分享

mwgxq: 新能源汽车路径选择 (题前说明:本文为603学员mwgxq作业,...

 huahu100 2014-11-29

新能源汽车路径选择

(题前说明:本文为603学员mwgxq作业,资料均为网上或学员收集所得,不当之处敬请斧正。且题后的标的均为海选,不具备投资参考价值。)

一、新能源路径选择
目前我国已成为全球最大的能源消费国,而且我国的石油资源短缺,石油进口量以每年两位数字的百分比增长,到2013年石油进口2.82亿吨,对外依存度近60%,已大大超过50%的警戒线,石油节约与替代已成为保障国家能源安全的重中之重。不仅如此,我国还面临着日益严重的环境问题。

随着能源消耗的逐年增加,二氧化碳的排放量也将增加。目前二氧化碳排放中,25%来自于汽车。至2030 年,将由2005 年的281 亿吨增至423 亿吨。在我国,汽车排放的污染已经成为城市大气污染的重要因素,我国的二氧化碳排放目前已居全球第二,减排二氧化碳的压力将越来越大。

近年来,我国的汽车行业发展迅速,已成为世界第四大汽车生产国和第三大汽车消费国。根据国务院发展研究中心估计,2020年我国的汽车保有量将达到1.4 亿辆,机动车的燃油需求将达到2.56 亿吨,为当年全国石油总需求的57%。因此大力发展新能源汽车,用电代油,是保证我国能源安全的战略措施。

以目前中国汽车保有量的增长情况看,10 年内达到每千人300 辆是大概率事件,汽车保有量将从目前的1 亿部左右提升至3-4 亿部,而这将大大提升能源消耗。

因此,从政府层面来看,无论是从能源安全还是环保角度看,新能源将是未来必然的发展方向。2014 年以来,国务院、国家发改委、财政部、工信部、交通部等多个中央部门出台了新一轮的新能源汽车补贴政策,明确支持新能源汽车发展。

结论:国家政策支持新能源战略。

二、动力电池路径选择
尽管从中央到地方都出台了新能源汽车的支持和补贴政策,但新能源汽车居高不下的价格,对消费者来说仍是一道坎。新能源汽车到底有多贵?举个例子,比亚迪新能源汽车E6定价31万~33万元,而汽油车比亚迪S6定价10万~13万元。比较几家车企的部分车型发现,新能源汽车的定价通常是可比汽油车定价的2倍~3倍,即便减去补贴,仍然要高出60%~100%。

新能源车缘何如此贵?主要原因是电池成本高。以锂电池车为例,在整车中锂电池占比40%左右,算占比最高的部件。而在锂电成本中,又以正极材料的价格占比最大,一般占比30-40%。

因此从长远看,车企还得不断降低电池成本,以此增强新能源汽车在价格上的竞争力。当前,已有多家车企提出计划,拟用数年时间加大研发,降低电池成本,让更多新能源车走入寻常百姓家。

目前电动车用电池情况如下:

当前车载电池用的比较多的为锂离子电池,锂离子电池的优缺点及应用领域如下:
1)优点:
a)输出电压高(3.6V)
b)能量密度大
c)自放电小,循环寿命长
d)无记忆效应,可快速充放电
e)无有毒有害物质
2)缺点:
a)温度影响电池容量
b) 安全性能不好
3)应用领域:
a)消费电子
b)电动交通工具
c)大型动力电源
d)二次充电及储能领域

而在锂离子电池中,目前使用较多的是磷酸铁锂电池和三元锂电池。由下图可以看出其市场份额在不断提高。


氢能源电池作为新能源汽车的最新发展方向留待下节做专门介绍。
铝空气电池和盐水电池均为最新技术,多处于实验室阶段,相关资料介绍也不多,留待后续技术突破再做考察。

结论:动力电池路径选择三元锂电池、磷酸铁锂电池、氢能源电池。

三、燃料电池路径选择
燃料电池按燃料类型可分为直接型、间接型和再生型;按电解质种类又可分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸盐型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物型燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。


