氫能汽車發(fā)展面臨挑戰(zhàn)

□ 張 博 魏壽祥 宋倩倩 周笑洋

氫能汽車發(fā)展面臨挑戰(zhàn)

□ 張 博 魏壽祥 宋倩倩 周笑洋

加氫站的普及是未來(lái)氫氣作為能源大規(guī)模利用的最基本條件，未來(lái)隨著電池電動(dòng)車儲(chǔ)能性能的提升，氫燃料電池汽車將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

長(zhǎng)期來(lái)看，氫氣仍將主要作為石油和化工生產(chǎn)原料，部分作為燃料使用。李曉東 供圖

在工業(yè)革命以來(lái)，化石燃料是人類利用的主要的能源。但當(dāng)前面對(duì)全球不斷變暖的趨勢(shì)，人類需要尋找清潔的可再生能源，降低化石燃料的消耗。近年來(lái)隨著排放要求的提升、儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展、燃料電池技術(shù)的進(jìn)步，氫氣能源體系逐漸進(jìn)入人們的視野。

氫氣作為能源，具有熱值高、反應(yīng)速度快、可通過(guò)多種反應(yīng)途徑制得、能以氣態(tài)或液態(tài)儲(chǔ)存、釋放能量后的產(chǎn)物是水等優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)也存在需要通過(guò)其他能源轉(zhuǎn)化而獲得，生產(chǎn)至利用過(guò)程中產(chǎn)生大量碳排放，運(yùn)輸和儲(chǔ)存危險(xiǎn)性高，能源利用效率低等缺點(diǎn)。目前氫氣在生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和利用等環(huán)節(jié)上還面臨一些問(wèn)題，短期來(lái)看，建設(shè)的氫氣能源體系可以成為化石能源體系的補(bǔ)充，在解決上述問(wèn)題后，氫氣能源體系將比化石能源體系更加清潔和高效。

氫氣的綠色制取

與傳統(tǒng)化石能源相比，氫氣最大的優(yōu)勢(shì)在于其釋放能量過(guò)程中完全無(wú)排放，但是由于難以從自然界直接獲取，其與電能相似，是一種二次能源，需要由一次能源經(jīng)過(guò)加工或轉(zhuǎn)換得到，其能否成為一種真正的綠色能源，除要考慮使用中的排放外，還必須考慮制取過(guò)程中的排放。

目前氫氣可以通過(guò)烴類轉(zhuǎn)化、電解水、核能、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化、可再生能源轉(zhuǎn)化（太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等）等方式制取。其中烴類轉(zhuǎn)化、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化等本質(zhì)上是將有機(jī)物中的氫提取，而碳則轉(zhuǎn)化為二氧化碳進(jìn)行排放；電解水需要消耗電能，要取決于電能是否清潔；核能制氫則會(huì)產(chǎn)生核廢料；可再生能源發(fā)電制氫或直接制氫不產(chǎn)生其他排放，是真正的綠色氫氣。

根據(jù)IHS公司數(shù)據(jù)，當(dāng)前全球氫氣生產(chǎn)來(lái)源主要有烴類轉(zhuǎn)化（包括天然氣、液體烴和煤炭）占92%，其余8%為電能轉(zhuǎn)化（包括氯堿工業(yè)和直接電解水），新型制氫技術(shù)主要還停留于實(shí)驗(yàn)室階段，占比極小?？紤]到電能也是二次能源，需要由其他能源轉(zhuǎn)化，并不能認(rèn)為完全綠色。根據(jù)IEA最新公布的數(shù)據(jù)，2015年全球發(fā)電量中可再生能源占比為23%，預(yù)計(jì)至2021年可再生能源占比可提升至28%，以此計(jì)算，當(dāng)前真正不產(chǎn)生排放的綠色氫氣不足總產(chǎn)量的2%。當(dāng)前氫氣的生產(chǎn)仍主要依賴化石能源體系，綠色氫氣距離我們還有一定的距離。

短期來(lái)看，氫氣的生產(chǎn)仍將主要依靠化石能源和電能，未來(lái)獲取更多的綠色氫氣可能通過(guò)三個(gè)途徑來(lái)達(dá)到：一是開(kāi)發(fā)IGCC、CO2捕捉利用等技術(shù)減少化石原料制氫的碳排放；二是發(fā)展綠色電能，提升電能生產(chǎn)中可再生能源比例；三是加快開(kāi)發(fā)可再生能源直接制氫技術(shù)，如太陽(yáng)能直接制氫，完全擺脫對(duì)化石能源和電能的依賴，實(shí)現(xiàn)真正的綠色生產(chǎn)。

