在长途重载物流车等商用车领域,长期来看,氢能源是未来发展的“终极方向”。未来很长一段时间,燃油车、电动车、氢燃料电池车将会共存。氢能的未来固然很美好,但是距离氢能的普及,还有一段路要走。但我们可以期待氢能给我们带来的颠覆性的变革。

如果有一天,我们像加燃油一样,在高速公路服务区加氢燃料,再不必像锂电池汽车那样长时间排队充电,无疑将备受期待。而这一场景正由氢能源汽车一点点得到实现,将在未来几年出现在我们眼前。

要说氢能源汽车的高光时刻,无疑是2022年北京冬奥会。1000多辆氢燃料电池汽车出现在本次冬奥会上,甚至连火炬的燃料也是氢,燃烧后生成水,真正实现零污染,也成就这一场有史以来最为环保的奥运赛事。

近日,日本研究公司Astamuse编制了一份国家排名,对2011年至2020年的氢技术竞争力进行了评分。Astamuse的数据显示,日本、中国以34624项、21235项氢相关技术专利分别位居全球第一、第二位。Astamuse认为,未来中日两国将在氢能源展开激烈角逐。

整体来看,氢能源是目前最理想的能源类型。尽管目前氢能汽车并未成为全球新能源汽车的主流,但氢能源已焕发出强大的竞争活力。相信,随着各国新能源政策的倾斜,氢能源技术研究的深入,以及越来越多主流车企的涉足与布局,氢能源汽车将在未来与燃料汽车、锂电池汽车“分庭抗礼”,也将成为全球各国实现“双碳”目标的重要引擎之一。

氢能源汽车已然崛起

目前来看,未来新能源汽车主要有锂电池汽车、氢能源汽车两个发展方向。两者相比较而言,氢燃料电池本质上就是一个电化学反应的发电装置,而锂电池是储能装置。氢燃料电池是一种非燃烧过程的能量转换装置,通过电化学反应将阳极的氢气和阴极的氧气(空气)的化学能转化为电能。氢燃料电池发电不受卡诺循环的限制,发电效率可以达到50%以上,若实现热电联供,氢燃料的总利用率可高达80%以上。此外,氢燃料电池装置不含或含有很少的运动部件,运行安静,较少需要维修,而且电化学反应清洁、完全,产物对环境无污染。

从氢能源汽车应用来看,相对其他车企,丰田是氢能源汽车最坚定的支持者,也是该领域的领跑者,手握70%以上的氢燃料汽车相关专利。据悉,早在1992年,丰田就已经展开了对氢能源汽车的研究。丰田mirai于2014年12月15日在日本正式上市,是全球第一台量产的氢燃料汽车。今年6月,在富士举办的一场24小时汽车超级耐力赛上,搭载氢燃料发动机Corolla的丰田GR86顺利完赛,完美挑战了传统燃油车。丰田通过这场比赛,再次向外界充分证明了氢能源汽车高超的稳定性和动力性能。

日本另一家汽车巨头本田也视氢燃料电池汽车为终极环保的汽车。尽管2021年本田因clarity系列销量不佳,决定停产这款氢燃料汽车,但新一代的氢燃料电池车也正在积极研发中。

相对而言,尽管德国汽车巨头在氢能源汽车上没有日本车企那么大热情,但也开始了相关的产品与技术布局。据悉,2022年宝马会生产100台X5氢燃料汽车,2030年,将推出量产版本的氢燃料汽车,正式对外销售。大众集团加速氢燃料电池的研发工作,奥迪已经组建了团队,代表整个大众汽车集团研究氢燃料电池,并已制造了几辆原型车。2017年奔驰就发布了以氢燃料电池和锂电池共同作为能量来源的奔驰GLC F-Cell,但因氢燃料乘用车的成本太高,把重心转移到了重型汽车的燃料电池系统。同时,沃尔沃和奔驰正在合作开发氢燃料商用车,燃料电池汽车预计在2025年开始生产,旨在2030年使该集团一半欧洲销量为纯电动卡车或燃料电池卡车。

2017年9月,奔驰在法兰克福国际车展上发布奔驰GLC f-cell汽车。来源:新华社

美国福特则向美国专利商标局申请氢燃料内燃机专利。不同于氢燃料电池汽车,该专利是一种以氢为动力的涡轮增压内燃机,未来可能用于混动车型。通用汽车则为重型卡车和飞机等开发研制氢燃料产品,目前正在将该系统扩展到燃料电池电力系统,帮助建造发电机和快速充电站。

