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氫云研究:詳解氫、鋰技術路線社會成本,誰會主導未來汽車?

2019-6-21 8:36:35來源:網絡作者:
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  • 隨著全球可持續發展理念的推進,我國環境保護及碳排放問題日益突出。同時極高的石油資源進口依存度也成為威脅我國國家能源安全的潛在風險因素。因此新能源汽車替代傳統燃油汽車在我國勢在必行。
  • 關鍵字:
  • 鋰 鋰電池 新能源

隨著全球可持續發展理念的推進,我國環境保護及碳排放問題日益突出。同時極高的石油資源進口依存度也成為威脅我國國家能源安全的潛在風險因素。因此新能源汽車替代傳統燃油汽車在我國勢在必行。

但替代性方案是什么?

目前尚未有定論。目前比較主流的新能源汽車方案是電池純電動汽車,經過近幾十年發展,其技術成熟度有一定保證,并開始了量化生產進入市場。

自2011年至2018年市場銷量平均年增長率78.8%。但由于續航能力不足、基礎設施及制造成本的限制,截至目前其乘用車市場占有率仍然不足5%。而且最近以來多起鋰電池汽車起火事故更是引起社會公眾對鋰電池安全的擔憂。

而與此同時,氫燃料電池以其高能量密度及完全清潔能源使用過程,迅速吸引了整個社會的關注,成為新能源汽車的一種新型替代性方案。

未來新能源汽車“氫能”是否會替代鋰電池汽車成為主流?還是兩種方案并行不悖?

已經有眾多業內人士從使用成本角度對兩種方案進行了對比,但氫云鏈認為在新能源汽車領域一種技術方案的推行必然引起整個產業鏈條的變革乃至整個社會能源結構的調整,社會意義重大。必須在微觀使用成本的基礎上進一步考慮社會整體的能源使用效率,才能對兩種技術方案進行科學對比分析。

01、氫鋰技術方案差異的實質是能量載體

縱觀人類發展歷史,也是人類對能源的利用方式不斷提升的歷史。第一次工業革命使人類能夠將石化燃料的化學能轉化為蒸汽機的動能,而第二次工業革命則使人類將石化燃料的化學能進一步轉化為電能。每一次革命都伴隨著能量密度及能源使用效率的提升,因此能源利用效率的提升是一種新技術是否能取代舊技術獲得社會認可的決定性因素。

在目前的技術條件下,追溯到能源產生的源頭,“氫”與“鋰”兩種新能源汽車技術方案的技術路線可以歸結為以下五種:

氫燃料電池與鋰電池兩種技術方案的能源源頭完全相同,均為化石燃料(煤、天然氣)或其它能源(核、水、風及太陽能),最終輸出也沒有差異,均為伴隨汽車移動的電能,其差異主要為中間的能量存儲方式。“鋰電”方案以電能為能量載體,以鋰電池為儲存方式;而“氫能”方案以氫化學能為能量載體,以氫氣為儲存方式。

因此,從社會層面看哪種方案的能源利用效率更高,哪種方案就很可能在未來獲得主導性地位。

02、不同方案的能源利用效率分析

技術路線關鍵環節效率測算

從上圖1可以發現,除技術路線2之外,其它技術路線在“氫”與“鋰”兩種方案間矛盾點完全相同:是以鋰電池儲電實現移動電能應用,還是將電轉化為氫儲能再利用燃料電池轉化為移動電能應用?

即“電→移動電能”VS“電→氫→移動電能”的路徑選擇問題。這個問題如果解決,則在1、3、4、5四種技術路線中“氫”與“鋰”兩種方案的優劣自然明確。現對兩種路徑的能源利用效率進行剖析如下:

鋰電方案(電→移動電能)

鋰電系統能量轉化過程消耗包括:電力傳輸消耗、電網改造成本、鋰電池生產成本、充電站成本、電池自重耗電成本、電池充放電能消耗等。

(1)電力傳輸損耗。由于鋰電池汽車的電力借助當前已有電網傳輸,不需要考慮電網建設成本,電力傳輸過程中的損耗按照當前估計約為4%。

(2)鋰電池生產成本。當前緊湊型家用轎車的鋰電池在未來隨著生產批量的擴大,規模經濟效應將使其成本不斷下降,預計在未來幾年將降到20000元左右,按照電池壽命期600次充放,每次續航400km,則壽命期內電池成本約為8.3元/100km。

(3)充電站建設成本。根據調研,當前充電站建設成本約為200萬(包含10個60Kw快充樁),假設服務年限10年,平均利用率20%,則平均每度電分攤建設成本約為0.2元/kwh。

(4)電網改造成本。當充電樁大量鋪設時,供電功率將超出局域電網負荷,需要改造電網,假設單個充電站的電網改造投入為120萬元,則每度電的電網改造成本約為0.18元/kwh。

