第520期【齐悦读—线上共读—透视新科技】 “齐悦读”[线上共读] 《氢能源汽车》
(通讯员 邓辉)
讲座题目:透视新科技——氢能源汽车
主 持 人:胜 春
做客嘉宾:何广利,国家能源集团北京低碳清洁能源研究院博士。
陈 征,北京交通大学副教授。
讲座时间:2023年12月25日~12月31日
(备注:讲座视频可循环播放)
透视新科技——氢能源汽车
讲座内容:
各位好,欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目,我是主持人胜春。纯电动汽车,作为新能源汽车之一,这些年的发展,我们看到它取得了很多成果,但是也有很多遗憾和不足,比如说它的续航里程问题,还有充电时间过长等等,这些年又出现了一种新能源汽车,叫氢能源汽车。那过去的纯电动汽车上的短板,它解决了吗?我们通过短片来进入今天的节目。中国的新能源汽车发展一直以纯电动汽车为主,截止到2021年3月,在中国新能源汽车的保有量里,纯电动汽车占据着80%左右的份额,但是在近几年诞生了一种新的新能源汽车,叫做氢能源汽车。氢是一种化学元素,通常以气体的形式存在,它是世界上最轻的气体,无色无味而且极易燃烧。氢在自然界中分布很广,在水中、泥土中,石油、天然气里都含有氢元素。当氢成为一种能源,使用在汽车上,汽车会因此具有哪些优势?为什么在纯电动汽车发展?已经具有相当规模的情况下,还要发展氢能源汽车。氢能源汽车又能否弥补纯电动汽车存在的续航里程不足、充电时间长等问题呢?给大家介绍一下今天请来的两位嘉宾,一位是国家能源集团北京低碳清洁能源研究院的何广利博士。另外一位,是北京交通大学的副教授陈征。为什么要用氢能源作为我们新能源汽车的动力?
第一点氢它本身和氧反应生成水,没有别的产物,当然其中还有能量。能量是我们想要的,你拿到它的能量,剩下的产物只有水,所以从这一点角度来(讲),它是一个绝对清洁的。在排放方面是无污染。是的。另外,如果是按照单位质量氢气(转化获得能量)的数值来计算的话,它是很高的。如果是同等质量的汽油,那么只是大概它这个数值的1/2到1/3,当然这是以单位质量来说,另外我想说非常关键的是什么?氢作为汽车的能源来用,可能现在大家觉得还很新鲜,但是氢实际上在我们传统的很多化工行业,应用是非常多的。现在中国我们每年化工上用氢的产量,每年大概是在三千万吨,这个数字从全球来讲是第一的。在化工行业有很好的基础,我就用这些基础,结合着前面两个特点清洁,热值又高,那么我用在车上去是不是更好?氢能源我们通常把它看作一种二次能源。一次能源是从自然界当中把它开采出来,就可以直接通过燃烧或者是其他的方式来利用,然后产生能量,比如说煤、石油、天然气。那么二次能源指的是,把一次能源获取的这个能量转化成一种更便于我们利用的形式,那形成的这种就是二次能源。
氢它是由我们通过获取太阳能,获取风能,获取水能,把它所获取的能量来制备氢这种材料,然后用这种方式,把能量给储存起来。用我们更方便的、更易用的手段来使用,这是一个基本的特征。其实氢能源在我们生活当中并不陌生,人类历史上对氢能源的使用的历程,我们通过短片来看一下。人类历史上第一个氢气内燃机,诞生于1807年一个瑞士人制造了一台单缸氢气内燃机,可以驱动汽车前行。但受当时的技术水平所限,制取氢气远比使用蒸汽、汽油等资源复杂,氢气内燃机并未获得更多发展。二十世纪六、七十年代,氢开始作为燃料在航天领域使用。在美国的阿波罗号宇宙飞船上,和我国的长征2号、3号运载火箭上,都使用了液氢燃料。到了二十一世纪,氢被视为最具发展潜力的清洁能源,成为众多国家研发的重点。氢能应用到汽车领域,更是近些年科研热点之一。使用氢能源的汽车与其他新能源汽车有何不同,又具有哪些优势呢?我们很多的出租车的后备箱都有一个储气罐,这是用天然气的,那这个氢能源跟天然气有什么区别?
