作为二次能源的重要载体,是电力还是氢能的选择似乎很早就有定论。究竟是电力会持续看涨,还是氢能会远期爆发?仍然存在变数,而随着多家上市公司纷纷布局,技术进步至关重要,将为行业商业化提速带来条件。
提到新能源汽车,很多人的第一反应是锂电池车。当前市场上大规模商用的也是以锂电为动力的纯电动车。
事实上,新能源汽车动力中,氢燃料车的优点更为明显,它突破了三元电池的能量密度限制,具有能量密度高、续航里程长、零排放且无废电池二次污染等特点,被称为“动力电池的终极解决方案“。
一个世纪的差距
电力发明和应用始于19世纪70年代,由此掀起了第二次工业化高潮,20世纪以来出现的大规模电力系统是人类现代化进程中最重要的成就之一。
目前电力在工业部门能源消费占比约为40%、建筑部门约为50%、交通部门约为5%,是主力能源之一,电能比(一次能源中用于发电的比例)平均接近40%,全球发电量已经超过23万亿千瓦时,输电线路总长度超过百万公里,是当之无愧的主要能源载体。
考虑到能源基础设施的锁定效应和生命周期,要从根本上撼动电力的主载地位,从当前相当一段时期看,几乎是不可能的。
对氢能源的关注要追溯到20世纪70年代的石油能源危机时期,氢能主要来源是水,是地球上最为丰富的资源,既可用于道路、航空、航海、航天等移动源动力,又可用于分布式场合,固、液、气态都可储存,曾被认为是短期内最好的交通替代能源,也是长远的战略能源。
美国在2003年曾发起氢能源计划,澳大利亚、巴西、加拿大、中国、欧盟、意大利、英国、冰岛、挪威、德国、法国、俄罗斯、日本、韩国、印度等都参与过氢经济的国际合作,但随后即偃旗息鼓。
目前全球处于运行之中加氢站总数不过百座,氢能产量约为1亿立方米/天,输送管道仅约3千公里的。氢能的发展目前仅仅只能看做是储备技术路线,唯一存在突破的可能是在电力消费占比还比较低的交通部门。
成本是短期制约因素
随着近年来全球应对气候变化、节能减排、发展转型等变化,非化石能源消费占比持续提升,而这些能源的利用方式大体上都是发电,从而也推动全经济范围整体电气化水平的提升。
如果说前十年还看不出交通部门的能源结构演化趋势,目前看电气化、智能化、信息化的端倪初露,在铁路运输中电力牵引已经替代内燃牵引成为主导方式,中国、俄罗斯、德国、日本、法国等电气化铁路里程占比已经超过50%。
其次在新能源汽车销售方面,纯电动车型销量比例超过七成、混合动力车型约占三成,在补贴和政策倾斜的作用下,电动汽车一枝独秀,正在逐渐蚕食传统汽柴油内燃车的增量市场。
但是近年来日本频频发布氢能汽车的成果,三分钟可加满高压储氢罐并可实现700公里以上的续航里程,同时还能进入量产,还是相当诱人的。
对于行业人士而言,氢燃料电池技术并不算新鲜,堪称行业“旧爱”。它的发展其实比锂电池要早。
氢燃料汽车分为两类,一类是燃氢汽车,只需要对现有内燃机稍加改进,就可以直接燃烧氢气,凭借氢气高出汽油三倍的热值;第二类则采用氢燃料电池的,与现有纯电动车结构类似,使用电机驱动汽车,相比普通电动车,氢燃料的优势在于续航里程更长,加氢时长预期仅需3-5分钟。
但目前制氢的工艺路线主要包括天然气蒸汽转化、石油蒸汽转化、甲醇裂解、液氨裂解、水电解、煤炭气化等,氢能的市场价格约为3-6美元/千克,百公里成本约为5-10美元,约为电动汽车的3-10倍左右。
目前,日、美、德等均在发展氢燃料汽车产业,美国加利福尼亚州被认为全球氢能源产业发展最好的区域之一。美国能源部曾列出全国的氢燃料公共加注站,其中超过90%的加氢站位于加利福尼亚州境内。但是现阶段加州已经有数百辆氢能源汽车,加氢站建设基本满足车辆州内行驶燃料补充需要。
氢气管道的造价约65万-225万美元/公里(直径长度1-4米),天然气管道的造价约30万-130万美元/公里,电网的造价按输电电压、回路不同约为20-450万美元/公里,800-1100的特高压平均输电成本仅为2-4分/千公里。
即使考虑充电站、加氢站等基础设施建设,从成本上看,电力在交通部门仍然优于氢能。氢能要实现规模扩张,从技术到系统仍需要大的突破。
国内外氢能发展历程
包括我国在内,世界许多国家都将氢能作为战略性能源来发展。由于其具有零污染、高效率、来源丰富、用途广泛等优势,备受环境污染困扰的诸多国家都将氢能视为“未来能源”。