20多年来,燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段,燃料电池的研究和应用正以极快的速度发展。在所有燃料电池中,碱性燃料电池(AFC)发展速度最快,主要为空间任务,包括航天飞机提供动力和饮用水;质子交换膜燃料电池(PEMFC)已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用;磷酸燃料电池(PAFC)作为中型电源应用进入了商业化阶段,是民用燃料电池的首选;熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)也已完成工业试验阶段;起步较晚的固态氧化物燃料电池(SOFC)作为发电领域最有应用前景的燃料电池,是未来大规模清洁发电站的优选对象,100kW管式SOFC电站已经在荷兰运行,Siemens和三菱重工都进行了SOFC发电系统的试验研究。相比之下,SOFC、MCFC和PEMFC会是最有前景的技术路线,其中质子交换膜的方式应用最为广泛。

燃料电池和锂电池相比较如下:



锂电池的优势在于更安全、成本更低,而燃料电池的优势则在于充电时间更短、能量密度更高。

结论:SOFC、MCFC和PEMFC会是最有前景的技术路线,其中质子交换膜的方式应用最为广泛。

四、氢能源电池路径选择

1、氢能源的优势
氢能源的优势:
1)      无污染
燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应,而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式--最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放象COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。如上所述,燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的(光伏电池板、风能发电等),整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。
2)      无噪声
燃料电池运行安静,噪声大约只有55dB,相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装,或是在室外对噪声有限制的地方。
3)      高效率
燃料电池的发电效率可以达到50%以上,这是由燃料电池的转换性质决定的,直接将化学能转换为电能,不需要经过热能和机械能(发电机)的中间变换。

2、氢能源汽车推广过程中的问题
氢能源有诸多其他燃料所没有的优点,而且国内外在开发氢能源的研究领域也取得了一定成果,从表面看,我们似乎找到了一种完美无缺的解决能源危机的途径,然而,它并不是我们看到的那么完美,氢能源的研究也绝不是一朝一夕的工作,科学家和技术工作者们在长期的研究和实践当中总结了一下几点原因,这些也是为什么氢能源至今还没有得到广泛的应用的原因。

1)环保问题  
一般人认为,以氢燃料为动力的汽车只会产生水,事实也的确是这样,那为什么说氢燃料汽车并不环保呢?环球能源网认为,我们必须从其生产原料上来分析,由于技术水平并不先进,以及考虑到成本等的问题,世界上很多国家的氢燃料的生产并不是以水为原料,而是以天然气作为生产原料,先前讲到了,如果要电解水取得氢气,那需要很大的能量消耗,而且要生产出能量值与普通汽油燃料相当的氢燃料,我们就需要大量的水资源,水同样也是我们这个星球稀缺的资源,因为我们这里讲到的水是淡水,而不是海水。而天然气的贮存方式相对成熟得多,而且我们可以用并不算多的天然气生产出能量值与普通汽油燃料相当氢燃料。因此,作为氢燃料生产商来说,为了降低生产成本,他们宁愿选择天然气。问题就出在这里,天然气也属于化石能源的范畴,那么使用它就必定会产生大量的二氧化碳,从这个层面上来讲,我们的氢能汽车并不环保。

2)经济成本问题
如今我们很多的加油站都是以提供化石燃料为主,而没有单独提供氢能燃料的场所,如果我们要利用起的加油站,那么就必须修建大量的输送管道,而且这样做的前提是,氢能汽车的数量一定要达到一个合适的规模,数量过少的话,那修建输送管道的成本就显得有点高了。而如今,我们只能从一些新能源展会上才能看到氢燃料电池汽车的身影,大街上主要行驶的还是普通汽油驱动的汽车,即便是在巴西这样的新能源汽车大国,其80%以上的汽车使用的也是乙醇,而非氢燃料电池。因此在可以预见的将来,我们还很难将氢燃料电池汽车推广出去,至少在工艺上我们还不过关。

