不,一點也不!

趕緊轉回來說節能。有了以上數據,我們對比一下不同汽車的實際能耗。

相比燃油汽車,燃料電池汽車并不是十分節能。不過要說明一下,燃料電池的能耗,是按照天然氣制氫來計算的。可能有人要問,我什么要把氣體來源的能耗也要計算在內?首先,如此計算的靈感來自劍橋大學物理系教授David Mackay,我是從他那里學到的。另外,有一點出于我個人的考慮,就是因為這里面有一個隱含的概念:一公斤的氫氣,所包含的能量是39kWh,但是要獲得1公斤氫氣,所需要的能量是52kWh。假設燃料電池的效率是40%,那么一公斤氫氣所能釋放的能量只有16kWh。所以,用燃料電池是一件多么費力不討好的事情啊。我想起梅里克·戈德海文的一句話:“對于兒童作家來說,氫動力汽車是“零排放”,可惜這騙不了氣候。”

如何取得氫氣,一直是一個很現實的問題。綜上所述,取得氫氣的真相,實際上是靠消耗更多的能源來換取的。除此之外,您是否還記得上面談到了一個細節,就是生產一公斤氫氣的成本只要兩三塊錢,但是儲運則需要好幾倍的成本。這說明氫氣在儲存和運輸的過程中,都是不太容易的過程。不是儲存和運輸過程中太耗能,或者效率太低,就是有安全隱患,讓人憂心忡忡。

氫燃料電池汽車是否一文不值?可再生能源是關鍵!

我之前寫過一篇文章《鋰電池雖好,我更看好燃料電池,哪怕還要等上40年》,對于這種燃料電池技術,我是長期看好,短期可行性不大。

對于燃料電池的研究,早在十九實際上半葉就開始了。歷時近兩個世紀的研究,技術發展依然緩慢,可見這種技術的難度。

不談技術本身,咱們還是從節能角度來看。前文所述,燃料電池汽車節能與否,氫氣的來源是關鍵。如果產生氫氣的能耗更低,更加劃算,也許燃料電池汽車就會變成一款節能的產品。比如可以利用太陽能去產氫。

有人會有誤區,說太陽能也好,風能也好,這些都是使用化石能源建造的。但是這些新能源發電設備,如果正常使用,產生的能量要比消耗的能量大得多。比如在北歐國家,安裝在屋頂壽命為20年的并網光伏系統能量產率為4,在太陽能更豐富的國家,比如澳大利亞,能量產率則大于7。所謂能量產率,就是生命周期內產生的能量與制造時消耗能量的比值。壽命20年的風力發電機,能量產率可以到達80。

所以我的觀點,和《第三次工業革命》作者杰里米里夫金先生并不矛盾。新能源和氫能均為未來能源結構的五大支柱之一,五大支柱必須同時存在,他們不但相輔相成,而且缺一不可。燃料電池需要太陽來解套。

日本為什么熱衷于燃料電池?我猜是為了能源安全

日本為什么要發展燃料電池汽車?有人說跟日本的地形有關,日本處于多山多丘陵的地帶,純電動車動力不足,也有人說為了環保。我想原因不會那么簡單。如果要我說,我想應該和日本的能源結構有關。

提到日本的能源,不知道大家會先想到什么?可能中國老百姓,最先想到的會是福島核電站。一次事故,讓我家門口菠菜葉子里,都檢測出了核污染。在福島事故以前,日本是很熱衷發展核電的。因為可能核電更符合日本的國情。

那這和燃料電池有什么關系呢?在國家層面講,能源的儲備,和能源安全息息相關。日本通過核反應堆,可以源源不斷獲得電能,這些電能,怎么樣儲備,是個問題。有人說,那何不用電池直接儲存起來,用的時候再放電,這樣豈不是更好。第一,用電池去儲能,電池有自放電,只能短期存放,長期存放不可能。第二,電池能量密度低,一公斤鋰電池的儲能只有100多瓦時。第三,電池運輸困難,有安全隱患。第四,電池使用受環境影響,比如高溫或者低溫。第五,電池需要定期維護,維護就是把電放了重新充……我還能羅列更多的理由,總之,直接用電池儲存,受限太多。

氫氣就不一樣了,可以長期儲存,加壓后能量密度高,加氫也比充電或者換電方便的多,是非常適合日本島國的能源儲備形式。既然儲存了,總要使用,所以即使有美國的前車之鑒,日本仍在不遺余力的發展燃料電池。燃料電池,有時候會覺得不太像個電池,更像個高能量密度,高效的發電機一樣。再深說就是什么軍轉民,民擁軍,就有點陰謀論了,OK,這個問題點到而止,我們還是正能量一點。

如果從民用角度講,其實日本有核電,核能制氫,是最有效率氫氣生產方式之一。所謂核能制氫,就是用核能來燒水,然后通過高溫,使水轉化為氫氣。因此,日本是有可能低成本多的氫氣的,氫氣也符合日本的能源戰略。所以沒必要驚呼日本現在的氫氣是否來自于電解水。只有有合理的氫氣來源,在日本島國小范圍內,燃料電池汽車也可能會有很好的發展。

多說幾句

截稿時聽到兩個消息,一個是豐田開始做純電動汽車了(不知道開頭提到的那位副總作何感想),另一個是豐田打算將燃料電池汽車引入中國了,不知真假。我所理解的新能源技術本質,只是對已知能源形式更合理的利用罷了。一個地區,有什么樣的能源,就要順理成章的發展什么樣的技術。所以,沒有一種技術形式,放之四海而皆準。先有能源,還是先有技術,并不是先有雞還是先有蛋的死循環。因為縱觀人類簡史,都是先有能源,再有利用。人們先發現了汽油,后發明了汽車。所以有時候靠下游去帶動上游,實際上是很困難的。站在這個角度上,去討論燃料電池汽車是否會有希望,可能會得到不同的答案吧。

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