氢能汽车发展面临挑战

□ 张 博 魏寿祥 宋倩倩 周笑洋

氢能汽车发展面临挑战

□ 张 博 魏寿祥 宋倩倩 周笑洋

加氢站的普及是未来氢气作为能源大规模利用的最基本条件，未来随着电池电动车储能性能的提升，氢燃料电池汽车将面临严峻挑战。

长期来看，氢气仍将主要作为石油和化工生产原料，部分作为燃料使用。李晓东 供图

在工业革命以来，化石燃料是人类利用的主要的能源。但当前面对全球不断变暖的趋势，人类需要寻找清洁的可再生能源，降低化石燃料的消耗。近年来随着排放要求的提升、储氢技术的发展、燃料电池技术的进步，氢气能源体系逐渐进入人们的视野。

氢气作为能源，具有热值高、反应速度快、可通过多种反应途径制得、能以气态或液态储存、释放能量后的产物是水等优点，但是同时也存在需要通过其他能源转化而获得，生产至利用过程中产生大量碳排放，运输和储存危险性高，能源利用效率低等缺点。目前氢气在生产、储运和利用等环节上还面临一些问题，短期来看，建设的氢气能源体系可以成为化石能源体系的补充，在解决上述问题后，氢气能源体系将比化石能源体系更加清洁和高效。

氢气的绿色制取

与传统化石能源相比，氢气最大的优势在于其释放能量过程中完全无排放，但是由于难以从自然界直接获取，其与电能相似，是一种二次能源，需要由一次能源经过加工或转换得到，其能否成为一种真正的绿色能源，除要考虑使用中的排放外，还必须考虑制取过程中的排放。

目前氢气可以通过烃类转化、电解水、核能、生物质转化、可再生能源转化（太阳能、风能、水能等）等方式制取。其中烃类转化、生物质转化等本质上是将有机物中的氢提取，而碳则转化为二氧化碳进行排放；电解水需要消耗电能，要取决于电能是否清洁；核能制氢则会产生核废料；可再生能源发电制氢或直接制氢不产生其他排放，是真正的绿色氢气。

根据IHS公司数据，当前全球氢气生产来源主要有烃类转化（包括天然气、液体烃和煤炭）占92%，其余8%为电能转化（包括氯碱工业和直接电解水），新型制氢技术主要还停留于实验室阶段，占比极小。考虑到电能也是二次能源，需要由其他能源转化，并不能认为完全绿色。根据IEA最新公布的数据，2015年全球发电量中可再生能源占比为23%，预计至2021年可再生能源占比可提升至28%，以此计算，当前真正不产生排放的绿色氢气不足总产量的2%。当前氢气的生产仍主要依赖化石能源体系，绿色氢气距离我们还有一定的距离。

短期来看，氢气的生产仍将主要依靠化石能源和电能，未来获取更多的绿色氢气可能通过三个途径来达到：一是开发IGCC、CO2捕捉利用等技术减少化石原料制氢的碳排放；二是发展绿色电能，提升电能生产中可再生能源比例；三是加快开发可再生能源直接制氢技术，如太阳能直接制氢，完全摆脱对化石能源和电能的依赖，实现真正的绿色生产。

氢气储运的优化

作为衔接生产和消费的重要环节，经济、高效和安全的储运方式直接影响到氢气的推广应用。目前由于航天燃料需求有限，氢气作为能源使用的主要目标为车用燃料，因此氢气的储运也主要针对车用燃料，美国能源部（DOE）对氢燃料电池储氢系统确立的目标是2020年储氢量达到5.5%。

当前氢燃料电池汽车加注时间仅为3～5分钟，与汽油车加油时间相当。李晓东 供图

目前氢的储存方式主要包括高压气态储氢、深冷液态储氢、化学储氢和吸附储氢。其中物理吸附储氢效率较低，且实验室研究主要还集中于低温吸附（-200℃左右），无法达到实际应用要求；化学储氢中金属氢化物等储氢能力已经达到DOE标准，但还停留在实验室阶段；有机液体氢化物储氢最高理论储氢量为7.2%；深冷液态储氢能量密度高，但由于氢的临界温度极低，液化需深冷至-253℃以下，液化过程中需要消耗氢气本身能量的1/3，另外液化装置及液氢储槽制造成本很高；高压气态储氢已经完全产业化。2015年日本丰田公司开发的燃料电池车“MIRAI”投入市场，其储氢量达到5.7%，行驶里程与燃油汽车相当。