自主汽车品牌方面,上汽、吉利、长城、北汽、广汽、长安等中国汽车企业也在深耕氢燃料电池汽车技术。其中,比亚迪选择纯电和氢能源汽车多线发展战略,且获得“储气罐安装座、储氢装置及汽车”专利。长城汽车于2021年正式推出了氢能战略,目前已经实现“电堆及核心组件、燃料电池发动机及组件(控制器等)、Ⅳ型储氢瓶、高压储氢阀门、氢安全、液氢工艺”六大核心技术和产品的知识产权完全自主化。

其他车企方面,现代汽车的NEXO已经获得中国的新能源牌照,可以在中国合法上路。Nexo是现代氢燃料电池汽车的第二代产品充氢加注仅需5分钟,续航最高可以达到800千米。雷诺、捷豹、路虎等车企则推出了氢能源概念车、原型车。

不过,鉴于长续航里程、低温性能优越、加注时间短等优势,氢燃料电池汽车将更适合用于长途、大型、商用车领域,预计未来氢燃料电池汽车将与纯电动汽车长期并存互补,有望形成“乘锂商氢”新能源汽车市场格局。

另外,相对其他能源,氢能具有来源广、燃烧热值高、能量密度大、可储存、可再生、可电可燃、零碳排等优点,属于可再生二次能源。通过氢燃料电池技术既可以应用于汽车、轨道交通、船舶等领域,也可应用于分布式发电(家用/商用)和储能领域;还可以通过直接燃烧为炼化、钢铁、冶金等行业提供高效原料、还原剂和高品质的热源。未来,氢能源关乎到能源安全、关乎到全球经济、关乎到双碳目标的实现,将具有广阔的应用空间。

中日角逐氢能源战略

美国是全球最早制订氢能战略的国家,早在2002年就发布了《国家氢能路线图》,2019年FCHEA发布《氢能经济路线图》,将布局氢能大规模应用。

德国是最早启动燃料电池项目的国家,早在1999年就建立了首家加氢站。2008年欧盟成立氢能源和燃料电池联盟(FCH-JU),提供大量资金支持,推动产业发展。2019年FCH-JU发布《欧洲氢能路线图》,规划在2050年达到24%的氢能占比。

近年来,韩国持续加强对氢能产业的支持力度,推出一系列财政补贴政策;2019 年发布《氢能经济发展路线图》,计划到2040年实现氢燃料电池汽车普及量620万辆,加氢站1200座。

相对其他国家而言,氢能源已经上升为日本基本国策,或者说是其国家的战略性选择。而氢能源汽车仅仅是日本构建“氢能源社会”的重要一环。日本之所以如此看重氢能,主要是因为其国内资源匮乏,煤、石油和天然气严重依赖进口。二战时期,日本就因石油资源冒险发动珍珠港袭击事件。能源,一直成为日本发展最关注的头等大事。根据相关数据显示,日本最高峰是超过90%的化石能源依赖进口。

很长一段时间内,日本大力发展核电来缓解能源压力,但福岛核事故以后,使日本加快了氢能替代的步伐。2013 年,日本推出的《日本再复兴战略》,把发展氢能源提升为国策。随后,日本又出台了一系列氢能政策,使国家战略《日本再复兴战略》、能源发展战略《能源基本计划》和氢能发展战略《氢能/燃料电池战略发展路线图》从三个层次指导日本“氢能源社会”的建设。

日本国土狭小、人口集中,核电站出问题无疑是灭顶之灾。而寄予厚望的风电和光伏因发电不稳定性,无法实现技术上突破,日本当下的电力依然主要依靠的是天然气、煤电和核电。正如有人评论:发展氢能,日本算是赌上了国运。

相对日本在氢能源上的“态度”,中国则是“两边下注”,在发展锂电的同时,也鼓励氢能源的发展。

2021年8月氢燃料电池汽车补贴政策正式落地,北京、上海、广东等三个城市群入选首批奖励范围,氢燃料电池汽车行业发展进入快车道。

2021年12月,财政部等五部门印发了《关于启动新一批燃料电池汽车示范应用工作的通知》,示范期为4年。目前,我国已初步形成京津冀城市群、上海城市群、广东城市群、河北城市群、河南城市群5大燃料电池汽车政策支持示范城市群。

今年3月23日,国家发改委与国家能源局又联合印发了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》。作为首份氢能源国家战略,规划明确了氢的能源属性,首次明确了氢能是未来国家能源体系的重要组成部分,并确定可再生能源制氢是主要发展方向。根据此项国家氢能源战略,中国的目标是到2025年在北京和其他地方对制造、储存和运输氢能的各项技术进行测试,并将道路上的氢燃料电池汽车数量增加到5万辆。