一说到氢气,可能和天然气大家觉得差不多,其实不是的。氢能源汽车它是通过氢通入到燃料电池,在燃料电池里面发生电催化反应,然后使氢和氧结合产生水,同时它发出电,再用电来驱动车。从这个角度来讲,氢能源汽车它也是电动汽车的一种,实际上后半段跟纯电动汽车是没什么区别的。对,是一个平台。有点不同的就在于对于锂电池来讲,我的电是储存在锂电池里面的,充电的时候是电能转化成化学能,存在这个锂电池里面。使用的时候,还是在锂电池里面,它的化学能又转成电能再出来,都是通过它这一个机构。但对于燃料电池汽车来讲,单独的是一个燃料电池,我们和传统的燃油车对比一下,您会发现我有一个油箱,一个发动机,只要给发动机供油,它就工作。那么对于氢燃料电池汽车来讲,和这个道理是类似的,我们叫燃料电池,它叫锂电池。我们会以为这两个电池,都是同样的电池,实际上差别是很大的。通常我们在谈电池的时候,它是一个储能的机构,不管是我们以前的手电筒上用的一次(性)电池,还是说现在用这种锂电池,可充放电的这种电池,它都是一个储能的机构。但恰恰车上用这种燃料电池,它不是一个储能的机构,它只是一个能量转化的机构。其实这点来讲呢,和我们的发动机类似,你给它输入进去油,它燃烧,然后产生机械能。对于燃料电池,我负责的是你把氢给我,我就给你发出电来。所以它是一个转化的机构,储存的机构在哪儿呢?
在储氢罐,氢能源汽车它的构造和工作的原理,我们看一下短片。氢能源汽车的动力系统,主要由储氢罐和燃料电池两部分组成。储氢罐的作用与燃油车的油箱类似,是储存燃料的地方。燃料电池虽然叫做电池,但是与锂电池不同,它更像一个小发电机。氢能源从储氢罐里输入到燃料电池中之后,会在这里发生一系列化学反应,氢能在此转化成电能,进而驱动汽车运动。与燃油车相比,氢能源汽车的能源从汽油、柴油变成了氢,发动机也变成了电动机。和纯电动汽车相比,氢能源汽车增加了一个储氢罐,而且电池具有了发电的能力,这些变化会让氢能源汽车获得哪些优势呢?纯电动汽车的续航里程问题在氢能源汽车上有改善吗?对于纯电动汽车来讲,如果我需要提高续航里程的话,那我就多放锂电池。那对于燃料电池汽车或者叫氢能源汽车,如果要提高续航里程,我只多放两个氢罐就可以了。我不需要把燃料电池那个部分加大,这样的话相当于是什么呢?
如果您想提高续航里程,我车辆所增加的重量或者成本实际上是比较低的,它的构造上来讲和燃油车就很相似。对于您说燃油车,您说想把它的续航里程再提高一些,您就放大油箱就可以,所以和那是一模一样的。从续航里程来讲,我们现在国内为2022年冬奥会开发的从北京到张家口的这种,搭载乘客的燃料电池的大巴车,现在它的续航里程可以大概达到700公里左右。纯电动汽车在中国发展已经有20年了,在人们印象当中它有很多的优点和好处,但是缺点也很明显。电动汽车从感受到的瓶颈上来看,第一当气温降低的时候,电池的活性,因为它是靠化学反应来提供能量的,电池的活性下降,这个时候就导致续航里程明显地下降。如果只是能跑得短,我还可以通过比如说多次充电来解决,那这个时候又有第二个瓶颈出现了,就是充电的速度又相对比较慢,比如说一次加油。如果刨去排队的时间的话,一次加油可能几分钟就完成了,而我们现在这个充电,即便是快充技术,可能也要半小时以上才能充大约百分之六、七十,百分之七、八十这个水平。一个是续航里程缩水的问题,还有个充电时间长,这一点在氢能源汽车上有改善吗?