在能量密度方面，储氢技术较电池技术具有巨大的优势。根据DOE的测算，储氢量达到5.5%的储氢系统，其质量能量密度可达到1800瓦小时/千克，而当前电池电动车使用的18650电池能量密度仅为210瓦小时/千克，特斯拉未来将生产的20700电池能量密度约为240瓦小时/千克，因此在储能方面，储氢较电池具有无可比拟的优势。以现有技术发展来看，高压气态储氢和有机液体储氢已部分实现工业化，但是高压气态储氢仍然面临能耗高以及公众对高压容器安全性的担忧等问题，而有机液体储氢仍需解决脱氢反应温度较高需要使用贵金属催化剂的问题。

目前，氢气的运输仍然是基于压缩或液化过程后的管道运输和罐车运输。在欧美工业地区已经建成了少量高压氢气输送管道，但是由于“氢脆”作用的存在，需要使用特殊材料，使成本比天然气管道高50%～80%。而使用罐车运输氢气，以全车总重36吨计，可运输液态氢4.5吨或80MPa高压氢气0.3吨，分别占总重12.5%和0.8%，运输效率较低。

综上所述，由于氢气在储存运输过程中需要进行压缩或液化，但上述过程耗能高且运输效率低下，而且由于“氢脆”作用及储存的高压、低温条件，储运对容器及管道材料有特殊要求，使投资成本大幅增长。加上氢气本身具有危险性，不适宜长期储存。因此对于氢的储运，应当尽量避免长距离运输和长时间大量储存。但是由于相对于电池在能量密度方面优势明显，应重点研发车用储氢系统、推广即时制氢和消费终端制氢。

氢能汽车面临诸多挑战

氢气是一种十分重要的工业原料，广泛应用于石油化工、电子工业、冶金工业、食品工业、浮法玻璃等领域，也是一种能源，主要应用于航空航天工业和燃料电池等领域。石油炼制及化学工业占氢气利用的97%，其他工业生产及燃料用途仅占3%。

世界能源理事会预测，到2060年氢气在车用燃料中的消费比例为2%，电动车比例则为8%。长期来看，氢气仍将主要作为石油和化工生产原料，部分作为燃料使用（主要为汽车燃料）。

氢气作为清洁能源主要应用于燃料电池领域，人们也寄希望于其能解决日后能源危机问题。20世纪60年代，氢燃料电池就已经成功应用于航天领域，之后氢燃料电池性能不断改进，目前氢燃料电池的发电效率可达65%以上，远高于汽油机及柴油机。

氢燃料电池汽车发展面临的最主要对手是电池电动车。在能量效率方面，由于电池电动车直接将电能转化为动能，其能量效率达到84%，而氢燃料电池汽车需要将电能转化为氢，再由氢转化为电能，中间过程产生能量消耗，最终能量效率仅为46%，远低于电池电动车。因此仅从能量效率及能量消费的成本来比较，氢燃料电池汽车与电池电动车相比不具备竞争优势。

在燃料的来源方面，氢气的加注需要在特别建设的加氢站进行，加氢站需要配备制氢装置、氢气压缩机、高压储氢罐及加注机等设备，上述核心设备采购费用达总建设费用的70%以上。我国分布式制氢加氢站单站建设费用在1200万～1500万元，另外运行过程中还需要考虑对天然气或电能的消耗费用。而对电池电动车而言，除可以在充电站进行充电外，包括特斯拉在内的多家电动车厂商都提供了家用充电桩安装服务，在安装家用充电桩后，仅需要每晚在家充电就可以满足全天用电需求。因此从燃料的获取而言，电池电动车仅需要对现有电器线路稍微进行扩充升级就可以达到使用要求，而氢燃料电池汽车需要进行大规模基础建设投资才能满足用户的基本需求。

在燃料加注速度方面，当前氢燃料电池汽车加注时间仅为3～5分钟，与汽油车加油时间相当，电池电动车充电时间一般在6小时以上（常规交流电，慢充），充电时间成为电池电动车发展的一大瓶颈。近期，特斯拉开发的超级充电桩系统可以在30分钟内为电池充电80%。2016年底，特斯拉宣布其未来将推出第三代超级充电站，将使充电功率由当前的150kW提升至350kW以上，业界推测，未来特斯拉Model S电动车充电时间可能缩短到5～10分钟。

当前氢燃料电池汽车的推广面临以下问题：一方面是建立加气站网络不仅需要投入大量的资本，而且还伴随着很大的不确定性，企业决策谨慎；另一方面是如果不建设加氢站，少量加氢站无法为用户提供基本服务，汽车制造商不愿意投资生产氢燃料电池车，因此造成氢燃料电池汽车商业化推广远低于电池电动车。如果不能抓住当前在储能效率和充能速度上的优势，未来随着电池储能和充电技术的不断进步，氢燃料电池汽车将丧失现有优势，生存空间将被电池电动汽车挤占。

（作者单位：中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院）