隨著環(huán)保意識的增強,新能源近幾年成為人們最常接觸的話題。以鋰電為代表的新能源汽車,銷量不斷攀升,逐漸取代傳統(tǒng)燃油車。各國陸續(xù)推出停售燃油車時間表,在我國很多大城市電動車不限號不限行,新能源成為最火熱的賽道之一,新能源板塊托起半個股市。
今年7月,國家發(fā)布了3條氫能相關(guān)文件,地方18省市發(fā)布了33條政策。總體來看,在“雙碳”背景下,除了鋰電,氫能也是另一種新能源的代表,最近也乘著政策的東風(fēng),后起直追。
01
鋰電和氫能目前均發(fā)展較快
2022年6月,新能源乘用車產(chǎn)量56.4萬輛,銷量53.2萬輛,同比增長130.8%,環(huán)比增長47.6%。2022年上半年,鋰電新能源汽車合計滲透率超20%,動力電池裝車量同比翻番。
據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù),2022年上半年,新能源汽車銷量259.15萬輛,同比增長117%。新能源汽車產(chǎn)量265.36萬輛,同比增長118%。新能源汽車滲透率21.5%,同比增長12.2%。動力電池裝車量110.12GWh,同比增長110%。動力電池產(chǎn)量206.45GWh,同比增長176%。
相比鋰電,氫能目前市場很小。截至2021年,全球主要國家氫燃料電池汽車保有量約5萬輛,中國占比約18%,保有量約9000輛。2022年上半年,我國氫燃料電池汽車增長較快。2022年6月,氫燃料電池汽車產(chǎn)量為527輛,銷量為455輛,同比分別增長18.7%和67.3%,環(huán)比增長117%、342%。今年1-6月,中國氫燃料電池汽車產(chǎn)量超過1500輛,銷量接近1400輛。
7月25日,國內(nèi)首款氫燃料電池轎車長安深藍SL03正式上市。作為國內(nèi)首款量產(chǎn)的氫燃料電池轎車,續(xù)航里程達730km,可實現(xiàn)3分鐘超快補能。之前,廣汽集團發(fā)布了全新的氫能源動力系統(tǒng),并發(fā)布全新的氫能源MPV概念車綠境SPACE。據(jù)悉長城汽車已完成對燃料電池乘用車的產(chǎn)品規(guī)劃,并計劃以獨立品牌推出。
北京冬奧會期間共運行了超過1000輛氫能源汽車,車輛由豐田、北汽集團、福田汽車、宇通客車等車企提供,車型包括大巴、公交、轎車、特種車等。這是氫燃料電池汽車第一次在超低溫、長距離、高頻率的環(huán)境下大規(guī)模使用。
02
二者工作原理簡介
氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。其基本原理是電解水的逆反應(yīng),把氫和氧分別供給陽極和陰極,氫通過陽極向外擴散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后,放出電子通過外部的負載到達陰極。
氫能源車是將氫燃料儲存在儲能罐,通過與外部空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生電力并通過電驅(qū)動電動機,再驅(qū)動汽車。例如,豐田Mirai就是用上述氫燃料電池的技術(shù)驅(qū)動。氫能源燃料電池對環(huán)境無污染,如果氫是通過可再生能源產(chǎn)生的,整個循環(huán)不產(chǎn)生有害物質(zhì)排放。
鋰電池是一種充電電池,它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。充電時,鋰離子從正極脫嵌,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極,負極處于富鋰狀態(tài);放電時則相反。充電時,負極嵌入的鋰離子越多,充電容量越高;放電時,嵌在負極碳層中的鋰離子脫出,又運動回正極?;卣龢O的鋰離子越多,放電容量越高。
