未来的汽车的供能系统,究竟是从电池组携带能量,还是从燃料电池发电?目前我们所处的时代,正在围绕着这个问题展开激烈的斗争。
在过去的数年间,中国,见证了锂电池的崛起,我们也成为了全球锂电池生产和消费的巨头,
德国Fraunhofer储能监测报告:量化分析电动汽车及锂电池全球市场(上)
德国Fraunhofer储能监测报告:量化分析电动汽车及锂电池全球市场(下)
于此同时,燃料电池的发展也列入了我们国家未来的五年发展计划之中。中国正在投资必要的基础设施,到2030年,全国将会建立起3000个加氢站。这样的情况不仅仅发生在中国,不管是欧盟、美国、日本或世界其他地区都发出了不同的声音,显然。锂电池与燃料电池的赛道已经建立,技术竞争蓄势待发。
观点一
埃隆·马斯克:氢燃料电池是“令人难以置信的愚蠢”!
早在2015年,“钢铁侠”就声称:“如果你要选择能量存储机制,你应该选择甲烷或丙烷,因为他们更容易制取。”马斯克说道:“我只是认为(氢燃料电池)非常愚蠢......制造氢气并储存并在汽车中使用它非常困难。”,“如果你拿一块太阳能电池板直接给电池组充电,与电解相比,取氢,分离氧气,压缩氢气......这大约是其效率的一半。”
其实,马斯克的话也不无道理。与电池相比,氢燃料电池的能源转化效率上始终比电池低,相较于特斯拉的BEV效率,目前市面上最好的FCV在效率上仍然不及BEV一半;另外,在工业产业链发展与基础设施(加氢站)建设上,氢燃料电池与锂电池的差距仍有数十年。
燃料电池的发展仍在继续,但充电基础设施,氢气的大规模生产及其库存都滞后。氢的使用需要大量的基础设施建设,高质量和大型蓄压器。燃料电池,压力罐(碳纤维)的生产,加油的氢气价格,所需的加氢站基础设施和H2生产设施的建设都显得过于昂贵。除此之外,目前,以化石能源为原料的热化学过程在工业上应用较为广泛, 主要包括烃类蒸汽转化、重油部分氧化、煤气化和水电解等制氢方法。在氢的主流生产过程中,也存在着污染和低效率的问题。
观点二:
“未来的市场属于燃料电池”
多年来,丰田一直将氢燃料电池押在电池电动汽车上,以实现其零排放汽车战略。丰田燃料氢电池是丰田公司运用在mirai新能源车上的先进技术,丰田氢燃料电池就像是一个发电站,它通过氧气和氢气进行化学反应才生产电,不是像普通储电池那样需要充电,只需要添加氢气,通过化学反应产出电。
氢燃料电池的续航优势相比锂电池也很明显,同样续航500公里,普通锂电池充电需要很长的时间,超级快速充电也需要一个半小时,而氢染料电池只要3分钟就可以加满氢气。另外,在能量密度上,氢也远远超过了锂离子,两者甚至都不在同一个数量级上。
氢燃料电池汽车还有有以下优点:
加氢就像加油一样,一般只需3~5分钟。而电动汽车的充电则是一个缓慢的过程。即使特斯拉推出了超级充电站,通常也需要1个小时以上。
氢燃料电池主要的成分是氢,我们知道水的化学式是氢二氧,氢燃料电池在使用寿命结束后,并不会对环境造成污染。而锂离子电池则含有很多重金属,如果回收不当,就会对环境造成更大的污染。
氢燃料电池储能密度高,且重量轻,续航里程普遍更远。通常会超过500公里,而纯电动汽车则根据电池容量的大小,目前大部分纯电动汽车续航里程在300公里左右,少数车型可以达到400~500公里。
另一方面,欧洲也是氢燃料电池研究的另一个大本营。随着德国能源转型的不断深入,大量的新能源并入电网,以欧洲最大的能源研究机构之一 - 于利希研究所(Jülich research center)正在倡导将新能源发电(风电)转化为氢能,以解决可再生能源发电产生的电网波动与消纳问题。
研究所主任Detlef Stolten教授指出:“在风能的帮助下,现有风力涡轮机将产生如此多的额外电力,在2050年它可以取代德国家庭目前需要供暖的天然气。此外,通过电力市场的调控,用电高峰时间每年将减少90太瓦时。我们可以将这部分电能以70%的实际效率电解水,产生的氢燃料可以供应1600万辆燃料电池汽车运行。”
