作者：Chris Palmer
來(lái)源：Hydrogen Power Focus Shifts from Cars to Heavy Vehicles[J].Engineering,2020,6(12):1333-1335.
導(dǎo)語(yǔ)
近年來(lái)，相比混合動(dòng)力汽車(chē)和充電式電動(dòng)汽車(chē)的蓬勃發(fā)展，氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展勢(shì)頭有所減弱，但在重型商用車(chē)輛和軍用車(chē)輛方面有了較大發(fā)展。
中國(guó)工程院院刊《Engineering》刊發(fā)《氫動(dòng)力——從小型汽車(chē)到重型交通工具》，介紹了氫動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展情況。文章指出，氫動(dòng)力汽車(chē)未能占有更多市場(chǎng)份額的主要原因是成本高和缺乏加氫站。但與電動(dòng)汽車(chē)相比，氫燃料動(dòng)力汽車(chē)具有燃料補(bǔ)充速度快、行駛距離長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，在重型車(chē)輛領(lǐng)域發(fā)展前景廣闊。文章指出，未來(lái)我們要聚焦更節(jié)能、更具成本效益和更成熟的技術(shù)開(kāi)發(fā)，探索如何使用氫或氫基燃料來(lái)支持更難脫碳的海運(yùn)業(yè)和航空業(yè)的發(fā)展。
數(shù)十年來(lái)，氫氣一直被譽(yù)為十分有發(fā)展前途的能源載體。但是，相比混合動(dòng)力汽車(chē)和充電式電動(dòng)汽車(chē)的蓬勃發(fā)展，近年來(lái)氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展勢(shì)頭卻有所減弱，主要原因在于降低燃料電池成本和廣泛構(gòu)建燃料供給站網(wǎng)絡(luò)這兩方面挑戰(zhàn)。
從2020年3月開(kāi)始，三大汽車(chē)制造商——戴姆勒股份公司、大眾汽車(chē)制造公司和通用汽車(chē)制造公司緊隨本田技研工業(yè)株式會(huì)社（2019年4月率先退出氫動(dòng)力汽車(chē)市場(chǎng)）一一退出了氫動(dòng)力汽車(chē)市場(chǎng)。取而代之的是，這些公司以及其他公司正在將該技術(shù)發(fā)展為一種無(wú)排放解決方案，為重型商用車(chē)輛和軍用車(chē)輛提供動(dòng)力，為其核心部位進(jìn)行燃料供給。
19世紀(jì)中期，科學(xué)家發(fā)明了一種燃料電池，其中氧氣被輸送到負(fù)極（陰極），氫氣被輸送到正極（陽(yáng)極）。陽(yáng)極處的催化劑將氫氣分離成質(zhì)子和電子，電子流經(jīng)外部電路，該電路可以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)并為電池充電；質(zhì)子則通過(guò)電解質(zhì)遷移到陰極，在陰極處與氧氣和電子相結(jié)合，產(chǎn)生水蒸氣和熱量。因此，在氫燃料電池的燃燒過(guò)程中沒(méi)有溫室氣體的產(chǎn)生及排放。
氫燃料電池系統(tǒng)是否完全無(wú)污染取決于氫氣的來(lái)源。而氫氣是由水分解產(chǎn)生的。目前大多動(dòng)力系統(tǒng)都是由天然氣驅(qū)動(dòng)的，同時(shí)伴隨碳排放。為了消除溫室氣體排放，水解過(guò)程必須由可再生能源供電。充電式電動(dòng)汽車(chē)也面臨同樣的問(wèn)題。
燃料電池以相對(duì)恒定的速率運(yùn)行，當(dāng)電力生產(chǎn)過(guò)剩時(shí)，它為鋰離子電池充電。當(dāng)面臨加速或上坡等需要額外動(dòng)力的情況時(shí)，鋰離子電池為燃料電池補(bǔ)充電量。然而，該過(guò)程的整體效率遠(yuǎn)不如充電式電動(dòng)汽車(chē)的效率，因?yàn)槌潆娛诫妱?dòng)汽車(chē)可以將來(lái)自電網(wǎng)的電能直接存儲(chǔ)在電池中。
目前，氫燃料電池已被廣泛投入利基應(yīng)用，如阿波羅和雙子座太空飛行任務(wù)、商用噴氣式客機(jī)、叉車(chē)、拖拉機(jī)和潛艇等。在這些領(lǐng)域，氫氣能夠使動(dòng)力源盡量達(dá)到零排放的要求，能夠?yàn)橹峁└鼮槎虝旱娜剂涎a(bǔ)充時(shí)間，以及在重量方面，氫燃料電池系統(tǒng)相較充電式電池系統(tǒng)更為輕便。