3)节能降耗问题
我们研究氢能源,最根本的就是要解决能源匮乏的大问题,但是如果为了获得氢能源要以消耗更多的其他能量为代价,未免有些得不偿失,舍本逐末。一般情况下,我们要获得氢,都会从水里分解出来,这就需要用到电,需要将交流电转化成直流电,这过程将使得氢分子中的能连损失2%-3%,接下来我们开始电解水,在此过程中能效只能达到70%,其余30%的能量被消耗掉。经过上述两个过程,我们获得了氢气,但是由于是气体,因此其体积非常大,这个就需要我们用10000磅/平方英寸的大气压强对氢气进行压缩处理,这个过程又将耗能15%,即便是经过了这一系列处理,同等质量的氢燃料所包含的能量值也只有普通汽油燃料的20%所有,并且要贮存这些氢燃料需要很大的存储设备。此外,为了保持氢燃料电池的稳定,我们还要将温度控制在零下253度,这一过程再次耗能30%-40%。在运输过程中,由于我们很难保持零下253度的恒温,因此我们还将损失10%的能量,而在氢燃料被注入汽车前,我们又损失了大约50%的能量,最终我们还将损失10%的能量,因为氢能汽车的能效只有90%。综合上述所有的过程,我们要驱动一辆氢能汽车的能耗高达80%!

3、氢能源汽车的技术瓶颈
为了解决推广氢能汽车过程中遇到的问题,我们首先需要解决三个技术问题:
1、大量制取廉价氢气的方法。传统的电解方法价格昂贵,且耗费其他资源,无法推广。
2、解决氢气的安全储运问题。
3、解决汽车所需的高性能、廉价的氢供给系统。目前常见的供给系统有三种,气管定时喷射式、低压缸内喷射式和高压缸内喷射式。随着储氢材料的研究进展,可以为氢能汽车开辟全新的途径。而最近,科学家们研制的高效率氢燃料电池,更减小了氢气损失和热量散失。

氢能源目前最大的问题是储运成本高于汽油4倍,而氢的燃烧效率又比石油高一倍,如与传统汽车相比,燃料电池车能量转化效率高达60-80%,是内燃机的2至3倍。所以目前只要将氢的成本降低一倍,就能让氢动力应用处于经济性许可范围内了。

下文分别针对这些问题进行论述。

4、制氢技术路线选择
制氢的途径可谓多种多样,目前各种FCV 车载氢源系统如下图所示:


各种制氢途径示意如下:


对于上述各种制氢路径进行实证研究,其能源消费和温室气体排放情况如下:

1)        总能量消耗

总体分析,建立大规模氢工厂和输配基础设施的集中制氢路线的总能量消耗普遍低于现场制氢路线,如天然气集中制氢的总能量消耗仅为天然气现场制氢的总能量消耗的80%;目前上海市加氢站采用的焦炉气工业副产氢的燃料电池汽车路线,其总能量消耗是传统汽油车路线的60%以下。而其他集中制氢路线,如生物质集中制氢和太阳能制氢的燃料电池汽车路线的总能量消耗也大大优于传统汽油车,仅是传统汽油路线的65%以下。

采用现场制氢路线,除了北京市加氢站目前采用的天然气现场制气氢的燃料电池路线的总能量消耗是传统汽油车路线的80%以下,其他现场制氢的燃料电池汽车路线均高于传统汽油车路线,包括天然气基甲醇现场制氢、煤基甲醇现场制氢、电解水现场制氢。在使用气氢或者液氢的燃料电池汽车路线中,煤基甲醇制氢的总能量消耗最差,其总能量消耗指标达是传统汽油路线的200%以上。

此外,使用气氢的燃料电池路线总能量消耗普遍低于使用液氢的燃料电池汽车路线,如天然气基甲醇现场制取气氢的总能量消耗仅是天然气基甲醇现场制取液氢的90%,这是由于氢气液化阶段的能耗高于气氢压缩,生产液氢产品需要消耗更多的能源,造成更高的排放。

车载制氢方式的燃料电池汽车路线中,采用汽油、柴油、压缩天然气、液化石油气和天然气基甲醇车载制氢的燃料电池汽车路线的总能量消耗均低于传统汽油车路线,仅是传统汽油路线的75%以下;而煤基甲醇车载制氢的燃料电池汽车路线的总能量消耗则是传统汽油车路线的130%以上,略高于传统汽油路线。从另一方面分析,无论是天然气基甲醇或者煤基甲醇,车载甲醇制氢的总能量消耗均略低于甲醇现场制氢,这主要是因为车载甲醇制氢所得到的氢气直接用于燃料电池,而没有压缩或者液化耗能。

