|
2019年的氢能源舆论宣传沸反盈天。有媒体说：电动车和氢能源车都是国家战略，是互补不是替代。也有媒体说：氢能源是国家战略，中短期大力发展电动化，未来长线规划氢能源。还有媒体说：氢能作为一种绿色、高效、安全、可持续的二次能源，被视作21世纪最具发展潜力的清洁能源。氢能源真的是高效绿色安全的吗？ 我们将从氢/电生产制备，运输加充，氢/电车的成本寿命，氢/电电池废旧处理四个产业环节论述对比氢能源车和电动车的整体能效。让大家看清楚氢能源车相对于电动车简直是一无是处！
氢气最大的用量是用在合成氨，世界大约60%的氢是用在合成氨上，我国的比例更高。为了改善环境的要求，目前对汽、柴油的质量要求在不断提高，炼油过程的加氢裂化和加氢精制过程，也需要应用大量的氢气，还有许多其他工业需要用氢。化工重整等过程副产的氢气是远不够现有工业用氢。要全面发展氢能源车就得重新建造煤制氢厂或者水电解氢厂。 氢气是二次能源，它的生产必须通过一次能源化石燃料加电能，或者水加电能来获得，再就是化工副产品。目前1标方氢气的成本大约是0.6-3.5元。
电能同样是二次能源，但是离开了电，氢气是无法产生的。我国火力发电2018年占全国发电总量的73.23%，其次是水电16.24%，核电4.33%，风电4.79%，太阳能1.32%。1度电的上网电价大约在0.2-1.1元之间。 我国目前加氢站每标方氢气价格大约在4-6元，氢燃料电池轿车大约能行驶8公里左右，每公里氢气成本大约是0.6-0.9元。 我国目前停车位的充电桩充一度电的价格大约在0.4-1.2元之间，电动车大约能行驶7公里左右。每公里电费成本大约是0.06-0.17元。二者相差近十倍。 2018年我国全年发电设备平均利用小时数为3862小时，1年有8760小时，去除检修等其他因素机组可以有效利用7500多小时。可见我国目前发电厂装机有50%的产能闲置。我们不好好的直接利用电能，充分发挥发电厂的现有资产价值，却重新再花钱去建设制氢工厂生产和电能一样的二次能源。还需要经过高损耗运输（储存和运输巨大危险爆炸性的风险），到了最终用户端，已经是电能价格的十倍。 为了防止燃料电池催化剂中毒，用于氢燃料电池车的氢气纯度必须在99.97%以上，同时对于氢气中其它气体杂质的含量也划分了严格的界限。而氢气提纯设备我国基本采用进口设备。
氢气的运输主要是气态、液态下通过储氢容器装在车、船运输，用量大时可采用管道输送。长管拖车是国内最普遍的运氢方式，但由于氢气密度很小，而储氢容器自重大，所运输氢气的重量只占总运输重量的1-2%。当运输距离为50km时，氢气的运输成本约为5元/kg。距离500km时运输成本约为20元/kg。 低温液态氢储运装备（大容积液氢球罐、液氢运输及加注设备）、高压气态氢储运装备（车载高压氢气瓶、固定高压储氢容器）我国与国外存在差距，关键设备依赖进口。储氢新材料我国与国际先进水平存在更大的差距，国内大多处于研发试验阶段。 氢气管道输送，由于管材易发生氢脆现象（即金属与氢气反映而引起韧性下降），从而造成氢气逃逸，因此需选用造价很高的含炭量低的材料作为运氢管道。氢气管道的造价是天然气管道造价的两倍以上。氢脆对氢气储存、运输容器及输送管道都具有氢腐蚀，有氢脆阶段和氢浸蚀两个阶段。因此影响容器和管道的使用寿命。 含20%体积比氢气的天然气-氢气混合燃料可以直接使用目前的天然气输运管道无需任何改造，这也是日本发展氢能源车的一个重要原因。日本是一个资源匮乏的岛国，2018年前一直是世界第一大天然气进口国，至今还是LNG第一进口国。天然气发电厂的装机容量世界第一。因此，日本有完善的天然气输送管道。氢燃料是一种完全脱碳的高能燃料，日本依靠战略盟友澳大利亚的褐煤制氢。日本本土火力发电和核能发电都没有可持续性。发展氢能源这是资源匮乏的小国日本的无奈选择。 我国的电力是无可争议的全球第一。