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新能源汽车?不要忘了“氢”这位种子选手

本文作者:谭樊马克 2014-11-24 14:33
导语:宇宙中最常见的元素能让人类实现零污染的目标么?

人类已在各领域广泛应用氢能,无论是将火箭发射到太空,抑或是制造常见的日用品,如牙膏这类。但人们并不满足于此——今后,氢能还要应用在私家汽车领域。

新能源汽车?不要忘了“氢”这位种子选手

credit: sciencedaily.com

它是何方神圣

燃料电池汽车(FCVs)是电动汽车的一种。其工作原理是,氢作为燃料,在汽车搭载的燃料电池中与大气中的氧发生化学反应,不经过燃烧直接产生电能,发动电动机驱动汽车。

新能源汽车?不要忘了“氢”这位种子选手

credit: blogs.cas.suffolk.edu

与传统汽车相比,燃料电池汽车具有以下优点:

1.零排放或近似零排放。

2.减少了机油泄漏带来的水污染。

3.降低了温室气体的排放。

4.提高了燃油经济性。

5.提高了发动机燃烧效率。

6.运行平稳、无噪声。

燃料电池车和纯电动车相比,虽然续航里程超过后者 5 倍,并且重新加注燃料时间比充电时间更短,但研发和制造费用过高,成为限制其推广的瓶颈。罗伯特·博世公司汽车业务部负责人 Wolf-Henning Scheider 预计,到 2025 年燃料电池动力总成将比电动车动力总成贵一倍。

不过,续航里程优势将使燃料电池成为替代方案变成现实。“它们(燃料电池)在竞赛中并未落后,对于其他汽车零排放技术而言是可行的替代方案。”Wolf-Henning Scheider 如是说。得益于规模经济,到 2025 年燃料电池将更加产业化,FCVs 也可在商业化角度达到实用性。

汽车巨头们的宏图

早在今年六月,现代汽车公司(Hyundai Motor Co.)已率先推出量产的 ix35 FCVs,并已对外出租 Tucson Fuel Cell。现代立誓要在 2015 年以前达到全球 1000 台的出货量。丰田汽车公司(Toyota Motor Corp.)和本田汽车公司(Honda Motor Co.)也将在明年开售下一代 FCVs。

新能源汽车?不要忘了“氢”这位种子选手

credit: autos.yahoo.com

丰田的首款商用燃料电池汽车被命名“未来(Mirai)”,对此本站曾有报道。本站《燃料电池汽车,日本人怎么看?》一文也曾提到几家日本厂商的态度。丰田计划未来将燃料电池成本削减九成以上。

其余几大汽车制造巨头也纷纷表示,要在 2017 年发布燃料电池汽车。当前戴姆勒、现代、日产、福特、丰田、本田、通用汽车和宝马都在开发燃料电池车。

随着氢燃料电池成本不断降低,到 2025 年燃料电池车可在商业化角度达到实用性。

发展形势分析

为何人们如此看好氢能汽车?因为,氢能汽车能做到零尾气排放。

在全球各国均在收紧尾气排放标准的大背景下,汽车制造商的减排压力不断增大。虽然已有插电式电动车,可以克服这一压力,但插电式电动车仍无法突破里程数的制约,更要花费时间充电。

FCVs 则无这等烦恼,只需要充氢气,而这一过程所需时间很短,就像传统汽车加油一般迅速;再加上氢气本身密度低,里程数瓶颈一下子得到了化解——充气不到五分钟便能支撑汽车跑 300 英里。

因而,各国政府和汽车公司都已押注氢能这一清洁又高效的交通能源,作为未来最重要的动力来源。这一举措也容易赢得消费者首肯。

新能源汽车?不要忘了“氢”这位种子选手

credit: comparefuelcards.co.uk

氢能也不是全无弱点,尽管它是宇宙中含量最丰富的化学元素,但在目前,氢能开采及供应链仍然跟不上人们日益蓬勃的能源需求。好在,目前已有若干种途径能产氢后将其分发到各加注站,详见《雷锋科普:燃料电池汽车要普及,氢气从哪里来?》一文。

每种途径各自有商业案例,参与对象也不一样。氢能的来源同时也会决定 FCVs 的净排放量——尽管汽车本身不会有尾气排放,但在生产制造氢气时必然涉及化石能源,如甲烷便是氢元素的重要直接来源之一。

