鉅大LARGE | 點擊量：1342次 | 2019年04月15日
以燃料電池為代表的氫能源將成為新的主導能源！
縱觀人類歷史，文明的進步本質上就是能量輸出強度的進步。早期的農業(yè)文明，動力以人畜、木柴等生物能為主，輸出功率非常有限，還受到土地承載能力的限制，經濟只能在低水平不斷循環(huán)；18世紀工業(yè)革命后，隨著蒸汽機和內燃機的推廣，基礎能源變?yōu)橐悦禾?、石油為代表的化石能源，能量密度提升了上百倍，GDP也終于突破了“馬爾薩斯陷阱”的束縛，呈現了指數型的增長。目前全球能源結構為原油33%，天然氣24%、煤炭30%，核電4%、水電7%和新能源2%，化石能源居于絕對主導地位。但展望未來，我們判斷人類能源結構已經到了再次大變革的前夜，石油將有望在30年內被全面替代，以燃料電池為代表的氫能源將成為新的主導能源！
為了解決了傳統(tǒng)氫燃料電池氫氣的存儲運難題，廣東合即得能源科技有限公司發(fā)明的水氫技術改變燃料電池氫氣的存儲方式，利用催化重整技術，將甲醇水作為原料制氫直接發(fā)電，不再需要將氫氣壓縮裝罐或者管道運輸、通過加氫站使用。做到了“用氫不見氫”，從根本上解決了儲氫和運輸的安全難題。同時，降低了氫能制備和使用成本。
農耕文明發(fā)展后期面臨的最大問題就是，有限的土地資源最終無法支撐人口進一步的增長?；茉醋鳛椴豢稍偕Y源，同樣面臨著資源稀缺性的制約。按照過去20年的消費增速線性外推，全球已探明石油儲量只能支撐30年，即使技術進步能將石油壽命再延續(xù)幾十年，但總還是有用光的一天，相對于人類還要持續(xù)至少千年的歷史，仍然沒有意義。而且考慮到目前勘探程度已經很充分，在發(fā)現低成本大油田的概率很低，潛在供給的開采成本會越來越高。這最終也會刺激替代能源商業(yè)化的大幅提速，如現在鋰電池車的發(fā)展就已經如火如荼，因此經濟意義上的石油枯竭恐怕還會來的更早。未來誰能全面替代石油，成為新一代的車用燃料就成為非常關鍵的問題。
目前替代石油車的主流技術路線就是鋰電池和燃料電池。燃料電池最大優(yōu)勢就是能量密度高，是鋰電池的120倍。鋰電池起步早，商業(yè)化程度更高，整車成本也更低，但其充電及續(xù)航問題短時間內難以解決，相比水氫汽車整個加甲醇和供甲醇的配套網絡都可以從原有的加油站來改建，成本在10萬左右，而且水氫汽車加注甲醇3分鐘即可加滿，與傳統(tǒng)汽油車一樣，有甲醇原料即可繼續(xù)續(xù)航。因此這兩者的競爭核心就是能量密度vs成本的競爭。成本下降是個工程問題，可以通過商業(yè)化來解決，而能量密度面對的卻是基礎科學領域的瓶頸，基本上是無解。因此本質上兩者的區(qū)別是“道與術”的區(qū)別，長期看，水氫汽車無疑潛力更大，也最有望成為下一代車用基礎能源。
人類歷史上每一次成功的能源變革，都有一個清晰的主線邏輯，就是能量密度出現數量級上的躍升。如煤炭比木柴高160倍，石油比煤炭也要高2倍。新能源只有具備能量密度上碾壓性的優(yōu)勢，才有能力顛覆傳統(tǒng)能源憑借著長期發(fā)展建立起來的完善的基礎網絡和工業(yè)配套，并逆轉其巨大的使用慣性。這也有些類似英爾特創(chuàng)始人格魯夫在IT領域提出的10倍速原理，即能夠成功顛覆的新技術一旦出現，基本就是星火燎原、、勢不可擋。如汽油車比電動車出現要晚20年，早期技術也更為不成熟，但還是憑借著能量密度高的優(yōu)勢，摧枯拉朽般的替代了電動車。
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近幾十年雖然各國都在大力推廣電動車，但其占比依然很低，尚不足1%，核心就在于過往的電動車都違反了能量密度提升這個能源變革的主線邏輯。哪怕是最新一代的鋰電池車，其能量密度極值也只有汽油的1/40，行業(yè)自然遲遲無法出現10倍速的改進。但水氫汽車的出現卻徹底改變了這一現狀。其以甲醇制的氫氣為原料，基礎能量密度是汽油的3倍，電動機的做功效率還是內燃機的2倍，實際密度是汽油的6倍，優(yōu)勢明顯。而且從人類過去百年的能源進化史看，其本質上就是碳氫比的調整史，氫含量越高，能量密度越高，未來從碳能源轉向氫能源是大勢所趨，因此采用氫能源的燃料電池無疑更能代表歷史發(fā)展的方向，最有望成為下一代的基礎能源。
