不谈技术和成本 从节能角度聊燃料电池车

  2015年初，某公司分管技术的副总，曾跟我说过这样一段耐人寻味的话：“燃料电池汽车的时代就要来临了，因为丰田已经推出了燃料电池汽车。丰田是汽车行业的风向标，我们可以做燃料电池汽车了。”这一先入为主的观点，让我再如何解释燃料电池技术上的不成熟，都无济于事。而对新能源汽车未来战略的各种把脉，技术和分析类的文章有一大把，虽然看了不少，但是读书少的我，实在是傻傻分不清楚。但是既然新能源车为的是节能，那么单一从节能角度分析分析，也未尝不是一个方法。

  既然是讨论新能源，为了说话方便，我会把所有诸如大卡、焦耳这样的单位都换算成kWh，也就是度，这样比较直观。

为什么说新能源汽车节能呢？

  我们可以看一个表格，表格中国燃油车百公里油耗按照8公升计算。

  从表格中可以看出来，燃油车的能耗是新能源汽车的5倍。所以节能这个事实已经摆在这了。同时，我们观察到一点，就是燃油车浪费的能量很多，这部分能量有多少呢？数据太抽象，我们不妨打个比方：普通的550mL的农夫山泉矿泉水，燃油车跑一百公里，所浪费的能量，可以将1700瓶这样的矿泉水从20度烧开。

  有些人，会有不同的观点：说电动汽车的电来自火电，那么只是把能量浪费的部分，换了个时间，换了个地方而已。这种说法很有道理。如果煤或天然气发电的效率是30%，那么从煤或天然气开始计算，电动汽车百公里的能耗就变成了83kWh。虽然仍然比燃油汽车更节能的结果没有改变，但是似乎优势就不那么大了。

  可是有一点值得注意，就是烧煤或天然气那70%的能量，虽然没有发电，但是并没有浪费掉，会议热能的形式继续被利用，尤其是在冬天。

  Mirai的能耗有多少？约每百公里39kWh

  氢能用到公路交通上，实际上有两种应用形式，一种是直接的氢气内燃机，比如宝马的“氢7”，还有著名的施瓦星格州长推崇的悍马H2H。这种车不在我们的讨论范围；另一种，是燃料电池汽车，比如丰田的Mirai，本田的FCX Clarity。

  对什么催化剂，双极板这些问题，不论是从成本还是技术上都已经讨论的太多了，我们还是单一从节能的角度去分析下，看看能得出什么结论。

  燃料电池有很多种，在汽车上使用的，是质子交换膜燃料电池，简称PEMFC，利用氢气和氧气，在电池内反应，生成水。这个过程中没有二氧化碳排放。

  首先，顾名思义，燃料电池，燃料指的就是氢气。氢气的能量密度是多大呢？每公斤氢气为39kWh。以丰田的Mirai为例，一辆车加氢量为5公斤，如果这辆车续航为500公里，那么它的百公里功耗是多少呢？

  经过简单计算，Mirai每百公里的能耗是39kWh。一个看上去还好的数据。但是为了公平起见，我也想在追根溯源一下，氢气到底是从哪来的。

氢气的来源很关键

  氢气来源是多种多样的，但是综合来看，为了不让事情太复杂，我们只看看最常用的两种获取氢气的方式，天然气裂解和水电解。根据《Clean urban transport for Europe》一文中的描述，制取1公斤氢气，使用天然气制氢的能耗是52kWh，而使用电制氢的能耗是11kWh。

  插一句，有些人可能会说我用的数据过时了。很多技术已经把电制氢的能耗降到了每公斤5~6度电的水平了，这点我是承认的。因为我本人在2009年，就把制氢的能耗做到了每标方4.2kWh以下，折合每公斤约为5.3kWh，但是那个设备的成本确实太高了，广泛推广，还需要时间。既然提到了费用，我想我要食言一下，大概说一下制氢的成本。天然气裂解获取一公斤氢气的成本大概在1.5~2元，水电解获取一公斤氢气的价格在3~4.5元。成本上的优势，使得天然气制氢仍然是主流。再多说一句，氢气的运输成本一公斤大概在10~20块钱，要变成高压气体，另有成本，所以不是说把Mirai加满5公斤的氢气，有个20几块钱就足够了。

  燃料电池汽车节能吗？不，一点也不！

  赶紧转回来说节能。有了以上数据，我们对比一下不同汽车的实际能耗。

  相比燃油汽车，燃料电池汽车并不是十分节能。不过要说明一下，燃料电池的能耗，是按照天然气制氢来计算的。可能有人要问，我什么要把气体来源的能耗也要计算在内？首先，如此计算的灵感来自剑桥大学物理系教授David Mackay，我是从他那里学到的。另外，有一点出于我个人的考虑，就是因为这里面有一个隐含的概念：一公斤的氢气，所包含的能量是39kWh，但是要获得1公斤氢气，所需要的能量是52kWh。假设燃料电池的效率是40%，那么一公斤氢气所能释放的能量只有16kWh。所以，用燃料电池是一件多么费力不讨好的事情啊。我想起梅里克·戈德海文的一句话：“对于儿童作家来说，氢动力汽车是“零排放”，可惜这骗不了气候。”