无论是发电还是输配电，其效能和规模都是世界最领先的。我国电网已近遍布全国的各个角落。电动车的电能输送损耗，从发电厂到充电桩的损耗大约为10%。最重要的是这些都是现成的，已经建设完备。充电桩的成本已可以忽略不计的设置在停车场的停车位上。以后可以利用物联网进行场区容量分配错时充电，避免电力线路的增容改造费用问题。 加氢站：目前日加氢量500kg的35MPa加氢站的建设成本在1200万（不含土地），其中设备成本约占百分之八十。加氢站系统的三大核心装备为氢气压缩机、储氢系统和氢气加注机，氢燃料电池汽车压力为70兆帕，但加氢站使用的压力是35兆帕，所以加氢非常困难，目前我国加氢站仍无法按照国际标准实现3-5分钟快速加氢，达不到商业化运营标准。即便在国外的70兆帕的加氢站实际加氢也需要5-7分钟。但下一个司机必须再等20分钟，这样储氢罐中才能形成足够的压力来供应氢。压缩到70兆帕的高压，需要氢气压缩机消耗很高的电量。这也是导致终端氢气价格高昂的因素之一。 加氢站的核心设备都是纯进口设备。我国对燃料电池加氢站予以400万元/站的补贴，地方补贴不低于300万元/站。这等于大部分补给了国外设备厂家。泵和压缩机这些精密机械设备，技术进步非常慢，跨越和代替国外产品需要几十年的时间。 有人用建设充电站需要300-500万元和1000万元的加氢站对比，我国目前私家电动车基本不会去充电站充电。停车场到处都是几乎可以忽略成本的充电桩。为何不好好发展利用国家现成的电网资源，却硬要重新花费巨额资金建设无效损耗巨大、爆炸风险的商业加氢站。 氢能源的大量使用将会造成氢气较多的逸散，而氢的还原性强，极易与臭氧层中的臭氧发生反应，将造成更大的臭氧空洞，危及人类的生存环境。氢气与压缩天然气、液化天然气甚至液化石油气相比，氢气的爆炸极限更大，危险性也更高。2019年5月，韩国的一个氢燃料储存罐发生爆炸，造成了在场人员伤亡。9月，一家韩国化工厂发生了氢气泄漏引发的大火，造成了人员烧伤。这使得氢能源安全性在韩国群众心中受到质疑；2019年6月，美国加州圣塔克拉拉的一家化工厂的储氢罐泄露爆炸，导致当地氢燃料电池车的氢供应中断。同月在挪威一家加氢站发生爆炸，导致人员受伤。这四事件一共造成2死11伤，日本丰田和韩国现代已经停止了氢燃料电池汽车在日本、韩国、挪威的销售。
氢燃料电池车是一个发电装置，是将氢气内含的化学能转换为电能，其效率为30-50%。而动力电池是一个储能装置，其效率为90%以上。氢燃料电池的效率比动力电池低40-60%。 氢能是二次能源，必须来源于一次能源 电能或者水 电能而产生。由图一可知： 1公斤煤通过煤制氢运输到加氢站再用到氢燃料电池车，能行驶0.62公里。总效率损失为155%； 1公斤煤发电后再水电解制氢后到加氢站用到氢燃料电池车，能行驶3.11公里，总效率损失为215%； 1公斤煤发电后电网输送到充电桩充到电动车，能行驶22.7公里。总效率损失为65%。 电动车的能源效率利用，比氢燃料电池车高出95-150%。行驶里程电动车更是高出36倍。 氢能源被誉为高效的无污染的绿色能源，如果应用到商业的燃料电池车上，那相对于电动车的电能，氢能源就是一个渣渣。 用氢燃料电池的发电装置和电动车的储能电池装置的能量密度来比较二者的动力性能，这就好比关公战秦琼。我们用功率质量里程来比较二者的动力性能的优缺，这样才能真实的体现出二者乘运实用性的优劣。 氢燃料电池车丰田Mirai外形尺寸为4890/1815/1535mm，总重量1850kg。最大功率114kW。可行使502公里。 氢燃料电池车现代NEXO163外形尺寸为4670/1860/1630mm，总重量1814kg。最大功率118kW。可行使570公里。 电动车比亚迪唐EV外形尺寸为4870/1950/1725mm，总重量2295kg。最大功率前180 后180kW。可行使500公里。 