氫氣儲(chǔ)運(yùn)的優(yōu)化

作為銜接生產(chǎn)和消費(fèi)的重要環(huán)節(jié)，經(jīng)濟(jì)、高效和安全的儲(chǔ)運(yùn)方式直接影響到氫氣的推廣應(yīng)用。目前由于航天燃料需求有限，氫氣作為能源使用的主要目標(biāo)為車用燃料，因此氫氣的儲(chǔ)運(yùn)也主要針對(duì)車用燃料，美國(guó)能源部（DOE）對(duì)氫燃料電池儲(chǔ)氫系統(tǒng)確立的目標(biāo)是2020年儲(chǔ)氫量達(dá)到5.5%。

當(dāng)前氫燃料電池汽車加注時(shí)間僅為3～5分鐘，與汽油車加油時(shí)間相當(dāng)。李曉東 供圖

目前氫的儲(chǔ)存方式主要包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、深冷液態(tài)儲(chǔ)氫、化學(xué)儲(chǔ)氫和吸附儲(chǔ)氫。其中物理吸附儲(chǔ)氫效率較低，且實(shí)驗(yàn)室研究主要還集中于低溫吸附（-200℃左右），無(wú)法達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求；化學(xué)儲(chǔ)氫中金屬氫化物等儲(chǔ)氫能力已經(jīng)達(dá)到DOE標(biāo)準(zhǔn)，但還停留在實(shí)驗(yàn)室階段；有機(jī)液體氫化物儲(chǔ)氫最高理論儲(chǔ)氫量為7.2%；深冷液態(tài)儲(chǔ)氫能量密度高，但由于氫的臨界溫度極低，液化需深冷至-253℃以下，液化過(guò)程中需要消耗氫氣本身能量的1/3，另外液化裝置及液氫儲(chǔ)槽制造成本很高；高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫已經(jīng)完全產(chǎn)業(yè)化。2015年日本豐田公司開(kāi)發(fā)的燃料電池車“MIRAI”投入市場(chǎng)，其儲(chǔ)氫量達(dá)到5.7%，行駛里程與燃油汽車相當(dāng)。

在能量密度方面，儲(chǔ)氫技術(shù)較電池技術(shù)具有巨大的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)DOE的測(cè)算，儲(chǔ)氫量達(dá)到5.5%的儲(chǔ)氫系統(tǒng)，其質(zhì)量能量密度可達(dá)到1800瓦小時(shí)/千克，而當(dāng)前電池電動(dòng)車使用的18650電池能量密度僅為210瓦小時(shí)/千克，特斯拉未來(lái)將生產(chǎn)的20700電池能量密度約為240瓦小時(shí)/千克，因此在儲(chǔ)能方面，儲(chǔ)氫較電池具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。以現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展來(lái)看，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和有機(jī)液體儲(chǔ)氫已部分實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，但是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫仍然面臨能耗高以及公眾對(duì)高壓容器安全性的擔(dān)憂等問(wèn)題，而有機(jī)液體儲(chǔ)氫仍需解決脫氫反應(yīng)溫度較高需要使用貴金屬催化劑的問(wèn)題。

目前，氫氣的運(yùn)輸仍然是基于壓縮或液化過(guò)程后的管道運(yùn)輸和罐車運(yùn)輸。在歐美工業(yè)地區(qū)已經(jīng)建成了少量高壓氫氣輸送管道，但是由于“氫脆”作用的存在，需要使用特殊材料，使成本比天然氣管道高50%～80%。而使用罐車運(yùn)輸氫氣，以全車總重36噸計(jì)，可運(yùn)輸液態(tài)氫4.5噸或80MPa高壓氫氣0.3噸，分別占總重12.5%和0.8%，運(yùn)輸效率較低。

綜上所述，由于氫氣在儲(chǔ)存運(yùn)輸過(guò)程中需要進(jìn)行壓縮或液化，但上述過(guò)程耗能高且運(yùn)輸效率低下，而且由于“氫脆”作用及儲(chǔ)存的高壓、低溫條件，儲(chǔ)運(yùn)對(duì)容器及管道材料有特殊要求，使投資成本大幅增長(zhǎng)。加上氫氣本身具有危險(xiǎn)性，不適宜長(zhǎng)期儲(chǔ)存。因此對(duì)于氫的儲(chǔ)運(yùn)，應(yīng)當(dāng)盡量避免長(zhǎng)距離運(yùn)輸和長(zhǎng)時(shí)間大量?jī)?chǔ)存。但是由于相對(duì)于電池在能量密度方面優(yōu)勢(shì)明顯，應(yīng)重點(diǎn)研發(fā)車用儲(chǔ)氫系統(tǒng)、推廣即時(shí)制氫和消費(fèi)終端制氫。

氫能汽車面臨諸多挑戰(zhàn)