2)        化石能量消耗

化石能量消耗是指在整个循环中,所消耗的来自石油、天然气和煤的能量。由于当前人类社会对化石能源的依赖性最强,所以对化石能量消耗的比较有助于明晰各种燃料/驱动技术组合途径对化石能量的依赖性。

对于天然气基和煤基燃料路线,无论是集中制氢路线、现场制氢路线、车载制氢路线,其化石能量消耗的变化趋势均与总能量消耗的变化趋势类似,采用煤基甲醇制氢的化石能量消耗最差,达到传统汽油路线的200%以上。

对于可再生能源,其化石能量消耗大大低于传统汽油路线,生物质集中制氢和太阳能制氢路线的化石能量消耗仅为传统汽油车的20%以下,化石能源节约效果显著。

3)        石油能量消耗

从保证石油安全的角度分析,除了汽油车载制氢燃料路线和柴油车载制氢燃料路线以外,无论是集中制氢路线、现场制氢路线、车载制氢路线,均表现出良好的节约石油资源的特点,其石油能量消耗仅为传统汽油路线的5%以下。

4)        温室气体排放

本研究所涉及的大部分集中制氢燃料电池汽车路线(除煤气化制氢)和车载制氢燃料电池汽车路线(除煤基甲醇车载制氢)的温室气体排放都低于或与传统汽油路线的温室气体排放相当。上海市加氢站目前示范运行采用的焦炉气制氢的燃料电池路线中,当焦炉气被作为工业副产品时,其温室气体排放仅是传统汽油车路线的25%以下。

采用现场制氢路线,除了北京市加氢站目前示范运行采用的天然气现场制气氢的燃料电池路线的温室气体排放是传统汽油车路线的70%以下,其他现场制氢的燃料电池汽车路线均高于传统汽油车路线,包括天然气基甲醇现场制氢、煤基甲醇现场制氢、电解水现场制氢。其中煤基甲醇制氢和电解水制氢的温室气体排放最差,达到传统汽油路线的170%以上。

值得关注的是,可再生能源制氢,特别是生物质制氢和太阳能制氢的路线,其温室气体排放仅为传统汽油车路线的20%以下,是未来燃料电池汽车技术大规模商业化的发展方向,对于保障能源安全、减缓气候变化具有重要意义,其发展依赖于未来生物质气化制氢技术、太阳能制氢技术和成本等方面的突破。

分析结果表明,天然气制氢技术路线、含氢工业尾气回收氢技术路线、可再生能源制氢技术路线和车载制氢技术路线的能耗和温室气体减排效果普遍优于传统汽油车。考虑到近期燃料电池汽车小规模示范阶段,可再生能源制氢和车载制氢的技术和成本问题无法得到突破,因此天然气制氢和含氢工业尾气制氢成为近期燃料电池汽车制氢路线的重点。

结论:
1)各种制氢路线的上游氢能生产阶段的能耗均远高于传统燃料。
2)各种制氢方式的燃料电池汽车路线分析均表现出良好的节约石油资源特点。
3)中远期建立大规模氢工厂和输配基础设施的集中制氢方式可以进一步降低能耗和温室气体排放,为FCV商业化推广应用奠定基础。
4)可再生能源制氢是未来燃料电池汽车大规模商业化应用的发展方向。
5)从能耗和温室气体减排的角度考虑,在氢燃料质量得到保障的前途下,现阶段采用电网电水解制氢的路线能耗和温室气体指标恶劣,不值得推荐。
6)在氢气液化技术的能耗无法得到大幅度降低时,液氢储运的技术路线当前是不值得推荐的。
7)焦炉气制氢是现阶段煤基燃料制氢最经济、环境友好型的路线。
8)车载制氢方式的燃料电池汽车路线取决于未来车载重整反应器技术的突破。