  如何取得氢气，一直是一个很现实的问题。综上所述，取得氢气的真相，实际上是靠消耗更多的能源来换取的。除此之外，您是否还记得上面谈到了一个细节，就是生产一公斤氢气的成本只要两三块钱，但是储运则需要好几倍的成本。这说明氢气在储存和运输的过程中，都是不太容易的过程。不是储存和运输过程中太耗能，或者效率太低，就是有安全隐患，让人忧心忡忡。

  氢燃料电池汽车是否一文不值？可再生能源是关键！

  我之前写过一篇文章《锂电池虽好，我更看好燃料电池，哪怕还要等上40年》，对于这种燃料电池技术，我是长期看好，短期可行性不大。

  对于燃料电池的研究，早在十九实际上半叶就开始了。历时近两个世纪的研究，技术发展依然缓慢，可见这种技术的难度。

不谈技术本身，咱们还是从节能角度来看。前文所述，燃料电池汽车节能与否，氢气的来源是关键。如果产生氢气的能耗更低，更加划算，也许燃料电池汽车就会变成一款节能的产品。比如可以利用太阳能去产氢。

  有人会有误区，说太阳能也好，风能也好，这些都是使用化石能源建造的。但是这些新能源发电设备，如果正常使用，产生的能量要比消耗的能量大得多。比如在北欧国家，安装在屋顶寿命为20年的并网光伏系统能量产率为4，在太阳能更丰富的国家，比如澳大利亚，能量产率则大于7。所谓能量产率，就是生命周期内产生的能量与制造时消耗能量的比值。寿命20年的风力发电机，能量产率可以到达80。

  所以我的观点，和《第三次工业革命》作者杰里米里夫金先生并不矛盾。新能源和氢能均为未来能源结构的五大支柱之一，五大支柱必须同时存在，他们不但相辅相成，而且缺一不可。燃料电池需要太阳来解套。

日本为什么热衷于燃料电池？我猜是为了能源安全

  日本为什么要发展燃料电池汽车？有人说跟日本的地形有关，日本处于多山多丘陵的地带，纯电动车动力不足，也有人说为了环保。我想原因不会那么简单。如果要我说，我想应该和日本的能源结构有关。

  提到日本的能源，不知道大家会先想到什么？可能中国老百姓，最先想到的会是福岛核电站。一次事故，让我家门口菠菜叶子里，都检测出了核污染。在福岛事故以前，日本是很热衷发展核电的。因为可能核电更符合日本的国情。

  那这和燃料电池有什么关系呢？在国家层面讲，能源的储备，和能源安全息息相关。日本通过核反应堆，可以源源不断获得电能，这些电能，怎么样储备，是个问题。有人说，那何不用电池直接储存起来，用的时候再放电，这样岂不是更好。第一，用电池去储能，电池有自放电，只能短期存放，长期存放不可能。第二，电池能量密度低，一公斤锂电池的储能只有100多瓦时。第三，电池运输困难，有安全隐患。第四，电池使用受环境影响，比如高温或者低温。第五，电池需要定期维护，维护就是把电放了重新充……我还能罗列更多的理由，总之，直接用电池储存，受限太多。

  氢气就不一样了，可以长期储存，加压后能量密度高，加氢也比充电或者换电方便的多，是非常适合日本岛国的能源储备形式。既然储存了，总要使用，所以即使有美国的前车之鉴，日本仍在不遗余力的发展燃料电池。燃料电池，有时候会觉得不太像个电池，更像个高能量密度，高效的发电机一样。再深说就是什么军转民，民拥军，就有点阴谋论了，OK，这个问题点到而止，我们还是正能量一点。

  如果从民用角度讲，其实日本有核电，核能制氢，是最有效率氢气生产方式之一。所谓核能制氢，就是用核能来烧水，然后通过高温，使水转化为氢气。因此，日本是有可能低成本多的氢气的，氢气也符合日本的能源战略。所以没必要惊呼日本现在的氢气是否来自于电解水。只有有合理的氢气来源，在日本岛国小范围内，燃料电池汽车也可能会有很好的发展。

多说几句

  截稿时听到两个消息，一个是丰田开始做纯电动汽车了(不知道开头提到的那位副总作何感想)，另一个是丰田打算将燃料电池汽车引入中国了，不知真假。我所理解的新能源技术本质，只是对已知能源形式更合理的利用罢了。一个地区，有什么样的能源，就要顺理成章的发展什么样的技术。所以，没有一种技术形式，放之四海而皆准。先有能源，还是先有技术，并不是先有鸡还是先有蛋的死循环。因为纵观人类简史，都是先有能源，再有利用。人们先发现了汽油，后发明了汽车。所以有时候靠下游去带动上游，实际上是很困难的。站在这个角度上，去讨论燃料电池汽车是否会有希望，可能会得到不同的答案吧。