改裝的第一輛氫動(dòng)力汽車(chē)——現(xiàn)代Tucson于 2013年問(wèn)世，但隨后制造商并沒(méi)有對(duì)氫動(dòng)力汽車(chē)投入大規(guī)模的生產(chǎn)和銷(xiāo)售。2019年年底，全世界的道路上行駛的氫動(dòng)力汽車(chē)大約有25 000輛，其品牌主要為豐田 Mirai、現(xiàn)代NEXO以及本田Clarity。預(yù)計(jì)10年內(nèi)，這個(gè)數(shù)字將增長(zhǎng)一個(gè)數(shù)量級(jí)，但即便如此，預(yù)計(jì)到2030年氫動(dòng)力汽車(chē)也僅占全球汽車(chē)市場(chǎng)（14億輛）的一小部分。
除了“興登堡”號(hào)空難事件給公眾留下“氫動(dòng)力交通工具是危險(xiǎn)的”這一毫無(wú)根據(jù)的印象之外，氫動(dòng)力汽車(chē)未能占有更多市場(chǎng)份額的另一個(gè)重要原因是成本問(wèn)題。燃料電池內(nèi)含由鉑等稀有材料組成的催化劑，其生產(chǎn)成本仍然十分高昂。因此，盡管最流行的氫動(dòng)力汽車(chē)豐田Mirai（圖1）的零售價(jià)約為58 500美元，但其真實(shí)成本可能更高。
圖1 豐田Mirai是世界上最暢銷(xiāo)的氫動(dòng)力汽車(chē)，其零售價(jià)為58 500美元，2019年售出約2200輛，而同年售出的電動(dòng)汽車(chē)約為220萬(wàn)輛。圖片來(lái)源：M 93，Wikimedia Commons（CC BY-SA 3.0 DE）
“這是很困難的，因?yàn)槿绻麤](méi)有達(dá)到一定的生產(chǎn)規(guī)模就無(wú)法降低成本，而要達(dá)到一定的生產(chǎn)規(guī)模又必須付出巨額的投資?！奔永Ｄ醽喆髮W(xué)伯克利分校的能源與環(huán)境政策課講師、交通可持續(xù)發(fā)展研究中心主任Timothy Lipman說(shuō)，“戴姆勒股份公司以及其他制造商只是初步了解后，便認(rèn)為這是一個(gè)極難攻克的的障礙?！?
另一個(gè)主要障礙是加氫站的缺乏。直到2019年年底，美國(guó)有64個(gè)加氫站，主要分布于加利福尼亞州，德國(guó)有81個(gè)，日本有113個(gè)。Lipman等表示，這三個(gè)國(guó)家建設(shè)加氫站的大部分費(fèi)用是由公共基金提供，而其他國(guó)家遠(yuǎn)未能擁有如此多的公共基金支持。
汽車(chē)制造商希望這種氫動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展能夠遵循零排放領(lǐng)域內(nèi)與其最相近的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手——電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展軌跡。電動(dòng)汽車(chē)最初的普及速度也很慢，但隨著科技的進(jìn)步成本逐步降低，漸漸激發(fā)了消費(fèi)者的興趣。這引發(fā)了規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，2020年電動(dòng)汽車(chē)達(dá)到720萬(wàn)輛，2030 年預(yù)計(jì)達(dá)到1.4億~2.45億輛。
電動(dòng)汽車(chē)成本降低的一個(gè)關(guān)鍵原因是電池技術(shù)的改革。該項(xiàng)技術(shù)在過(guò)去的幾年內(nèi)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，從而使電動(dòng)汽車(chē)成本的下降速度比行業(yè)專(zhuān)家預(yù)期的更快。 Lipman認(rèn)為，電動(dòng)汽車(chē)電池技術(shù)的快速發(fā)展是促使大型汽車(chē)制造商終止氫動(dòng)力汽車(chē)業(yè)務(wù)的主要因素。“在過(guò)去10年里，電動(dòng)汽車(chē)電池的成本下降了85%，這使很多人感到驚訝?！盠ipman說(shuō)，“這使汽車(chē)制造商重新考慮是將更多的精力放在燃料電池上還是純充電電池上?！?