为了让 FCVs 在实现经济腾飞的基础上为节能减排目标做贡献,各国政府及行业合作伙伴需要建立起一套强有力的加注站网络,并为消费者提供清洁且廉价的氢。

达到理想不太易

下一季度,FCVs 将会侵入加州。加州政府已制定计划:零排放汽车数目在 2035 年以前达到 150 万台。为此,加州政府去年已投资 2 亿美元,计划在十年内建设至少 100 座氢加注站。仅每座加氢站就耗资 100 万美元。

今年五月,加州能源委员会(CEC)宣布投资 4660 万美元建设 28 座新的加注站。该州目前已有 10 座公共使用的加注站,更有不下 12 座加注站尚在施工。


毋庸置疑,我们是基础建设这整件事的中心角色,我想说,加州这项建设任务全权依靠我们。

——Shane Stephens,FirstElement Fuel 首席发展官兼委托人

创业公司 FirstElement Fuel 已于去年成立,本部设在加州。作为 CEC 投资项目的一部分,该公司现已收到拨款 2760 万美元,以建设 19 座加注站。据彭博社消息,丰田也至少对该公司提供了 720 万美元资助。该公司无官方中文名,其命名大意为:第一元素(即氢)燃料。

上个月,FirstElement Fuel 已与空气产品和化工有限公司(Air Products and Chemicals Inc.)达成协议,为加注站提供设备。这批站点要在 2015 年底之前竣工。

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credit: earth911.com

在老字号公司因犹豫不决而错失“氢气高速公路(Hydrogen Highway)”这一难得的发展机遇的同时,像 FirstElement Fuel 这样的新角色正抓紧机会谋发展。

大量生产氢气的工业用气公司,如空气产品和化工有限公司、法国液化空气集团(Air Liquide)以及林德集团(the Linde Group),看起来会是氢运输燃料市场的天然领袖。其中一些公司已凭借自身专业经验,在 FCVs 所必需的存储、压缩和分配器技术显现出优势。

但按 Stephens 的意思,这些工业用气制造商宁可稳住在现有的设备和大宗气体领域的优势,也不愿冒着风险涉足燃料零售业务。因此,行业巨头并不对新兴创业公司构成威胁。

作为向分布式网络供应运输燃料的全球领袖,石油公司也可能起到带头作用。早在 2011 年,壳牌石油公司便已与丰田合作,在加州纽波特(Newport)建设了一处站点。但是,总的说来石油公司不愿意接受新型燃料,因为新型燃料终将与汽油竞争。

加州最初制定的法案要求主要石油进口商和炼油厂为氢气高速公路付钱,但石油巨头对此以对簿公堂来威胁。加州不得不做出妥协,将这一成本以车辆登记费的名义转嫁至消费者头上——8 号州众议院法案已于去年 9 月写入法律条文。

石油公司正在退缩

1.以汽油为动力的汽车正变得更高效。

2.各地正在围绕生物燃料的混合与公用事业的增加进行辩论。

3.电动汽车制造了新的商机。

4.氢能燃料电池渐入佳境。

上述几点致使蚕食石油公司的市场份额不断遭受蚕食。“石油公司不得不面对竞争对手正在不断超越自己这一前景。”国际能源署氢能实施协议负责人 Mary-Rose de Valladares 如是说。Mary-Rose de Valladares 正在就氢的生产和利用作全面路线图。

她补充道:“石器时代的完结,并非我们用尽了石头。(而是因为新的科技树出现,编者注。)”

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credit: Miroslav Petrasko

问题在于,老字号公司经常遭受“创新者困境(innovators dilemma,de Valladares 语)”。这些公司过分专注于客户的当前的需要并对应地调整他们技术或业务的模式,以满足客户的未来需求。

“氢能运作与石油公司目前围绕液体燃料的基础设施相矛盾,”Stephens 说,“它们想在勘探和钻井方面仰之弥高钻之弥深,反而在燃料零售和运输方面,甚至是精炼方面不甚上心。”

“我想,这就是为什么你看到很多石油公司向后退——他们担心会被不知缘由地强制生产氢气,这不是他们的专长。”Stephens 补充道。

现代汽车公司汽车替代战略高级经理 Gil Castillo 则认为,只要在这条路上有利可图,石油公司就会更进一步。“我认为,石油行业此刻正在寻找盈利的途径。”