日本研究公司Astamuse表示,在其追踪的氢相关技术的五个类别中,中国在四个方面的得分超过了日本:制造、储存、安全控制和运输。Astamuse认为,尽管日本在氢能源相关技术方面继续领先世界,但随着该国企业和研究机构的新专利申请放缓,而中国企业在政府支持下稳步前进,日本的优势正在缩小。未来,在所有与氢相关的领域,中国都很有可能最终超过日本。

根据启信宝近日发布的《氢能产业研究报告》,自2011年起,中国氢能产业企业数量已连续12年稳步增长,总数量已超过1600家。截至2022年6月底,相关产业企业资本背景主要为民营企业(1201家),其次是国资背景企业(248家);超过75%的氢能企业注册资本在1000万以上,数量超过1200家。

氢能源绝非一蹴而就

在“碳中和”成为全球共识的情况下,氢能已经成为全球各国兑现“双碳承诺”、推进能源转型的一个重要方向。中国汽车工程学会预测到2030年,中国氢能汽车产业产值有望突破万亿元。中国电动汽车百人会发布的《中国氢能产业发展报告2020》也显示,2050年氢燃料电池汽车保有量将会达到3000万辆。

尽管氢能源具有诸多技术优势,也具有广阔的发展前景,但其应用还面临很多的技术障碍,不是一蹴而就的。这里我们可以聊一下两个关于氢能源汽车的骗局。

一个是青年汽车的“车载水解即时制氢氢能源汽车”项目。其宣称“水氢燃料车不用加油,也不用充电,只加水,续航里程超过500公里,轿车可达1000公里。” 尽管这个项目对外宣称有相关的技术专利,但没有具体说明怎么获得氢气、怎么储存氢气?其经济性和安全性也广受质疑。

尼古拉氢燃料卡车。来源:视频截图

另一个则是美国美国新能源汽车公司——尼古拉公司。该公司产品线主要专注于重卡、皮卡这样的大车领域,2020年6月,在纳斯达克上市,从创办到上市仅用了6年时间,这甚至超过了特斯拉的上市速度。不过,该公司至今未生产出一辆汽车,其CEO仅用一个宣传片和汽车模型受到投资者的追捧,曾一度让这家公司的市值超过福特。该公司自称拥有的正是氢燃料电池技术,且宣称将用这项技术挑战特斯拉,一度使特斯拉暴跌21%,创下上市以来单日最大跌幅,市值一度缩水了800亿美元。

这里特别讲以上两个关于氢能源汽车的骗局,就是借此强调氢能源的技术挑战。

从制氢环节上,目前商业化应用的制氢技术主要有工业副产品提纯、化石能源重整、电解水制 氢等。水电解制氢是“零碳排放”模式下氢气的主要来源,俗称“绿氢”,目前制氢成 本较高;来源于煤炭和天然气等化石能源的氢气,俗称“灰氢”,成本相对较低;若使用碳捕捉与封存(CCS)技术,可以使碳排放量能够减少 90%以上,采用 CCS 技术制取的氢气被称为“蓝氢”,CCS 技术将大幅增加制氢成本。其他“零碳 排放”制氢如光解水制氢、生物质制氢,尚处于试验阶段,能量转换率偏低。

同时,氢能的大规模运输储存依然是个问题,因为氢气具有危险性。氢气需要低温加压才能液化,这对运输储存的技术和成本都提出了比较高的要求。加氢站也是氢能发展利用的关键环节。尽管中石化计划在“十四五”期间规划建设1000座加氢站,但是对于广袤的国土来说,依然是杯水车薪。

除了以上几个方面,氢燃料电池汽车也面临着关键材料如铂的约束。据悉,氢燃料电池需要铂作为催化剂来进行能量转换,但铂金属资源极为稀缺,且不可替代。这种资源约束强度远高于锂电池体系,意味着氢燃料电池汽车很难实现普及。还有,燃料电池各关键技术需要进一步完善,提高效率,降低成本。

以上因素成为了制约氢燃料电池发展普及的关键,也让氢燃料电池汽车在和电动汽车的新能源路线竞争中暂时落后。不过,在长途重载物流车等商用车领域,长期来看,氢能源是未来发展的“终极方向”。未来很长一段时间,燃油车、电动车、氢燃料电池车将会共存。

氢能的未来固然很美好,但是距离氢能的普及,还有一段路要走。但我们可以期待氢能给我们带来的颠覆性的变革。

参考资料:1.2022年氢能源行业深度报告

                 2.为什么日本举全国之力发展氢能源电池?

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