(5)電池自重消耗電能。一般家用轎車鋰電池動力系統自身重量約為500kg,對電量的消耗大約2.8kwh/100km。

(6)鋰電池充放電消耗。目前鋰電池充放電過程電能消耗大約8%。

綜上可得,按照當前估計鋰電池汽車每百公里耗電15kwh,其中有效電能12.2kwh。而電能從發電廠轉化為電池組輸出過程中消耗約12%,即每百公里在源頭的總能耗約17.05kwh。能源利用效率71.55%,非能源成本約14元。

氫能方案(電→氫→移動電能)

氫能系統能量轉化過程消耗包括:制氫電力消耗、氫氣運輸成本、燃料電池成本、加氫站成本、電池發電損耗及電池系統自重能耗等。

(1)電力傳輸損耗。采用電網平均損耗約4%。

(2)制氫電力消耗。在當前技術條件下,電解水制氫每度電制氫約0.019kg。

(3)燃料電池制造成本。國際先進廠商的氫燃料電池系統制造成本約為20萬元,預計未來量產后能降到10萬元左右。未來氫燃料電池使用壽命預計達到10000小時,壽命期內總行駛里程預計40萬公里。則每百公里分攤成本約25元。

(4)加氫站成本。日均加氫能力500kg的加氫站當前建設成本約2000萬,主要由設備成本構成。預計未來大批量生產之后,建設成本能降到1000萬元。加氫站按每年運行360天,40%的使用率,10年折舊,則每建設成本分攤為約13.89元/kg。

(5)電池發電損耗。據統計豐田Mirai百公里消耗氫氣0.76kg。

(6)燃料電池組自重耗能。燃料電池組重量約為鋰電池一半,相應的能耗以電能計為1.4wh。

綜上可得,氫燃料電池汽車在終端每百公里消耗總電能40kwh,在電力系統源頭消耗41.67kwh。

不考慮氫燃料電池發動機與鋰電池發動機的效率差異,并假設兩種車輛除動力系統之外的其它均無差別,則燃料電池汽車的百公里有效能耗同樣為12.2kwh。則氫燃料電池的能源利用效率僅為29.28%,并伴隨非能源成本35.55元。

因此,“電→氫→移動電能”方案在能源利用效率上處于明顯劣勢,這意味著通過電解水制氫的技術路線(路線3,路線5)在未來不可能在新能源汽車領域得到大規模推廣應用!

各技術路線總體評價

技術路線1(化石燃料→電→移動電能)

我國化石燃料以煤炭為主,煤炭發電占總電量64.67%,天然氣發電占6.33%,而且我國天然氣進口依賴度高,不可能成為未來新能源汽車的能源基礎。因此以下針對化石燃料的分析均以煤炭為代表。

按照發電效率最高的超高壓電廠計算,其標準煤消耗為360g/kw·h,而標準煤包含熱能29.3106焦耳/kg。因此燃煤發電的化學能利用效率為34.13%,發電成本(不包含煤炭消耗)約為0.14元/kwh。結合前文對“電→移動電能”環節的分析,可以得到該技術路線百公里消耗標準煤6.14kg,總體能源利用效率為24.41%,非能源成本約為16.4元。

技術路線2(化石燃料→氫→移動電能)

目前的工藝,煤氣化制氫每制備1kg氫氣需消耗標準煤約9kg,非能源成本約5.6元。結合前文對“氫→移動電能”環節的分析,可以得到該技術路線的氫能汽車每行駛100km,消耗標準煤6.84kg,總體能源利用效率21.91%,非能源成本約39.81元。

技術路線3(化石燃料→電→氫→移動電能)

該技術路線百公里消耗標準煤約15kg,總體能源利用效率為9.99%,非能源成本41.38元。

從目前主流的技術路線分析可知,氫能汽車產業面臨如下困境:

1、在目前技術條件下氫能路線相比鋰電池路線在并不具有優勢。

2、從社會能源利用效率角度考慮,以電解水制氫為基礎的技術路線由于效率低下不可能成為未來氫能汽車產業的基礎。

3、在能源效率上能夠與鋰電池路線相媲美的唯有路線2,即采用化石燃料直接制氫,但該方法產出氫氣中的硫化物雜質極易導致燃料電池催化劑中毒,而目前國內無法有效檢測。

4、相比鋰電路線,氫能路線需要重新建設基礎設施,導致非能源成本大幅提升。

如果不能從技術上進一步突破,提升能源效率,氫能汽車產業將是無根之木!但氫能產業剛處于起步階段,未來仍有無限可能。

在從能源效率看,制氫環節及燃料電池發電效率都有進一步提升的可能,而非能源成本中燃料電池與加氫站成本在未來產業大規模發展的情況下將會大幅下降。

氫能路線能否獲得技術突破,取代鋰電池路線成為未來新能源汽車主導者,仍需時間的檢驗!

 

(關鍵字:鋰 鋰電池 新能源)

(責任編輯:00955)
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