氢能源汽车,它所使用的燃料电池,它的工作温度是80oC。那么在氢气通入燃料电池,产生电这个过程,目前它的效率大概是在55%到60%左右,那意味着什么呢?意味着还有将近40%或者更多的能量,它变成了热量,所以说不论是冬天还是夏天,它这个数字没有变化。那这部分热量可以去干什么呢?夏天的时候,您可以做吸收式制冷,可以给它空调使用,冬天的时候就更简单了,就和我们的燃油车一样,我有余热,我直接把它被预热过的空气通入到你的车厢里。不会额外多消耗你的能量,或者多消耗你的氢气,所以这个问题解决了。充电时间的问题,氢气刚才说它是单独储存在储存罐里面,对于一个综合续航能力300公里的燃料氢能源的大巴车来讲,最快的话5分钟可以加满,所以您看这个时间还是很明显的和燃油车很接近的。但是有一个问题,氢是遇氧则燃烧。那我们听起来挺害怕的,这个安全性怎么来保障?第一肯定是保证做到不要泄漏,那实在没办法说有些特殊情况真的漏了,那你在车辆设计的时候,它要有一个逃逸的通道。因为还是说它(氢气)很轻,你只要给它通道,它一直直接会往空中跑,这样对地面就没有影响,这个是第二个。
- 你的通道本来设计好了,万一有点什么问题,就说堵住了,结果它在这个封闭了,那你要做到什么呢?一定不要给它点火的能量,点火能量肯定不是人为给的,而是什么呢?哪种情况下呢?因为这是电动汽车,刚才讲了里面是有很多电动器件的。某个地方接口处可能有个火花之类的,就可能给它打(着)了。那么在车辆设计上,为了照顾这一点,采用的都是防爆(或隔爆)的设计,也就是说即使它在氢气的氛围下,它的火花出不来。一般的传统的比如说我们的液化石油气,这一类的气体它相对比较重。那就容易在空间里面堆积、滞留。对,但是氢这个东西,它实在是分子太小了,我们小的时候玩过那(氢)气球对吧,它这个上升的力量是很足的。氢气在空气当中,它会很容易向上逸散,所以只要给它保持一个通道,它基本上不会在地面堆积,这个我觉得是放心的。然后第二个是什么呢?对于车载储氢目前来讲,要达到刚才我们说想要的这个续航里程来讲,它需要把氢气压缩到很高的压力。那我这个储氢罐在那么大的压力情况下,还有一些苛刻的条件下,它不会出事,万一说这个气瓶不结实,它突然间爆了怎么办?
国际上有一个通用的法规,就是专门来规定车载高压储氢瓶的安全测试,里边无论任何厂家生产的气瓶,都要经过一系列的测试。包括您刚才说的撞击,包括更苛刻的火烧,包括跌落,还包括大家可能想到的应该是最严格的枪击试验,保证的是我用子弹打上去,不会发生我们说电影里有些说烧油车那种一下爆了。所以这个是目前技术领域的一个情况,针对安全问题所做的一些工作,这个瓶子的结实程度。这个我还真的在实地看过,就是咱们给冬奥准备的氢燃料汽车那个大巴,专门把那个箱子掀开去看了那个钢瓶黑黑的,应该是很多层,不是一个简单的金属瓶。它是有纤维的包覆,应该是一套很复杂的工艺做出来的,如果这个瓶子本身能够经受到这种,连枪击都可以保证它,不发生爆破的话,那这个我想一般的撞击是达不到这种程度的。而且从我观察那个瓶子来看,它不是我们传统意义上的一个特别结实,就特别硬,它不是简单的一个硬的问题,它通过这种材料的复合,实际上是有一定韧性的。就是说因为一个硬的东西,可能因为脆,它一炸就碎掉了。我们相信任何一种新能源汽车,落实到商业模式的时候,一定是有足够的安全保障的。对,我听说新能源汽车实际上在某种意义上来讲,它是一个移动的空气净化器,这个怎么理解?
这个说起来比较有意思,燃料电池非常敏感,所以在氢能源汽车中使用的时候,这个氢气我可以保证它是干净的。因为它不和空气接触,但是空气那一侧,我必须要空气先通入到第一道防线,我们叫物理吸附,把空气中可能的一些杂质,能够通过吸附的作用给它吸附掉。第二道防线,说有些它不容易和一些吸附剂发生吸附怎么办?我用化学的方法把它转化成别的东西,目的就是说保证通入到燃料电池内部的空气,里边有害的杂质足够地少。那通过这个处理之后,其实对于燃料电池,它只是耗掉了空气里面的一部分氧气,所以它在出来之后,你可以看到比较脏的空气,通进去这个氢能源汽车,这个动力系统干净的空气出来了,氢燃料电池本身,它对空气的要求比我们人类要求还高。我们平常比如说赶上天气不好,我们戴一个能够防PM2.5的口罩,它也无非就是能挡住颗粒物而已。那对于有毒有害的气体,它其实是挡不住的,但是氢燃料电池对气体要求特别高,所以它的前置的空气处理,就比咱们现在普通汽车上的所谓的空气滤芯,那要高级得多了。不但要把颗粒物要打掉,还要把有害气体全部都过滤掉。
我们现在开燃油车,大家都有这样一个安全常识,就是如果车在一个比较封闭的空间,长时间在那儿待着。那可能会出现尾气中毒的情况,这个是可能致命的,非常危险,但是对于一个氢燃料电池汽车,它的尾气主要成分其实就是水。如果我们再把空气过滤器里面,过滤出来的新鲜空气通入到车内来,不但有清新的空气,还有加湿的效果。那一说到这儿,我们对氢能源的汽车,又是充满了期待,这些年氢能源汽车它的发展状况到底怎么样呢?我们通过短片去了解一下。2018年,新能源汽车作为公交车率先在河北张家口上路。截止到2021年初,张家口已经有300余辆氢能源汽车投入运营,服务于市内公交和旅游线路。经过几年的运行测试之后,在2022年的冬奥会上,氢能源汽车将成为赛事的主要服务车辆。2020年国务院发布《新能源汽车产业发展规划》,提出以氢能源汽车为主的燃料电池汽车,要在2035年实现商业化应用。而据统计,2020年我国新能源汽车销量为136.7万辆,其中氢能源汽车只有1177辆。相比较于纯电动汽车100万辆的销量,氢能源汽车所占比例仍然非常小。氢能源汽车在技术上还存在哪些瓶颈?未来这种新能源汽车又能否走入普通人的家庭,成为一种家庭用车呢?氢能源汽车您开过吗?什么感受?