03
鋰電和氫能的比較
能量利用效率
鋰電池和燃料電池都是利用電,但鋰電池是直接用電,而氫還需要通過電轉(zhuǎn)化而來,因此氫作為二次能源,能量利用效率低于鋰電池。馬斯克看不上氫燃料電池,也是因為這個。
能量密度
能量密度越高,續(xù)航里程潛力越大,負重的潛力也越高。常用能源中,能量密度(比能)大致為:氫燃料(142Mj/Kg)>天然氣(55Mj/Kg)>汽油(46Mj/Kg)>煤(30Mj/Kg)>鋰電池(一般不超過1.8Mj/Kg)。
氫燃料電池能量密度大,重量輕,續(xù)航里程普遍更遠。比如豐田Mirai第二代,可以做到充氫3分鐘,續(xù)航850千米。鋰電池純電動汽車則根據(jù)電池容量的大小決定,隨著技術(shù)進步,續(xù)航里程不斷提高。氫氣加注比充電快,乘用車加氫一般需要3-10分鐘,鋰電池充電一般需要半小時以上。
環(huán)保節(jié)能
氫燃料電池在使用壽命結(jié)束后,并不會對環(huán)境造成污染。氫燃料電池中催化劑使用貴金屬鉑,其存在于整車的氫燃料電池中,且因鉑的化學(xué)屬性,相對容易回收。
鋰電池含有重金屬鎳、鈷、砷等有毒污染物,必須要進行回收處理,如果回收不當(dāng),會造成環(huán)境污染。廢舊鋰電池的資源化回收工藝復(fù)雜,流程長,能耗高,在資源化回收過程中會產(chǎn)生較多的污染物。并且鋰電池相對分散,大家對廢舊電池回收意識比較薄弱,所以目前鋰回收還處于產(chǎn)業(yè)化的早期階段。
現(xiàn)在很多觀點認為,純電動汽車只是在使用周期階段是零排放的,但是整個生命周期中并非零排放。
基于我國現(xiàn)有的煤電為主的結(jié)構(gòu),上游原材料供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)中碳排放占到70%以上。從原材料和整個產(chǎn)業(yè)鏈看,鋰電和氫能都不是零排放。從整體產(chǎn)業(yè)鏈角度來看,氫燃料電池可以實現(xiàn)接近零排放。目前氫的來源主要分為綠氫、藍氫、灰氫,如果實現(xiàn)綠氫,則可以接近零排放。但燃料電池和鋰電池的污染均主要集中在上游,比起處理分散的汽油車尾氣排放,上游的集中治污更容易。
資源依賴
鋰資源的總量分布有限,地殼豐度為0.006%。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計,全球的鋰資源分布不均,主要分布在智利、中國、阿根廷、澳大利亞、玻利維亞等國。中國的鋰資源儲量雖然相對豐富,但受限于開采技術(shù)和成本仍高度依賴進口。鋰資源短缺的局面讓動力電池廠商面臨著考驗。隨著鹽湖提鋰技術(shù),以及鈉電池、固態(tài)電池等技術(shù)的發(fā)展,這一情況將得到改善。
氫氣在整個工業(yè)體系里面很豐富,包括工業(yè)副產(chǎn)氫、煤制氫、天然氣制氫等,足以支持早期的氫能源供給。水通過光分解可制得氫,水的儲量大且低廉,氫燃料燃燒后又生成水,是一種燃燒無害的清潔能源。隨著光伏電解水制氫、太陽能制氫等技術(shù)的突破,制氫成本越來越低,氫的來源也會愈加環(huán)保。
但氫燃料電池需用貴金屬鉑做催化劑,鉑的全球儲量有限,我國儲量并不豐富,這一定程度提高了氫能源電池的價格。隨著技術(shù)進步,鉑的使用量減少,催化劑中鉑的替代品不斷被研發(fā)出來,這一問題亦將得到改善。
安全性
今年7月22日,藝人林志穎駕駛一輛特斯拉發(fā)生車禍。林志穎駕駛特斯時突然右偏撞上路邊隔離帶,車輛起火。姑且不論是否為車輛缺陷問題導(dǎo)致,實際上隨著新能源汽車銷量不斷攀升,電動車碰撞后起火事件時有發(fā)生。鋰電池作為封閉的能量體系,從原理上高能量密度和安全性很難兼容。