“尤其在經(jīng)濟(jì)性上，氫燃料電池技術(shù)將如何趕上電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)，這是一個(gè)十分具有挑戰(zhàn)性的命題，”澳大利亞昆士蘭州布里斯班昆士蘭大學(xué)陶氏可持續(xù)工程創(chuàng)新中心的電子移動(dòng)客座教授Jake Whitehead補(bǔ)充道，“事實(shí)上，氫動(dòng)力汽車(chē)技術(shù)可能比現(xiàn)在的電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)落后近 10年。”
盡管在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中電動(dòng)汽車(chē)勝過(guò)氫動(dòng)力汽車(chē)，但氫動(dòng)力汽車(chē)仍存在一定的市場(chǎng)，特別是在即將頒布“削減或淘汰造成污染的燃燒動(dòng)力型汽車(chē)”政策的國(guó)家。與輕型汽車(chē)市場(chǎng)（如乘用車(chē)）不同，重型汽車(chē)市場(chǎng)（如商用卡車(chē)、公共汽車(chē)和軍用運(yùn)輸車(chē)）到2030年對(duì)氫動(dòng)力汽車(chē)的需求量將達(dá)到100萬(wàn)輛，原因是針對(duì)這類(lèi)汽車(chē)而言氫燃料電池更為劃算。氫燃料電池車(chē)輛可在大約半小時(shí)內(nèi)完成燃料補(bǔ)充，相比之下電動(dòng)汽車(chē)則需要高達(dá)數(shù)小時(shí)的充電時(shí)長(zhǎng)，這對(duì)于需要全天運(yùn)行且無(wú)法承受過(guò)長(zhǎng)電池充電停機(jī)時(shí)長(zhǎng)的商用車(chē)來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的考慮因素。Lipman說(shuō)：“對(duì)于公共汽車(chē)充電站而言，與每天給100 輛電動(dòng)公共汽車(chē)充電相比，向100輛氫動(dòng)力公共汽車(chē)加氫燃料要更為容易一些?！钡?，需要強(qiáng)調(diào)的是，為電動(dòng)汽車(chē)電池充電所需的電費(fèi)（使用家用充電器為15 美元）明顯低于加氫燃料的費(fèi)用（65~95美元）。目前，中國(guó)大約有2000輛氫動(dòng)力公交車(chē)投入運(yùn)行，歐盟只有75輛，而美國(guó)和日本的這種公交車(chē)數(shù)量甚至不到歐盟的一半。
除了補(bǔ)充速度快之外，氫燃料還具有其他潛在的優(yōu)勢(shì)。氫動(dòng)力汽車(chē)的平均行駛距離為500~600 km，相較電動(dòng)汽車(chē)更長(zhǎng)。此外，電動(dòng)汽車(chē)的電池尺寸與其汽車(chē)尺寸成正比，而氫動(dòng)力系統(tǒng)卻并非如此。大型電動(dòng)汽車(chē)需要大規(guī)模的電池，但現(xiàn)實(shí)中過(guò)大過(guò)重的電池并不實(shí)用。相比之下，氫燃料電池并不會(huì)明顯增加汽車(chē)的重量，并且即使在氫動(dòng)力汽車(chē)尺寸明顯增加的情況下，氫燃料電池組件的重量和尺寸也能夠保持相對(duì)的恒定。Lipman說(shuō)：“這種重量?jī)?yōu)勢(shì)是巨大的。”儲(chǔ)氫罐的尺寸有實(shí)際限制，續(xù)航600 km的卡車(chē)僅需要約1.5 m3 的儲(chǔ)氫罐。所需儲(chǔ)氫罐的尺寸隨著汽車(chē)尺寸的增長(zhǎng)呈線性增長(zhǎng)。