5、氢的储存
车载纯氢储存方法主要分为:高压氢气储存、液态氢储存、金属贮氢、活性炭吸附贮氢和碳纳米材料贮氢几种。

(1)高压氢气储存

 氢气压缩机把氢气压缩灌入到车上携带压力容器中,是目前最简单和最常用的车载纯氢储存方法。世界已有的燃料电池大客车示范项目中,采用这种车载储氢方法的就占了大多数。耐高压的储氢压力容器及材料是这种方法的关键。高压氢气存储方法的主要问题是:①容量小。中国大量使用的是以普通钢材制成的压力容器,储氢压力为15Mpa时,氢的重量仅占总重量的1%,体积容量约0.008kg H2/L。不过,当使用特种高强度奥氏体钢材料制成的容器时,储氢重量可达总重量的2%-6%。②安全性差。高压容器本身就需要特殊的照顾与维护,况且容器中装的是易燃易爆又易渗漏的氢气。车祸时可能有严重的后果。③实施问题。容器压力愈高,充氢站的建设、压缩运行所化的代价愈高。而且充装1立方米氢气要耗电0.5度左右、而1立方米氢气经燃料电池发电仅得2度电。

(2)液态氢储存

  戴姆勒一克莱斯勒公司研制开发的NECAR3型和NECAR4型以及通用公司研制开发的“氢动一号”燃料电池电动汽车均采用液氢为燃料。理论上,在各种储氢方式中,无论是从体积密度还是从重量密度的角度看,只有氢气以液态储存才能达到最高的储存密度。目前,液氢存储的重量比约5%-7.5%,体积容量约0.04kg H2/L。不过,由于低温容器的热漏损,液氢的生产、储存、运输对注,以及氢液化消耗大量的能量等问题,使携带液氢规模实施是不可行的。

目前我国生产的液氢主要是为航天工业服务, 尚未普及到民用领域,因此我国示范运行的燃料电池车均采用压缩气氢作为氢源。由于气态氢的密度很小, 为提高单位容积的储氢量, 燃料电池公交车和小轿车均采用已商业化的耐压为35MPa的高压储存容器。

(3)金属氢化物储氢

该方法首先使氢与金属形成金属氢化物,加热后,金属氢化物分解脱氢而得氢气。金属氢化物储氢与压力容器储氢相比:①单位重量的储氢量并不高,储氢材料加上容器后,单位重量的储氢量低于高性能材料的压力容器,储氢重量为总重量的1.5%以下。②单位体积的储氢容量有所提高,为0.05kg H2/L。③储氢压力为1MPa~2MPa,远低于压力容器,提高了安全性,充氢站要求及充氢能耗皆降低。④金属氢化物对氢气中的少量杂质如O2,H2O,CO等有较高的敏感度,高于燃料电池电极催化剂的敏感度,因而提高了对原料氢的质量要求。⑤存在金属氢化物的机械强度、反复充放后的粉碎等问题。目前,金属氢化物可反复充放的次数不多且价格昂贵,所以以金属氢化物作为储氢方法的运行费用是很高的。③储氢化物的容器要能够耐高压,还要有足够的换热面积,能够迅速的传递吸氧和放氢反应过程中释放或者需要的热量。

(4)活性炭吸附贮氢

 活性炭低温吸附具有相当好的储氢能力,在-196℃,4.2MPa时,活性炭的储氢量约总重的5%。但是考虑到-196℃的低温、4.2MPa的压力,兼有高压容器法和液氢法的弱点,在车上也不是可行的方法。

5)碳纳米材料贮氢

纳米碳管被认为是一种非常有潜力的高容量的储氢材料。然而目前所报道的其高储氢容量争议很大。此外,纳米碳管的价格昂贵,目前还未解决其规模制备的方法,加上纳米碳放氢难,放氢的容量低,放氢速率低,实际应用困难,所以其技术的发展难以预测,至少在较短的时间内是不可能实际应用的。

不同的储氢方法对氢气纯度的要求也不尽相同。表1为各储氢方法对氢气纯度的要求。高压氢用的是纯氢,而其它储氢方法要求的是高纯氢或超纯氢。氢的纯化分离能耗成本很高,因此对氢的纯度要求越高则存储方法的成本越大。