鋰電池是一個高能量體,其安全性問題主要集中在燃燒或爆炸。在運行過程中如果出現(xiàn)一些小故障,小故障不斷積累導(dǎo)致安全風(fēng)險變大,因此運行中的安全監(jiān)測很重要。當(dāng)鋰電池因故短路時,內(nèi)部溫度升高,電池正負極、電解液、隔膜間將發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生大量的熱量與氣體,到一定程度就會引起電池著火。電動汽車起火主要原因之一即外部碰撞,碰撞后容易起火是新能源電動車的特征。比如工信部組織制定的《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中規(guī)定,電池單體發(fā)生熱失控后,電池系統(tǒng)在5分鐘內(nèi)不起火不爆炸,為乘員預(yù)留安全逃生時間。
氫氣的安全性也一直被人們關(guān)注。雖然研究表明,氫氣的安全系數(shù)比汽油高,但在很多人眼中,儲氫罐就像一個炸彈。在氫燃料汽車和汽油車的對比試驗中,由于氫氣的密度很低,溢出后會迅速上升并擴散,即使著火,也會發(fā)生在氣源上方,遠離車內(nèi)乘員。
對于氫燃料來說,泄露與控制是其電池系統(tǒng)安全隱患的主要來源,鋰離子電池的安全隱患則主要來自于不易控制的化學(xué)反應(yīng)。鋰電池的化學(xué)反應(yīng)速度快,控制難度要高于燃料電池。但如果遇到極端劇烈碰撞,燃料電池的危害程度可能會更大。任何能源都有一定的安全性問題,隨著技術(shù)進步,高安全性會不斷提高。
性價比
買車成本方面,傳統(tǒng)汽油車主要為發(fā)動機,純電汽車主要為鋰電池,氫能源汽車主要為電池組和高壓儲氫罐。用車成本方面,主要為油價、電價和制氫成本。
配套建設(shè)和用車便利性方面,加氫站建設(shè)成本遠高于加油站和充電站。充電站現(xiàn)階段依托現(xiàn)成的電網(wǎng)系統(tǒng),只要鋪好充電樁就可以獲得能源,配套成本很低。但如果大規(guī)模推廣,現(xiàn)有電網(wǎng)的容量冗余用盡后,亦需要配套投入和擴容。充電站要提高利用率和用戶便利性,必須快充,那么需要同步建設(shè)變電站等配套,對現(xiàn)有電網(wǎng)負荷造成一定沖擊。充電站將配套成本部分外部化給了電網(wǎng),這是其優(yōu)勢。
就目前的技術(shù)程度,無論是氫燃料電池還是鋰電池,價格都要高于傳統(tǒng)的汽油車。特別是氫氣的來源、存儲以及安全使用等條件的復(fù)雜,導(dǎo)致氫燃料電池成本居高不下,短期內(nèi)難以取得優(yōu)勢。但結(jié)合氫燃料電池和鋰電池發(fā)展的階段來看,未來隨著技術(shù)進步和商用化規(guī)模擴大,氫能成本下降空間可能更大。
這些年,鋰電池的價格在技術(shù)和商業(yè)規(guī)模的驅(qū)使下,價格實現(xiàn)了成倍下降。常識告訴我們,氫氣比電易于儲存,這是其屬性決定的。這種特性決定了大規(guī)模生產(chǎn)和使用時,氫能的成本下降空間更大。規(guī)模越大,儲氫越具有經(jīng)濟性。氫燃料電池是適合進行大工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品,只要產(chǎn)量達到一定規(guī)模,成本下降會很快。過去三年間,氫燃料電池的發(fā)動機成本已經(jīng)處在一個快速下降的狀態(tài)。
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