电动车特斯拉ModelX外形尺寸为5037/2070/1684mm，总重量估计2000kg。最大功率前202 后285kW。可行使550公里。 同等级车型续航里程基本相同的情况下，氢燃料电池车的动力性能不到电动车的50%，差距巨大。 燃料电池技术专利申请量中排名前10位的企业中，日本企业占了7席，其中整车厂包含丰田、本田、日产，美国仅通用占1席。丰田体系的公司将48.6%的技术垄断在自己的手中。氢燃料技术我国没有优势，氢燃料电池的制造方面，如燃料电池堆、车载供氢系统的技术同国际先进水平同样在较大差距，膜电极、质子交换膜、双极板、低铂催化剂、碳纸、空气压缩机、氢气循环泵、70MPa氢瓶等关键零部件仍主要依赖进口。如果我们大力补贴发展氢燃料电池车，那就是为国外厂商做嫁衣。 而纯电动汽车的区域专利数量中国领先其他国家，数量占绝对优势。其次是才是日本、美国。我国在电动车的制造应用方面基本处于整体领先地位。国内氢燃料电池技术与国际形成了代差，以引进技术为主。这恐怕又要走和我国传统内燃机汽车一样的旧路。 氢燃料电池系统占整车价格的50%，而电动车的电池系统占整车价格的40%，氢燃料电池的成本8000元/kW，而电动车电池的成本只有约1000元/kW。价格差距8倍，氢燃料电池车没有市场竞争的价值优势。 氢燃料电池电堆成本超过整车的一半，而电堆中膜电极成本最高，膜电极中催化剂占成本最高，高达35%！质子交换膜是燃料电池商业化进程中的主要阻碍之一，就是贵金属催化剂价格高昂。根据有关方面统计，如果以现有技术进行燃料电池汽车商业化，每年车用燃料电池对Pt资源的需求高达1160吨，远超过全球Pt的年产量(2015年178吨)。 在自然界铂金的储量比黄金稀少，铂金总储量约为1.4万吨。我国现目前查明总储量324吨，占世界现已查明总储量的0.46%，世界矿山铂金年产不足200吨，我国年产铂族金属20吨，而我国年需求140吨。中国大部分花高价从俄国和南非大量进口。这个铂就是瓶颈，完全没有规模化后成本减少的效应，反而需求越多越贵。 1839年英国威尔士科学家威廉·格罗夫发明了燃料电池。1860年法国人普朗泰发明了充电电池。1881年，法国制造了世界第一辆铅酸可充电电池的电动三轮车。1885年视为汽车诞生年。1968年通用汽车公司生产了世界上第一辆搭载氢燃料电池的汽车。1996年丰田公司研发出的第一辆质子交换膜燃料电池汽车。2014年丰田量产了世界上首台氢燃料车型mirai。燃料电池是最古老的电池，比蓄电池的历史还要悠久。一百八十多年都没超越蓄电池，想要在短期内降低催化层的铂载量而降低成本，而大面积商用铂金属会越来越贵，此消彼长之间降低成本的可能性几乎不会存在！ 电动车电池最好、最普遍运用的是三元电池和磷酸铁锂电池。与传统汽车和氢燃料电池车相比，我国掌握发展充电电池技术的重要资源远比跨国公司多得多。锂原等材料价格会保持相对平稳和自主优势。 氢燃料电池的寿命问题，目前国际先进水平的燃料电池寿命是5000小时，部分电堆的寿命可能更高一些，而国内水平只有2000-3000小时。目前国内电动车电池承诺8年或15万公里的质保。深圳投放的比亚迪e6纯电动出租车继创造单车累计行驶50万公里后，续航里程仍超过285公里。特斯拉Model S电动汽车目前创下的最高行驶里程为90万公里。 发展氢能源电池车的另一个舆论就是动力电池的技术发展遇到了瓶颈。而特斯拉称明年就会推出能使用到160万目标的全新电池组。近日特斯拉的电池研究伙伴Jeff Dahn所在的实验室发表了一篇论文，介绍使用寿命超过160万公里的电池。 新电池主要研究单晶镍金属氢化物(NMC三元电池)／人工石墨电池技术，以及电解质添加剂ODTO，声称能提高提高电池的性能和寿命，同时降低成本。其中电池阴极还是以锂为主。 动力电池90万的行驶公里数，已经足以满足任何承运车的需求。动力电池遇到技术瓶颈一说，根本就站不住脚。