表1各种储氢方式对氢气纯度的要求



结论:各种储氢方式都有其弱点,就车载系统来讲多采用液态氢储存方式,但也面临着低温容器的热漏损,液氢的生产、储存、运输对注,以及氢液化消耗大量的能量等问题。

6、氢气输配
根据氢的状态不同,氢气输配可以分为气氢输送、液氢输送和固体氢输送,其中前两种方式是目前正在使用的方式。针对不同的输送距离、用氢要求和用户的分布情况,压缩气氢或液氢可以采用管网的方式,或通过储氢容器装在车船上进行输送。管网输送一般适合于短距离、用户集中的输配场合;而车船转运则适合于运输距离远、用户分布比较分散的场合。各种氢气输配方式的优缺点比较如表2所示。

国外多数加氢站都采用长管拖车(Tube Trailer)运输氢气,北京和上海较大规模商品氢运输也采用长管拖车。长管拖车由车头和拖车组成,到达加氢站后两者可分离,所以管束也可用作辅助储氢容器。目前常用的管束一般由9个直径约为0.5m,长约10m的钢瓶组成,设计工作压力为20MPa,可充装氢气3500Nm3。管束内氢气利用率与压缩机的吸入压力有关,大约为75%-85%。

表2氢气运输方式比较


7、成本问题的解决
氢燃料电池的技术问题和安全性等问题近两年获得全面突破,实现了技术的稳定性,从技术角度看,已经具备产业化的能力。突破主要体现在电池性能、寿命、成本等各方面。

目前燃料电池组的制造成本约为1000 美元/kw,2015 年产业化顺利有望降到500 美金/kw,成本下降主要通过四种途径:1、量产;2、供应链的搭建3、提高性能。4、降低催化剂(Pt)的用量。如果2012 年成本是1 的话,15 年降低50%以上,17 年降低到15%,手段是小批量降低制造费用和成本,2020 年,预期降到10%以下,基本和锂电池相当了。

以下一组统计数据显示,燃料电池的成本在逐步降低,距离商业化应用只是时间问题。



结论:作为新能源汽车核心部件的氢能源电池,虽然当前还面临着氢的制取、储存和输配等技术难题,以及成本太高,短时间内还难以快速渗透市场,但是随着国家产业政策的支持,企业的重视程度不断增加,各项技术获得突破,市场化运作只是时间问题。

五、新能源汽车路径选择
电池作为新能源汽车最昂贵的组成部分,其成本占整车造价的30%到40%。以电动车为例,裸车4万,动力电池4万,电机是1万,成本是9万;而补贴是5万7,地方一般是1比1,也是5万7,也就是说这辆车成本是9万,补贴是11万。因此若补贴能够到位,这个车的市场容量是无限的,因为即使企业直接送给消费者也可获利。另外一方面,从上述数据可看出电池占的成本是4万块钱,其弹性很高。

并且新能源汽车在能源上的节省是显而易见的。以目前的比亚迪E6 计算,百公里实际耗电量为15-16 度电,工业用电价格基本在1 元/度左右。以此计算,百公里费用为15-16 元。而传统汽车,以百公里油耗10 升计算,平均每升汽油价格在7 元左右,则百公里费用为70 元,是新能源汽车花费的4-5 倍。加之目前国家和地方政府在新能源汽车从牌照、税费到价格的补贴,使得新能源汽车在价格上的劣势已经越来越小。

因此,从技术上和价格上,电动汽车已不存在明显劣势和短板,已经逐步获得了市场的认可。

总结前文,电池作为新能源汽车的核心部件,其演进路径大致如下:

动力电池演进路线:锂离子电池(磷酸铁锂电池、三元锂电池)-->燃料电池(氢能源电池)

从而进一步可得出新能源汽车的演进路径为:

新能源汽车演进路线:混合动力车(短期目标)-->纯电动车(中期目标)-->氢能源汽车(终极目标)。

六、新能源汽车相关标的
申明:如下标的均为海选,不具备投资参考价值。


    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多