機動車性能主要為續(xù)航能力、充電/充甲醇時間、輸出功率和安全性、。水氫汽車的電池能量密度遠高于鋰電池，相應電池容量，快充能力和續(xù)航里程就具備了天然的優(yōu)勢，即使是和鋰電池的頂級豪車Tesla相比也是大幅領先。但其功率密度不高，相應最高時速和百公里加速指標和鋰電池相差不大。為了便于比較，我們下文選取目前主流的2L排氣量汽油車，對應45度鋰電池車和輸出功率100KW燃料電池車作為分析基準。
鋰電池作為蓄電池的一種，是個封閉體系，電池只是能量的載體，必須提前充電才能運行，其能量密度取決于電極材料的能量密度。由于目前負極材料的能量密度遠大于正極，所以提高能量密度就要不斷升級正極材料，如從鉛酸、到鎳系、再到鋰電池（順便科普一下，石墨烯是負極材料問題，即使突破也不改變正極能量密度）。但鋰已經是原子量最小的金屬元素，比鋰離子更好的正極材料理論上就只有純鋰電極，但能量密度其實也只有汽油的1/4，而且商業(yè)化的技術難度極大，幾十年內都無望突破。因此鋰電池能量密度提升受制于理論瓶頸，空間非常有限，最多也就是從目前的160Wh/KG提高至300Wh/KG，即使達到也只有燃料電池的1/120，可謂輸在起跑線上。
水氫汽車的動力原料是甲醇水，其體積能量密度是汽油1/3。同樣跑300公里，水氫汽車甲醇箱體積為100L，重量為30KG，對應汽油車油箱為30L，但電動機體積比內燃機小80L，總體積相差不大。鋰電池車分為三元和磷酸鐵鋰兩種主流技術路線，代表企業(yè)為Tesla和比亞迪。三元能量密度更高，但安全性差，需要輔助的安全保護設備，跑300公里所需的兩種電池體積分別為140L和220L，重量為0.4噸和0.6噸，都遠高于燃料電池。
水氫動力模塊本質上可以理解為以甲醇水為原料的化學發(fā)電系統(tǒng)，因此輸出功率比較穩(wěn)定。鋰電池雖然理論放電效率很高，但為了不傷害電池壽命，使用限制很多。在充滿電的情況下不能大倍率放電，快速放電只適用0-80%這個區(qū)間。即使如此，以5C倍率放電，實驗室中的電池循環(huán)壽命也會縮短到只有600次，真實情況下會進一步降至400次，如Telsa即使最大功率可達310KW，但實際放電倍率也只有4C。而且鋰電池作為能量密度不高的封閉儲能體系，高功率放電和高續(xù)航里程基本很難兼容，除非大幅提升電池重量。即使Tesla采用了目前能量密度最好的三元電池，其電池組件重量都接近半噸。
除了上述指標，安全性對于機動車來說無疑也非常關鍵。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就很難兼容，否則就如同于炸彈。因此現在主流工藝路線中，能量密度低的磷酸鐵鋰安全性卻較好，電池溫度達到500-600度時才開始分解，基本不需要太多的保護輔助設備。Telsa采用的三元電池能量密度雖高，但不耐高溫，250-350度就會分解，安全性差。其解決方法是并聯(lián)了超過7000節(jié)電池，大幅降低了單個電池漏液，爆炸帶來的危險，即使如此也還需要結合一套復雜的電池保護設備（該重量增加也變相削弱了其能量密度的優(yōu)勢）。并且前期發(fā)生的幾次事故，雖然得益于Telsa的安全設計并沒有出現人員傷亡，但就事故本身而言，其實全都是非常輕微的碰撞，車身也沒有收到什么傷害，但電池卻著火了，也側面反映了其安全性上天然的劣勢。
水氫汽車由于原料為甲醇，市場普遍擔心其安全性問題。但相比汽油汽車和儲氫的燃料電池車，甲醇的安全性并不差，甚至還略好。甲醇揮發(fā)性較低，僅是汽油的30%～60%。甲醇對人體主要的毒害在于誤食飲用，對于視力損害嚴重，而且可以致命。但比較容易控制，誤飲中毒可以用碳酸氫鈉、葉酸、酒精等降低它在體內代謝，所以人們普遍對甲醇為劇毒物質的印象是一種誤導。甲醇在環(huán)境中也是安全的，甲醇造成火災、爆炸的可能性遠小于汽、柴油，其著火的極限濃度是汽油的四倍；甲醇泄露的危害也比汽、柴油小，且易于稀釋、撲救和降解，長期儲存不易變質。
電池車的成本主要分為整車成本、原料成本、配套成本。目前對水氫汽車詬病最多就是成本太高，但用發(fā)展的眼光看，隨著技術進步和商業(yè)化程度提高，其成本下降的空間很大。而鋰電池扯如果考慮到電網端擴容的成本，其實綜合配套成本還高于水氫汽車，具體測算如下：
鋰電池車、水氫汽車和傳統(tǒng)汽油車，整車成本的差異主要體現在發(fā)動機成本，其他組件差異不大。2L汽油車發(fā)動機成本在3萬元左右，未來也很難有太大的變化?，F有鋰電池的度電成本為1200元/kWh，未來有望降至1000元/kWh，45度電動車，電池成本為4.5萬元。水氫汽車成本主要是燃料電池組，現在100kw電池組成本為10萬元，預測年產50萬臺后，單位成本將降至30美元/KW，即2萬元。長期看三種動力體系的成本相差不大，可見整車成本并不是核心問題。