目前我国部分先进的拆解回收线已经完全实现了自动化拆解，下一阶段也将会不断地向智能化拆解的方向迈进。政策引导是鼓励先梯次利用、再拆解再生回收处置，以充分发挥废旧电池的经济效益。但受制于电池均一性和成本影响，目前梯次利用的量比较小。数据显示，2017年，全国报废拆解和梯次利用的锂电池（含数码锂电）共8.3万吨，其中电池拆解占比高达95%。 梯级利用都有商业价值，同时不会产生污染物。污染的重点是动力电池在拆解过中产生的污染物治理和拆解后的废固危废的处理。 从目前国内运营的动力电池拆解厂和规划可研的拆解厂可知，运营毛利润约为10-20%，投资利润30-50%，投资回报高达20-38%。 参照10万吨/年废旧锂离子动力电池拆解综合回收项目为例，营运期废气废尘废水固废危废的处理方案如下： 废气方面：硫酸雾设置了酸雾吸收塔、VOCs采用冷凝吸附、氨气设置了喷淋吸收塔。 粉尘方面：引风机引至旋风除尘 布袋除尘系统处理。 废水方面：三元前驱体工艺废水采用精密过滤 多级膜分离 混凝沉淀 催化脱氮工艺；萃余液采用混凝沉淀 多级膜分离，冷冻结晶回收硫酸钠，浓缩蒸发回收氯化钠和氢氧化锂工艺。最终浓水没有设置蒸发固化处理装置，这是一大缺憾。不违规排放是不现实的，富集的浓水含盐量会越来越多，对系统造成严重腐蚀导致生产系统无法安全稳定运行。增加零排放末端蒸发固化装置年费用增加约1000万元。 固废危废方面：塑料外壳、铁壳、钢壳、铝壳和隔膜纸，废铜、废铝等一般固废在厂区暂存后定期外售资源回收公司综合利用；铜渣、铁铝矾渣，布袋收集粉尘，都属于一般工业固体废物外售；废水处理废膜、过滤活性炭，产生量约150t/a，及布袋收集的含镍、钴、锰粉尘、污泥、废水处理废膜等危险废物暂存于危废储存间，付费危废处理单位处置；废水处理站污泥，HW46含镍污泥为危废230t/a，收集的污泥再返回生产线，这个方案不可取。当做危废处理每吨费用5000元。需要160万元/年。 可见10万吨的动力电池，最终通过有投资回报率的商业拆解再生回收处置后的危废只有230 150吨，比例为0.38%。 由于燃料电池的动态响应比较慢，氢燃料电池车都采用了电电混合动力——燃料电池 二次电池（超级电容器）同样配备一个蓄能电池。虽然氢燃料电池的质量功率密度2.0kW/kg是锂离子动力电池0.2kW/kg的十倍。但是加上氢燃料电池加配的二次动力电池。基本相差不大。对于废旧后的环境污染二者基本没有区别。
也有媒体分析认为氢燃料车是几个无核国家为了获得类核潜艇（长电动续航）的副产品，想忽悠其它国家的汽车企业走错技术路线！氢燃料电池车技术，日本、德国、韩国最感兴趣，英法弃之如敝履。中美两国由于体量巨大倒是不妨投入部分力量可做尝试，但不应该大规模推广补贴商用乘运车产业。 氢是二次能源，如果用在汽车的燃料电池上，氢能只能算作是三次能源了。和电动车的能源利用效率相比差了1-1.5倍。能耗行驶里程电动车更是高出氢燃料车36倍。里程行驶成本氢气和电价相差十倍。燃料电池和动力电池的商业价格、里程寿命综合比较，差距巨大，毫无商业价值。燃料电池比蓄电池的历史还要悠久，一百八十多年都没超越蓄电池，大家都在进步超越无可能。氢燃料电池车的加氢宣称3分钟实际氢站加氢得花费20多分钟，相比电动车停车场充电的便利性不值一提。反而去寻找偏远而少量加氢站的路途时间更是个拖累。氢能源汽车的整个上下游产业链（氢气提纯、储存运输、加氢站、氢燃料电池）的核心设备及技术，都是日韩、欧美垄断。如果我国大面积铺开氢能源车的应用，又会像内燃机汽车那样给西方国家做嫁衣。我国电力科技已经走在世界之巅，现成的完备的发电厂输配电网络搁置不用，再花钱去建设制氢工厂、氢气储运网络、加氢站（电动车是停车场充电桩）。由此可见，氢能源用在汽车上，那是一个得不偿失的对整个国家财富的巨大浪费产业行为。 （本文终。字数6502个，图片6张。）
|
|
|