开过氢能源的乘用车,就是咱所谓的小轿车,那么第一个特点,就是说我们通常讲我们开燃油车的时候,您踩一下油门,其实您大概能够感受到一些噪音,或者是一些震动。就是发动机的声音。那对于氢能源汽车,因为它里边,它不是靠这种高速的转动来带动它的,所以你踩下油门的时候,你会发现它还是很安静。这个感受就和纯电动,您开那个纯电动汽车是类似的。推背感极强,没有声音噌就上去了。我们说到未来新能源汽车的发展,我们看到了有纯电动汽车,氢能源汽车,还有油电混合车,您怎么看未来我们新能源汽车的发展?这三者之间会是什么关系?油电混合动力(车),它的确相对于现在的纯燃油车,那么它的这个耗油量是低不少,但是它毕竟在它的使用环节,它还是有碳排放的。它的发展趋势,我认为一定会是说通过技术的改进,逐步还是要把它的油耗继续降下去。如果它降到零了,那可能它会变成纯电动汽车了,也可能是改变到氢能源汽车了。现在我们纯电动(汽车),还是说现在已经应用很多了,但是可能有几个场景一直应用比较少。比如说长途的物流、卡车,现在从北京去外地,一天我可能我不停地开,我一天要行驶千八百公里,纯电动现在做不到。
对于纯电动汽车来讲,更适合一些轻载的,然后续航里程要求不高的这种场合,对于氢能源汽车,适合这种重载或者是要求你每天都跑非常远,对续航里程要求很严格的这种场景。它两个是互补的关系,就说在未来它们两个分别都会占有一定的比例,并不是说谁一定会把谁取代的一个关系。那到目前为止,这个氢能源汽车,在国内和国外的发展情况到底是什么样的?截止(到)2020年底,国内的氢能源汽车的累计的保有量大概是在8000多辆,这里面主要是物流车和大巴车。那么因为对于氢能源汽车来讲,它的氢是怎么供应的,这也很重要,所以你要配套有加氢站。2020年底国内加氢站的数量,大概在110座到120座左右,这是我们国内的一个情况。国际上的情况,美国它的燃料电池汽车,主要是乘用车,目前大概是在一万一千辆左右,但是它有另外一个场景是目前应用最多的。燃料电池的叉车,目前整个北美地区,运行的燃料电池叉车数量大概在三万辆左右。我们对比看来,中国的氢燃料的汽车,应该说还是处在世界研究比较靠前的位置了,那没有大批生产是因为目前我们在技术上存在哪些壁垒,或者是有什么瓶颈吗?