此外，大多數(shù)可以考慮使用氫能源的重型車(chē)輛并不那么依賴于分布廣泛的燃料補(bǔ)給站網(wǎng)絡(luò)。相反，在大多情況下，公共汽車(chē)、長(zhǎng)途貨運(yùn)飛機(jī)和軍用車(chē)輛都從中央樞紐站駛出，然后遵循預(yù)設(shè)好的路線行駛，這意味著可以從一個(gè)地點(diǎn)為整個(gè)車(chē)隊(duì)補(bǔ)充燃料。
大型汽車(chē)生產(chǎn)商豐田、通用和戴姆勒計(jì)劃生產(chǎn)更多由氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的重型車(chē)輛。戴姆勒股份公司在終止其氫動(dòng)力汽車(chē)研發(fā)工作的前幾天，正式宣布與沃爾沃汽車(chē)制造商建立伙伴關(guān)系，并為其商用卡車(chē)制造氫燃料電池。韓國(guó)現(xiàn)代汽車(chē)公司目前已經(jīng)建造并向瑞士運(yùn)送了世界上第一個(gè)使用氫燃料電池的重型商用卡車(chē)。韓國(guó)制造商計(jì)劃至2020年年底讓60輛這種車(chē)輛上路，至2025年年底這種車(chē)輛達(dá)1600輛。美國(guó)聯(lián)合包裹運(yùn)送服務(wù)公司（UPS）和FedEx對(duì)使用氫燃料的卡車(chē)進(jìn)行試點(diǎn)測(cè)試。挪威最大的食品雜貨批發(fā)商ASKO 也正在進(jìn)行針對(duì)氫燃料電池卡車(chē)的試驗(yàn)。最終，初創(chuàng)公司Nikola聲稱(chēng)接受了一筆生產(chǎn)14 000輛氫動(dòng)力半掛式卡車(chē)的訂單，但最近由于陷入與美國(guó)證券交易委員會(huì)（US Securities and Exchange Commission）的糾紛，其主席于2020年9月退出了該公司。
盡管成熟的制造商正在削減氫動(dòng)力汽車(chē)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)，但至少有一家氫動(dòng)力汽車(chē)新興公司正在嘗試打入市場(chǎng)，例如，Hyperion公司制造了一款非常高端的乘用車(chē)（圖2）。
圖2 新興公司Hyperion正在研發(fā)的XP-1氫燃料電池汽車(chē)擁有 1600 km的續(xù)航里程，是其他氫動(dòng)力汽車(chē)平均續(xù)航里程的兩倍以上。 XP-1汽車(chē)將于2022年在美國(guó)投入生產(chǎn)，限量300輛。來(lái)源：Hyperion （公共領(lǐng)域）
但是，即使有了這樣的新興公司以及向重型汽車(chē)市場(chǎng)的轉(zhuǎn)變，該技術(shù)的潛力仍無(wú)法預(yù)估?！叭绻褂脷鋭?dòng)力汽車(chē)的主要目的是減少碳排放以抑制全球變暖，我們必須意識(shí)到，氫燃料電池不太可能在2050年之前在陸路運(yùn)輸中發(fā)揮重要作用?！盬hitehead說(shuō)道，“我們最好將努力集中在更節(jié)能、更具成本效益和更成熟的技術(shù)開(kāi)發(fā)上，并探索如何使用氫或氫基燃料來(lái)支持更難脫碳的海運(yùn)業(yè)和航空業(yè)?！?
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)形式略有調(diào)整，若需可查看原文。
改編原文：
Chris Greig.Getting to Net-Zero Emissions[J].Engineering,2020,6(12):1341-1342.