2L汽油車百公里耗油為10升，5.8元/L的汽油售價，成本為58元（其中稅負成本接近30%）。鋰電池車百公里耗電量為17度，1.2元/度電成本，成本20.4元。水氫汽車百公里消耗甲醇8L，而甲醇市場價為2元/L，成本16元，和鋰電池差別不大。
建立甲醇補給配套體系可以充分利用現有的加油站系統(tǒng)，將傳統(tǒng)加油機的加注槍更換為甲醇加注槍，僅需要10萬元成本，而且能量補充方式與普通燃油汽車的加油相同，只需將甲醇注入汽車的燃料罐，時間不超過3分鐘，單套設備可以為大量汽車提供能量補給。而且，中石化已在全國范圍布局2000多個甲醇站點，已經具備配套設施基礎。沒有加油站的地方，也能夠通過移動罐裝車來滿足補給需求。
雖然鋰電池現階段依托于現成的電網系統(tǒng)，配套成本很低。但如果大規(guī)模推廣，現有電網的容量冗余基本都將被耗盡，未來必須要大規(guī)模擴容。因此充電站本質上是將配套成本外部化給了電網，因此計算其全產業(yè)鏈成本時還要添加電網端的成本。一般商業(yè)化運營的充電站至少都要達到1小時快充的標準，對應10個充電樁組成的充電站的功率都要達到600千瓦，相當于上百戶家庭的用電負荷，對電網負荷的沖擊極大。對應電網需要新增投資120萬元來擴容負荷，但每年新增售電量只有93萬度（按每天為50輛車充電，每輛車充51度，相當于300公里續(xù)航計算），按照0.65元/度購電成本，電網端15年收回投資測算，則售價要在成本基礎上增加0.18元/度。
新能源車發(fā)展的一個重要邏輯就是節(jié)能環(huán)保，這對我國無疑更為重要。目前我國不但空氣污染嚴重，而且石油進口依存度高達60%，其中85%還要經過美國控制的馬六甲海峽，能源安全已成為我們國家安全的最大軟肋。因此國家給予新能源車巨額補貼，一個重要原因就是為了緩解對石油的進口依存度。那么下文我們就從節(jié)能、環(huán)保和資源約束、方面對兩者進行比較，具體如下：
水氫汽車原料甲醇在我國目前最經濟的手段是煤制甲醇，鋰電池的原料電力，在我國也主要來自于煤炭發(fā)電。因此這兩者本質上能量都來自于煤炭，碳排放只不過是轉移給了上游，因此是否節(jié)能，主要就是看能量轉換效率。目前鋰電池車每百公里耗電17度，對應6.8公斤煤炭、燃料電池每百公里耗氫9方，儲運環(huán)節(jié)損耗20%，對應煤炭為7.3公斤、汽油車每百公里耗油10L，碳排放相當于10公斤煤炭。其實新能源車的節(jié)能效果都不明顯，其核心價值還是在于將一次能源消耗從石油轉化為我國儲量豐富的煤炭，緩解了能源安全問題。而從環(huán)?？矗畾淦噹缀鯖]有尾氣排放，只排放純凈水和少量的二氧化碳，而甲醇在制作過程是需要二氧化碳的，完全可以實現二氧化碳的循環(huán)利用。鋰電池也只有少量排放（但電池報廢后的污染問題比較嚴重），全產業(yè)的污染主要集中在上游。但比起處理分散的汽油車尾氣排放，上游的集中治污無疑難度要小很多。綜合而言，水氫汽車全產業(yè)鏈的污染最低，基本可以認為是最佳的綠色車用能源。
從商業(yè)化程度上看，水氫汽車現在還處于商業(yè)化的前夕，預計爆發(fā)點在2020年左右。目前全球技術領先的企業(yè)是廣東合即得能源科技有限公司，尤其是在乘用車領域幾乎是一枝獨秀，基本達到了商業(yè)化的入門標準。
小結：縱觀人類歷史，每一次能源變革都會帶來整個工業(yè)體系的重構，甚至是全球領導國家的易主。第一次工業(yè)革命成就了英國、第二次工業(yè)革命成就了美國，第三次能源革命是否成就中國？如果水氫汽車未來能全面替代石油車，則配套石油建立的整個工業(yè)體系都將被顛覆，發(fā)達國家在過去200年內燃機時代積累起來的技術優(yōu)勢的價值將大幅縮水，這也相應給了我國一個彎道超車的機會。如果我們能夠把握住這個歷史機遇，就完全有望成為下一代工業(yè)體系的領導國家。日本作為最早研發(fā)出鋰電池的國家，目前卻已基本放棄鋰電池車的研發(fā)，全力猛攻燃料電池，其背后的邏輯很值得我們深思。
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