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关注 | 氢能源汽车与电动汽车的未来大赛

发布时间：2021-05-12作者：科谷摘编

我们的比赛时间设定在2040年。假设2040年您需要购买一辆新车，在配备100 度电池的纯电动汽车和可存储5公斤氢的燃料电池汽车之间做出选择。怎么选择？让我们客观地评估一下每辆车的利弊。

1.1 充电时间

使用氢气，无需快速充电，只需5分钟即可在加氢泵上完成，就像今天给汽车加油一样容易。至于充电，我们至少需要15分钟才能充满80％，在极端温度下情况更糟。氢汽车赢一局！

1.2 续航里程

电动汽车的能耗为50Wh/km（雷诺Twizy）至200Wh/km(Tesla Model S)，如果使用暖气或空调，还会更多。在高速公路上能耗也更多。让我们按200Wh/km计算。如果电池的存储能量为100kWh，则续航里程能达500km，但目前很少有纯电动汽车能真正达到。而一辆Toyota Mirai只需加5公斤氢气就能开500km。氢汽车又赢一局！

1.3 热天续航里程

空调系统里有一台压缩机，压缩机由一条皮带驱动，皮带连接到传统车辆的发动机上，并且在未来的汽车中是电动的。压缩机消耗电力，因此会减少汽车的续航里程，而且会减少很多！根据美国汽车协会的实验结果，热天开空调，电动汽车的续航里程会降低33％。纯电动汽车的续航里程从500公里减到350公里以下。至于氢燃料电池汽车，空调也需花掉33%电。这次氢汽车与电汽车打个平手。

1.4  冷天续航里程

再次根据美国汽车协会的结果，在寒冷的天气下，如果使用加热装置，则纯电动汽车续航里程的损失会达到60％的极值，续航里程由500公里变成200公里。因此，您必须事先计划好行程，以免陷入冰冻天气。但冷天加热对氢能汽车的影响不大。实际上，氢能汽车的燃料电池会散发出足够的热量来加热乘客舱，续航里程不会减少。氢汽车又赢一局！

1.5  低温启动

谁不知道在寒冷的天气里启动的痛苦？电池电动汽车不会发生这种情况，尽管在电池预热期间可用功率会受到限制。燃料电池将氢转化为电能和水，低温水会结冰！因此，在寒冷的天气里必须对氢燃料电池汽车采取预防措施。汽车停车时，必须把水清除干净，并且在启动时对燃料电池系统进行加热。纯电动汽车不需要预热时间，因此在这里占有优势。电动汽车赢一局！

1.6  买车费用

目前纯电动汽车和氢燃料电池汽车的价格都很高。可以肯定，到2040年，它们都应该有时间把价格降下来。这一局平手！

1.7  用车费用

氢气的成本仍然很高：每公斤合格绿色氢气约15欧元，一辆氢气车的消耗量为1公斤/100公里，我们得出的价格为每公里15生丁。15生丁是电动汽车行驶消耗一度电的价格，可行驶5公里。因此，纯电动汽车每公里花费约3生丁。低很多！即使与目前的柴油相比，氢气也很昂贵（6升/100公里，1.5欧元/升，每公里9生丁）。当然，氢气将来的价格会下降，但考虑到将电能转化为氢的效率，氢汽车的使用成本仍至少是电动汽车的三倍。难怪埃隆·马斯克(Elon Musk)称氢汽车为“笨拙的愚蠢”。这一局电动汽车稳赢！

1.8  可靠性

目前有关这些新动力传动系统可靠性的信息很少。燃料电池的寿命因其50％的效率而大量发热，是一个微妙的课题，但丰田似乎掌握了技术，并提供8年或16万公里的保修。Symbio通过为电池提供10年或30万公里的保修来进一步发展。就其本身而言，特斯拉为电池提供8年保修。

 

考虑到目前氢燃料电池和氢储存技术有待成熟，可靠性方面的未知数更多，电动汽车又赢一局。

1.9  充电或加氢设施

给电动汽车充电并不总是那么容易，尤其是如果您像45％法国人那样，住在公寓楼中。但法国目前有超过25,000个公共充电桩，而加氢站只有二十个。在中国，差距更加惊人：200,000个公共充电桩，但只有6个加氢站。当然，这种状况将会改变。法国的目标是在2028年达到400至1000个加氢站。中国2030年将有3000个加氢站！但无论如何，我们永远无法在家中给车添加氢气。因此，这局电动汽车又赢了！
比赛结果：纯电动汽车以4比3赢得第一场。

 

我们假设的比赛时间仍然是在2040年，这一次是生态理念的比赛。无论是纯电动汽车还是氢燃料汽车，它在使用中均无污染排放。这对我们每个人的肺都有益。但是，若做总体的比较，这两种汽车在二氧化碳排放方面真的一样吗？