燃料输送也是问题

与大型石油生产商相反,加油站多是独立经营的个体户。但,想要说服他们转向氢能泵站,也必须有足够的商业案例调动他们为之投资。

九月,来自佛罗里达州的 Patrick Murphy 与来自宾夕法尼亚州的 Charlie Dent 两位代表提出议案,要求将联邦税收抵免扩展至高达 3 万美元,以安装零排放燃料站。议案将在今年年底到期。

来自加州大学戴维斯分校的分析师表示,燃料电池汽车的数目一旦达到 5 万 -10 万辆,氢基础设施业务的需求将能得到满足并实现自给自足。这可能会发生在这个十年结束时。

尽管成本正在下降,修建一座氢加注站的费用仍高达 100 万美元。费用不同部分基于燃料如何产生。成本的变化一定程度上取决于燃料的生产方式。

如今生产氢最便宜、最常用的方法是将天然气重整。经济热潮使得从天然气获得氢气的成本不断下跌,这是增加对氢能支持的一支重要力量。

在美国,每年大约有 900 万吨的氢被生产出来,它们主要用于提炼石油、 处理金属、 加工食品和家用产品。大多数氢生产并提供给现场工业设施使用,但有很大一部分提供给区域性生产,以及用卡车或管道输送给更远的用户。

加州燃料电池联盟是一家旨在推动燃料电池汽车市场的公私合作组织,其公共关系总监 Chris White 表示:“(氢)被用来做很多事,而我们并未察觉到。……同时,我们并未发觉到现有分配系统的存在——你可能已经在驾驶途中从几个储氢罐边路过,但并未意识到。”

新能源汽车?不要忘了“氢”这位种子选手

credit: Bernd and Hilla Becher, Gas tanks, 1983-92

首先,氢气运输燃料的生产和交付,要利用现有的工业气体行业供应链。绝大多数站点(包括 FirstElement Fuel 正在兴建的那 19 座)会使用由大型并且集中的工厂生产的燃料,再用卡车送到分配器。

“我们不想用高油价惩罚市场,因此使用已知可靠且具成本效益的传统生产方法占领市场。”法国液化空气集团(Air Liquide)氢能源主任 Bob Oesterreich 如是说。该集团已于最近获得 CEC 投资,计划在 2015 年内完成 3 座加注站的建设。“我们意识到,我们需要开发这片市场。”他补充道。

但随着市场的发展,将从天然气生产出的氢气运输到广泛分布的加注站网络这一过程所消耗的柴油也越来越多。这样一来,氢能的经济意义和环境意义不再重大。

发展受制于天然气

勒克斯研究公司(Lux Research)能源存储分析师 Dean Frankel 称,由于分布式系统中不存在燃料,氢基础设施建设具有挑战性。

目前,加利福尼亚州,路易斯安那州和得克萨斯州是主要的氢气产地,在现有这些氢生产站点旁却没有多少汽车能创造对氢能的需求。要想建立一套新站点的网络,就要付出高昂的代价。与此相反的是,电动汽车只需要插入附近几乎无处不在的美国电网便能充电。

此外,利用天然气制造氢,并非是长期可持续。Frankel 称:“我们要从排气管排出水,这是一项可怕的环境解决方案。但贯穿这个过程,会持续有天然气逸出。”(众所周知,天然气是比起二氧化碳更为可怕的温室气体,每分子甲烷的吸热量是二氧化碳的 21 倍。)

新能源汽车?不要忘了“氢”这位种子选手

credit: mobile.laist.com


还有,以生产氢过程中排放的二氧化碳量做参考,比起汽油动力汽车,氢燃料电池汽车的二氧化碳排放量减少了一半。但加州正在制定规章,要求进一步削减排放,以最终符合国家目标。

加州法律要求 33% 的氢燃料来自可再生能源,各公司也在商讨如何靠近这一目标。现有的方法是,以植物作为原料发酵得到沼气,取代天然气,并从中提取氢气。这种新的管道氢生产方法几乎可以消除所有温室气体排放。

想要有效地应对气候变化,“降低车辆排量是必要的,但不是充分的,”气候和能源解决方案中心交通项目费高级经理 Nick Nigro 称,“你必须找到能让所有上游生产燃料都低碳的方式。”

作为当之无愧的未来能源种子选手,氢是人类能源的将来时。

VIA Scientific American

各小节插图为编者所加

参考阅读

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