氫氣是一種十分重要的工業(yè)原料，廣泛應(yīng)用于石油化工、電子工業(yè)、冶金工業(yè)、食品工業(yè)、浮法玻璃等領(lǐng)域，也是一種能源，主要應(yīng)用于航空航天工業(yè)和燃料電池等領(lǐng)域。石油煉制及化學(xué)工業(yè)占?xì)錃饫玫?7%，其他工業(yè)生產(chǎn)及燃料用途僅占3%。

世界能源理事會(huì)預(yù)測(cè)，到2060年氫氣在車用燃料中的消費(fèi)比例為2%，電動(dòng)車比例則為8%。長(zhǎng)期來(lái)看，氫氣仍將主要作為石油和化工生產(chǎn)原料，部分作為燃料使用（主要為汽車燃料）。

氫氣作為清潔能源主要應(yīng)用于燃料電池領(lǐng)域，人們也寄希望于其能解決日后能源危機(jī)問(wèn)題。20世紀(jì)60年代，氫燃料電池就已經(jīng)成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域，之后氫燃料電池性能不斷改進(jìn)，目前氫燃料電池的發(fā)電效率可達(dá)65%以上，遠(yuǎn)高于汽油機(jī)及柴油機(jī)。

氫燃料電池汽車發(fā)展面臨的最主要對(duì)手是電池電動(dòng)車。在能量效率方面，由于電池電動(dòng)車直接將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，其能量效率達(dá)到84%，而氫燃料電池汽車需要將電能轉(zhuǎn)化為氫，再由氫轉(zhuǎn)化為電能，中間過(guò)程產(chǎn)生能量消耗，最終能量效率僅為46%，遠(yuǎn)低于電池電動(dòng)車。因此僅從能量效率及能量消費(fèi)的成本來(lái)比較，氫燃料電池汽車與電池電動(dòng)車相比不具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

在燃料的來(lái)源方面，氫氣的加注需要在特別建設(shè)的加氫站進(jìn)行，加氫站需要配備制氫裝置、氫氣壓縮機(jī)、高壓儲(chǔ)氫罐及加注機(jī)等設(shè)備，上述核心設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用達(dá)總建設(shè)費(fèi)用的70%以上。我國(guó)分布式制氫加氫站單站建設(shè)費(fèi)用在1200萬(wàn)～1500萬(wàn)元，另外運(yùn)行過(guò)程中還需要考慮對(duì)天然氣或電能的消耗費(fèi)用。而對(duì)電池電動(dòng)車而言，除可以在充電站進(jìn)行充電外，包括特斯拉在內(nèi)的多家電動(dòng)車廠商都提供了家用充電樁安裝服務(wù)，在安裝家用充電樁后，僅需要每晚在家充電就可以滿足全天用電需求。因此從燃料的獲取而言，電池電動(dòng)車僅需要對(duì)現(xiàn)有電器線路稍微進(jìn)行擴(kuò)充升級(jí)就可以達(dá)到使用要求，而氫燃料電池汽車需要進(jìn)行大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)投資才能滿足用戶的基本需求。

在燃料加注速度方面，當(dāng)前氫燃料電池汽車加注時(shí)間僅為3～5分鐘，與汽油車加油時(shí)間相當(dāng)，電池電動(dòng)車充電時(shí)間一般在6小時(shí)以上（常規(guī)交流電，慢充），充電時(shí)間成為電池電動(dòng)車發(fā)展的一大瓶頸。近期，特斯拉開(kāi)發(fā)的超級(jí)充電樁系統(tǒng)可以在30分鐘內(nèi)為電池充電80%。2016年底，特斯拉宣布其未來(lái)將推出第三代超級(jí)充電站，將使充電功率由當(dāng)前的150kW提升至350kW以上，業(yè)界推測(cè)，未來(lái)特斯拉Model S電動(dòng)車充電時(shí)間可能縮短到5～10分鐘。

當(dāng)前氫燃料電池汽車的推廣面臨以下問(wèn)題：一方面是建立加氣站網(wǎng)絡(luò)不僅需要投入大量的資本，而且還伴隨著很大的不確定性，企業(yè)決策謹(jǐn)慎；另一方面是如果不建設(shè)加氫站，少量加氫站無(wú)法為用戶提供基本服務(wù)，汽車制造商不愿意投資生產(chǎn)氫燃料電池車，因此造成氫燃料電池汽車商業(yè)化推廣遠(yuǎn)低于電池電動(dòng)車。如果不能抓住當(dāng)前在儲(chǔ)能效率和充能速度上的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)隨著電池儲(chǔ)能和充電技術(shù)的不斷進(jìn)步，氫燃料電池汽車將喪失現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)，生存空間將被電池電動(dòng)汽車擠占。

（作者單位：中國(guó)石油天然氣股份有限公司石油化工研究院）