国外氢能发展早且重视布局,早在20世纪70年代,世界上许多国家和地区就广泛开展了氢能研究。
2003年,时任美国总统小布什就在美国发起过“自由车倡议”,其重点即为资助汽车氢动力领域的研究与实践,为美国能源寻找新的替代品。
然而,由于氢能利用的成本较高等因素,以美国、日本等为代表的国家“氢能计划”曾一度被搁置,随着石油、煤炭等一次能源的储量逐渐减少导致能源紧缺,各国构建“氢能社会”的愿景才在2014年被重拾。
当今,氢能源的全球最为积极的推动者非日本莫属。早在2014年,日本的资源能源厅就发布了《氢能与燃料电池战略路线图》,为氢能发展制定了“三步走”计划,并提出到2030年,日本的氢能相关产业要达到1万亿日元(约合88亿美元)的规模。
值得一提的是,日本政府提出要建设“氢能社会”,更要将2020年的东京奥运会打造成一场氢能盛事。届时,运动员和观众来往于各奥运场馆将乘坐最新的氢能源公交车。
虽然美国没日本那么狂热,但也是氢能的积极建设者。在2015年底,美国从国家层面开启了新的氢能计划,美国能源局向国会提交了《2015年美国燃料电池和氢能技术发展报告》,分析预测了未来氢能市场的发展潜力,并决定投资3000万美元用于发展先进氢能与燃料电池技术。
从市场实践层面来看,汽车产业成为全球氢能技术应用领域的“领头羊”。日本领军车企丰田研发的“未来”氢能源轿车已经于2014年年末在日本上市,引起一时轰动。而本田和日产也在分别研发各自的氢能轿车。
综上,氢能的研发在国外的热度极高,对氢能源汽车的市场应用也是处于领先状态。在我国听到氢能源汽车的消息似乎很少?难道我国对氢能研究和应用并不重视?
我国氢能研究也不甘落后。其实在氢能领域开发利用方面,中国也不甘落后。在2006年至2013年期间,福田汽车与清华大学等单位涉足氢燃料电池客车的研发,并携手亿华通共同研发氢燃料电池物流车。到2014年,福田就生产出了5辆12米长的氢燃料电池客车。
现如今,福田汽车已成立欧辉、欧马可氢燃料电池汽车生产基地,形成了涵盖氢燃料电池客车研发、制造、燃料供给等各环节的完整产业链。而作为国内的前缘科技排头兵的广东省,经过多年的发展,已具备了“制氢-储氢-运氢-加氢-氢气燃料发动机-整车示范运行”全产业链的技术储备和试点运行经验。
可以看出,在氢能研究方面,我国高等院校和研究所也不甘落后,在氢能的应用方面,国内的福田氢能源客车也备受国外高校和领导人物青睐。
总体而言,国内外氢能的研究和应用虽然有所差异,但基本同步。氢能源的发展过程也是在稳步提升,逐渐在新能源汽车上开始尝试应用。或许不久将来将会有更多的新能源汽车搭载氢动力。甚至有人认为氢动力将替代锂电成为新一代的“能源之星”。
真理掌握在谁手里
氢能的技术路线之争最引起国人关注的主要在于邻国日本,日政府正联手其国内几家最大的制造企业,竭力打造所谓的“氢能社会”,夺人眼球的“2020年氢能奥运”、即将上市的“未来氢能汽车”以及“氢能住宅”,对氢能的补贴也大大高于电动汽车。
但氢能来源仍然是问题,“核能+海水”、“澳煤进口”制氢的路线并不为人所看好。而技术的推广还与应用规模有关,日车企在全球有较高的市场占有率,对推动氢能汽车发展有基础,但也面临与电动汽车一样的基础设施和成本的挑战,合理的建设成本、创新的商业模式还是前提条件。
氢燃料电池车的最大优势在于续航能力完全可与燃油车相媲美,但从目前的市场力量对比看,很难说不出现赢者通吃的局面,届时付出惨重代价的可能就是少数派路线。
电力的最大优势还在于可以自由互联,并自带信息属性,与数字同质同源,这恐怕是氢能无可比拟的。但在分布式、储能等领域,氢燃料电池还可以与电力携手,共同形成一个新的能源网络。
德国Brandenburg不久前建成了世界上第一座用氢能作为电力存储中介的混合能源电站,这项技术能够高效地将当地过剩的风能和太阳能转化为氢能,并利用现有的天然气设施进行长期储存,在需要时重新转化为电能。
“化电为氢”的尝试可能为纾解长期电力存储和远距离输送的瓶颈提供一种新的思路。只有突破能源存储这一大难题,一个崭新的可再生电力时代才有可能尽快到来。氢能源和可控核聚变技术一样,都是人类的梦想。
主载之争可能并不太重要,更为长久的判断现在还为时过早,真正重要的还是彼此形成能源革命的合力,共同来驱动一个更好的世界。