 

2.1 “井到轮”的碳排放

 
井到车轮的碳排放包括能量的产生和分配以及车辆的使用。让我们先谈氢，并假设是由可再生电力生产的绿色氢。由绿色氢驱动的氢燃料汽车运行时不会排放二氧化碳，而仅排放水蒸气。把氢从生产现场运输到加氢站会排放二氧化碳，但比较少。因此，这几乎是一款真正的井到轮零排放汽车。
 
绿色氢是通过使用可再生电力电解水而获得的。正如我们所见，它环保但昂贵。如果通过重整烃来生产氢(目前95％的氢用这种方式生产)，那么它会便宜得多，但每生产1公斤氢，就会排放10公斤二氧化碳。加上氢燃料汽车运行的消耗（1公斤/100公里），则相当每公里产生100克二氧化碳。这个成绩并不比混合动力汽车或柴油车好。因此，将来别无选择，只能使用绿色氢...
 
再来谈电动汽车，这里事情比较复杂。不是因为它的常规排放为零，而是因为与它的能源生产有关的排放。在法国，依靠核能发一度电只产生100克的二氧化碳，但在美国则接近500克，在中国为700克，加上电动汽车运行的消耗（200瓦时/公里），法国的纯电动汽车的二氧化碳排放量约为20克/公里，美国约为100克/公里，中国约为140克/公里。可以看出，在美国、中国乃至世界大多数国家，纯电动汽车的二氧化碳排放大于混合动力或柴油汽车。
 
电动汽车可以用可再生能源充电吗？在大多数国家和地区，目前还没有个条件。在欧洲，荷兰初创公司Jedlix将提供这项服务。该公司通过应用程序，在电商和车辆之间起中介作用，以此来增加充电过程中的可再生能源份额。最棒的是，价格不涨！
 
但有绿色充电并不意味着能百分之百地绿色充电，并且许多国家现在还没有Jedlix充电。因此，除法国外，在世界大多数国家和地区，这项比赛氢能汽车获胜。

 

2.2能源运输的碳排放

 
要运输氢气，需要卡车。由于氢气的密度低，需要很多很多卡车，显然会增加很多碳排放。有一种解决办法是在现场生产氢气，但目前这种技术很少见。电力则很容易运输。电动汽车轻松赢了这一局！

 

2.3  汽车制造过程中的碳排放

 
目前，动力电池的碳指标是每生产1 度电池排放175公斤二氧化碳。对于100度的电池，排放的二氧化碳超过17吨。这比混合动力汽车行驶15万公里的排放量还多。也就是说，在车还没开动之前，一辆配备100 度电池的纯电动汽车排放的二氧化碳已经超过一辆开了15万公里的混合动力汽车。当然，若在法国或挪威等低碳电力的国家生产电池，碳排放要少得多。特斯拉正在用太阳能电池板覆盖其超级工厂，以确保到100％的电力将来自可再生能源。
 
在氢燃料电池汽车中，也有一个蓄电池，但它要小得多。生产一辆氢燃料电池汽车中的蓄电池、燃料电池和氢储存罐排放的二氧化碳加起来大约为3吨，而且这个数字还有变小的余地。因此，这项比赛氢能汽车大赢！

 

2.4  汽车制造所需的原材料

 
氢能汽车中的燃料电池使用铂作为催化剂，将氢分离成H+离子和电子。铂金主要产于南非。尽管每辆车铂金的重量不到100克，但也很贵。幸运的是，电池制造商找到了减少数量并回收利用的方法，最重要的是，提取过程没有污染问题。但是，全世界铂金的产量仅约200吨/年，这只够配备约500万辆氢燃料电池汽车。
 
氢燃料电池汽车还包含用碳纤维增强的塑料罐，而纤维和塑料是用聚合物生产，来自石油产品。还有一个可存储约1 度电的电池，但与电动汽车的电池不可同日而语。
 
所以现在让我们来看一下纯电动汽车的电池：里面有数公斤的锰，石墨，钴，镍，当然还有锂。一个85度的电池中装有约50公斤石墨和锂！钴来自刚果，在可疑的条件下开采。中国的石墨开采，阿根廷的锂开采在污染和贸易方面也有很多不足之处。简而言之，这项比赛氢能汽车赢得无可争议！

 

2.5  汽车的后处理

 

至今为止，关于氢能汽车的回收利用几乎没有人提及，因为它们在市场上基本见不到。但是这方面的研究已有进展，为回收铂或碳纤维开辟了前景。
 
一辆纯电动汽车的电池里有数百公斤物质可回收！动力电池还有一个秘方……第二次生命！当电池的电量损失20％至30％时，仍可以作为固定电池用。电池用到最后必须进行回收，这并不是件简单的事。但是，一个新的行业正在形成。
 