“燃料电池还可以实现分散式电源。依赖天然气网的家庭甚至小型住宅可以并行使用燃料电池。我们在讨论移动性的过程中,也不要忘记整个能源系统中燃料电池的补偿功能。”
孰优孰劣?答案也许不止一个
燃料电池PK锂离子电池
当前,全球能源和环境系统正面临着巨大的挑战。其中,作为石油消耗和二氧化碳排放大户的汽车产业,也正面临着一场革命性的变革,将包括纯电动、燃料电池技术在内的纯电驱动作为新能源汽车的主要技术方向,已然成为世界各国形成的共识。燃料电池汽车是电动汽车汽车电池的另一个重要方向,与锂离子电池相比,可以清楚地看见两者间有着明显的优缺点。
首先,是从安全性角度出发。
燃料电池的安全隐患:氢气的泄露与控制,是燃料电池系统安全隐患的主要来源,属于物理层面,而锂离子电池的安全隐患则主要来自于不易控制的链式反应,属于化学层面。因为链式反应速度极其短暂。就可控性角度说,锂离子电池的控制难度要高于燃料电池。不过在遇到极端剧烈碰撞的情况下,燃料电池的危害程度则要更大。当然这也仅仅是理论上,氢气本身因为快速逃逸的特点使得泄漏时间很短,加上高压氢气瓶耐撞击、跌落、枪击等非常规性能也为安全提供了保障。
其次,是从低温性能的角度看。
因为低温下电解液的粘度增大电导率下降,会导致电池极化内阻急剧增加,一般厂商都不推荐零度以下的放电行为,因此锂电池需要外部提供供热来解决低温问题。燃料电池低温起步性能差,但随着启动后自身放热的增加,电堆的温度会很快稳定在80-90℃的正常工作温度范围。不过关于燃料电池如何实现低温启动,特别是不使用外辅电前提下的低温启动是一个重要的研究课题。
第三,是从成本角度考虑。
总体上看,无论是燃料电池还是锂离子电池,在价格上都要高于传统能源。特别是氢气的来源、存储以及安全使用等条件的复杂与严苛,导致氢燃料电池成本居高不下,短期内难以取得优势。以大批量产数据来看,锂电池成本最终会突破1000元/kwh;燃料电池的成本目前还是很高的,期望远期大批量实现的前提下可能去接近于现在内燃机的价格。
第四,是充电所需消耗的时间。
冗长的充电时间始终是锂离子电池一个难以磨灭的痛点。在一般的充电模式下,一辆装有锂离子电池的车,需要耗费3到8个小时才能充满。相较之下,燃料电池就显得方便快捷了许多,以氢燃料电池为例,直接加氢仅需3到5分钟,就能满血复活。
第五,续航里程。
这可能是所以纯电动汽车,特别是锂离子电池汽车最大的痛点了。传统的锂离子电池在续航能力上很难突破500km,相比之下能量密度高且重量更轻的燃料电池,在续航里程上就能够达到更远。
第六:温度影响。
燃料电池汽车可以通过整车综合热管理,保持和夏天一样长的续航里程,这一点是锂离子电池不能做到的。锂离子电池不管是PTC加热还是空调加热,都要消耗电量。燃料电池夏天的时候需消耗电量来给空调供电,而在冬天的时候只需用废热给乘客舱保温和采暖。所以从理论上讲,冬天的里程应该比夏天还长。目前有机构在开展基于朗肯循环的废热发电研究,若能实现将进一步提高燃料电池的效率。
第七:成本平衡。
燃料电池和纯电动汽车的成本平衡点不同,乘用车是500公里左右,商用车100公里左右:
氢燃料电池系统更适合替代柴油机,锂离子电池系统更适合替代汽油机。
相对于远程公交、双班出租、城市物流、长途运输等一些交通方式,燃料电池汽车具有清洁、零排放、续航里程长、加速时间短的特点,是适应市场需求的最佳选择,所以我们要及时地把产业化重点向燃料电池汽车拓展。
—— 全国政协副主席、中国科学技术协会主席万钢
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