对于氢能源汽车,从技术上来讲,几个大的特点,第一,技术链特别长,因为它涉及到刚才我们讲的是车上包括两部分,不仅仅是燃料电池这个部分,还包括储氢罐,再往前端氢气如何运到加氢站里面,这又涉及到不同的技术。再到前端就是制氢的技术,它的技术链比较长,所以说它普及起来的话,一定要各个环节都能配合得上。要不然的话,你光有车没有站,它也运行不起来对吧,你光有站没有车也是不行的。第二个,到目前为止,我们已经在部分的核心零部件,核心技术上实现了国产化。但是其实有些环节,比如说加氢站,里面所用的高压的设备,目前进口的比例还是偏高的。所以这也是制约以后更大规模应用的,一个制约的因素。我认为目前这两年燃料电池汽车这个数量,也还是符合预期的,后续只要我们持续把核心技术国产化做好,我认为这个量一定会上去的。您刚才提到了一个成本的问题,我们也特别关心,到底这个价格是怎么样的?使用成本又怎么样?氢能源的乘用车,它在不包括补贴的情况下,纯售价是大概算成人民币40万左右,确实还是偏高一些。
我们知道工业上有一个规模化效益,就是任何工业化的产品,小批量的生产和大批量的生产,它成分肯定是不一样的。那么根据这种情况,其实美国一些研究机构做过预测,如果是氢能源汽车年产量能够达到20万台的话,那它的成本相对于现在的成本来讲,至少可以降低50%甚至更多,当然那个是一个预测的成本,我们到现在为止还没有证实。使用成本呢?使用成本的话,我需要把氢气运输到加氢站,再通过加氢站把这个氢气加给车来用,这种算来的话,目前成本还是明显偏高的,就说按照我们烧柴油的这种大巴车来讲,它相当于烧油的成本。目前要高30%到50%,还是明显偏高的。我们在推广氢能源的这个过程中,我们看到的氢燃料电池汽车只是一部分,它前端那个最原始的能量来源,也是一个很重要的一个组成部分。那这里边氢能源,在一定程度上可能带来一些,比如说我们今天太阳能、风能都存在发电不稳定,就是以至于有的时候上(电)网就困难,因为电网对电能的稳定性要求很高。那你就得弃风、弃光,就是我的太阳能或者是风能,有风,但是我没法用,但是我现在有了这个氢能的这种补充,比如说我用这个时候有风,我就用它来发电,然后电解水制氢。
这个过程本身是一个环保的过程,而且又把原本没有利用的能量利用下来了。它的成本,实际上是一个全产业链,全生命周期的综合成本,如果把弃电、弃风这些都核算进去的话,它的成本应该还能进一步降低。氢能源汽车,实际上在民用领域的这个能源的一种尝试,如果它一旦成功的话,普及开来的话,您觉得还可以应用在哪些领域?这个可应用的领域就非常多了,按照现在国际上和国内现在已经存在示范,或者是部分商业化应用的应用场景,除了车辆之外,其余的重载交通的场合、船舶,甚至我们国内现在已经有了燃料电池的有轨电车,已经正式运行的。另外还有呢,就是氢气通过燃料电池产生电,也产生热,那么它是一个很好的什么工具呢?热电联产,就是说对于家庭来讲,可能我们需要电来照明,带用电器等等,同时我也需要热水,说其实燃料电池这个东西,结合着氢气,它可以做这个用,既给您的家庭供电,又供热水。
目前在日本,现在已经完全商业化的这种家庭用热电联产装置,大概已经装了50万套了,这已经是完全达到了商业化的水平了,所以当然目前我们国内安装得还非常少。未来,当这个氢能源汽车真的得到广泛应用的时候,那个时候到底会给我们整个社会生活,带来什么样的变化呢?比如说我们到某个地方去拍摄,这个时候当地没有电怎么办?我得带个发电车,那这个时候呢,我带的不管是柴油发电机,汽油发电机,那现场的噪声是难以忍受的。可是,如果我们用这种氢能源的这样一个发电机构,因为实际上氢燃料电池本身就是个发电机,那这个发电机,几乎是绝对安静的。除了它必要的一些电子设备上的一些风扇发出的微小声音之外,它本身的质子交换膜的反应发电过程是没有噪声的,你是有一个绝对安静的发电机,它至少能给我们的生活便利,带来一个非常具体的一个场景。
其实它对环境的影响叫负影响,不是说我用了一台车,我减少了二氧化碳排放,它还同时给你净化了空气。所以您想象说,北京或者是北方有些有雾霾的时候,也许你一个城市里在运行着10万辆这样的车,可能你的PM2.5的水平立刻都能降下来很多。所以我认为也是一个非常好的,非常值得期待的一个事情。不单单是这10万辆车没有排放,我是在净化你的空气,这个和纯电动汽车那个有一些不一样,也就是说你10万辆给我带来的环境效益,可能是20万辆,不是10万辆,所以这个我觉得应该是很值得期待的一个事情。今天非常感谢两位做客我们演播室当中,跟我们共同来探讨这个氢能源汽车它的现状和未来,在这里也非常感谢您收看我们这一期的《透视新科技》!如果您想了解我们节目更多内容,可以下载央视频去收看往期的节目,我是胜春。咱们今天的节目就到这儿了,我们下期节目再见。