在这方面，谁输谁赢现在不好说，平手。
比赛结果：氢能源汽车以4比2赢了第二场。
为了更清楚地分析电网问题，让我们把假设比赛的时间再往后推10年，即2050年。那时的路上只有零排放车辆。再见了汽车尾气! 油费的三分之二也不用交了! 这些零排放车辆总量有多少？拼车，共享汽车和公共交通的发展帮助减少了车的数量，但由于拼车和自动驾驶汽车空载的旅程，每辆年平均里程将有所增加。
 
假设2050年我们在法国拥有：
 

  • 2500万辆私家车和轻型商用车（与2017年相比减少了-35％）

 

  • 年均里程20,000公里（比2017年增长50％）

 
如果这些车辆都是电动的怎么办？或者相反，如果它们都用氢？对电网会有什么后果？

 

3.1  电量

 
我们的纯电动汽车电消耗为200瓦时/公里。每年行驶20,000公里，年电消耗量为4 兆瓦时。如果所有的车都是电动的，即2500万辆纯电动汽车，那么我们的发电量将需达到1亿兆瓦时，即100TWh。这相对于2017年法国电网发电总量的19％！
 
现在让我们看绿色氢。通过电解水产生1公斤并将其压缩到700巴，需要65千瓦时。结合氢能汽车运行的消耗（1公斤/100公里），相当于电耗650瓦时/公里。超过电动汽车电消耗的三倍！因此，在一年多的时间里，氢能汽车消耗13兆瓦时，而2500万辆氢能汽车将消耗3.25亿兆瓦时，相当当今法国电网年产量的60％以上。这不可能！当然，绿色氢也可以由生物质和废物产生，但目前不大靠谱。因此，这项比赛电动车大胜。

 

3.2  功率

 
如果有100万名驾驶员在法国度假时想在30分钟内同时为100 度电池充电，那将会怎样？每辆车需要200kW，一百万辆车总共需要200GW。这已经远远超过法国电力公司网络的总功率（130GW）。一百万车仅占法国总车量的4％，所以要让所有人都能快速充电是不可能的。在电力生产大国法国是如此，在其它国家就更不用说了。
 
使用氢气，无需快速充电，因此电网没有功率不足的问题。这项比赛氢扳回一分！

 

04

基础设施比赛

 

电动汽车充电桩很简单，费用也比较低，建一个公共充电桩大约需要几千欧元。法国目前有超过25,000个公共充电桩，政府的目标是到2022年拥有100,000个充电桩。
 
氢气具有密度低、稳定性差、容易泄漏等特点，储存难度大。现在最常用并且发展比较成熟的技术是高压气态储氢，采用高压将氢气压缩到一个耐高压的容器里。目前700bar的高压储氢容器已经上市。建一个加氢站费用非常高，需要1-2百万欧元。法国目前只有二十个加氢站，政府的目标是到2028年达到400至1000个公共加氢站。数量与充电桩没法比！
 
这场比赛，电动汽车大胜。
比赛结果：纯电动汽车以1比0赢了第四场。

 

05

总结

 

四场比赛的结果，电动汽车总成绩更好。但未来的汽车赢家肯定是电动吗？结论是不一定。因为无论是用纯电动汽车还是氢能汽车，对电的需求都远远超过目前电网的能力。如果通过烧煤或建核电站来增加电量，显然与汽车减排的环保目标背道而驰。如果通过可再生能源技术增加电量，能满足制氢或给电动汽车充电的需要吗？这个现在更不能肯定！
 
那么汽车的未来是电动还是氢？通过前四章氢能汽车与电动汽车的全方位比较，您肯定已经看到了汽车将来问题的本质，根本问题还是环境。如果生产一台100度的电池要排放17吨二氧化碳，相对于一辆小型燃油汽车行驶十年排放的二氧化碳总量，这对环境有利吗？如果用可再生能源技术发电，即使发电时没有污染，但生产和建造发电设备会排放很多二氧化碳。以风能为例，据专家估计，建一个1000kW的风能发电站要排放将近2000吨二氧化碳，相当于100多辆燃油汽车行驶十年排放的二氧化碳总量，这还能算环保吗？
 
因此，为了保护环境，未来的汽车不仅要低排放，还一定要节能。节能的汽车一定是小型的、轻型的。对于城市里的大部分上班族来说，也许轻小型的纯电动汽车是未来最好的选择。有趣的是，中国在这方面不知不觉地领先世界，目前已有超过500万辆LSEV（低速电动汽车）在运行，2020年中国新能源汽车市场最耀眼的明星五菱宏光MINI EV就是一款微型纯电动汽车。
 
总之，未来的汽车也许由纯电动主导，也许与氢能源平分天下，也许有新的动力加入竞争，但无论如何，有一点可以肯定：为了环境，为了地球，未来的私人汽车一定是轻便、节能的汽车！
 
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