但替代性方案是什么?
目前尚未有定論。目前比較主流的新能源汽車方案是鋰電池純電動(dòng)汽車，經(jīng)過(guò)近幾十年發(fā)展，其技術(shù)成熟度有一定保證，并開(kāi)始了量化生產(chǎn)進(jìn)入市場(chǎng)。
自2011年至2018年市場(chǎng)銷量平均年增長(zhǎng)率78.8%。但由于續(xù)航能力不足、基礎(chǔ)設(shè)施及制造成本的限制，截至目前其乘用車市場(chǎng)占有率仍然不足5%。而且最近以來(lái)多起鋰電池汽車起火事故更是引起社會(huì)公眾對(duì)鋰電池安全的擔(dān)憂。
而與此同時(shí)，氫燃料電池以其高能量密度及完全清潔能源使用過(guò)程，迅速吸引了整個(gè)社會(huì)的關(guān)注，成為新能源汽車的一種新型替代性方案。
未來(lái)新能源汽車“氫能”是否會(huì)替代鋰電池汽車成為主流?還是兩種方案并行不悖?
已經(jīng)有眾多業(yè)內(nèi)人士從使用成本角度對(duì)兩種方案進(jìn)行了對(duì)比，但氫云鏈認(rèn)為在新能源汽車領(lǐng)域一種技術(shù)方案的推行必然引起整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條的變革乃至整個(gè)社會(huì)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，社會(huì)意義重大。必須在微觀使用成本的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮社會(huì)整體的能源使用效率，才能對(duì)兩種技術(shù)方案進(jìn)行科學(xué)對(duì)比分析。
01、氫鋰技術(shù)方案差異的實(shí)質(zhì)是能量載體
縱觀人類發(fā)展歷史，也是人類對(duì)能源的利用方式不斷提升的歷史。第一次工業(yè)革命使人類能夠?qū)⑹剂系幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為蒸汽機(jī)的動(dòng)能，而第二次工業(yè)革命則使人類將石化燃料的化學(xué)能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能。每一次革命都伴隨著能量密度及能源使用效率的提升，因此能源利用效率的提升是一種新技術(shù)是否能取代舊技術(shù)獲得社會(huì)認(rèn)可的決定性因素。
在目前的技術(shù)條件下，追溯到能源產(chǎn)生的源頭，“氫”與“鋰”兩種新能源汽車技術(shù)方案的技術(shù)路線可以歸結(jié)為以下五種：
從上圖可知，氫燃料電池與鋰電池兩種技術(shù)方案的能源源頭完全相同，均為化石燃料(煤、天然氣)或其它能源(核、水、風(fēng)及太陽(yáng)能)，最終輸出也沒(méi)有差異，均為伴隨汽車移動(dòng)的電能，其差異主要為中間的能量存儲(chǔ)方式。“鋰電”方案以電能為能量載體，以鋰電池為儲(chǔ)存方式;而“氫能”方案以氫化學(xué)能為能量載體，以氫氣為儲(chǔ)存方式。
因此，從社會(huì)層面看哪種方案的能源利用效率更高，哪種方案就很可能在未來(lái)獲得主導(dǎo)性地位。
02、不同方案的能源利用效率分析
技術(shù)路線關(guān)鍵環(huán)節(jié)效率測(cè)算
從上圖1可以發(fā)現(xiàn)，除技術(shù)路線2之外，其它技術(shù)路線在“氫”與“鋰”兩種方案間矛盾點(diǎn)完全相同：是以鋰電池儲(chǔ)電實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電能應(yīng)用，還是將電轉(zhuǎn)化為氫儲(chǔ)能再利用燃料電池轉(zhuǎn)化為移動(dòng)電能應(yīng)用?
即“電→移動(dòng)電能”VS“電→氫→移動(dòng)電能”的路徑選擇問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題如果解決，則在1、3、4、5四種技術(shù)路線中“氫”與“鋰”兩種方案的優(yōu)劣自然明確。現(xiàn)對(duì)兩種路徑的能源利用效率進(jìn)行剖析如下：
鋰電方案(電→移動(dòng)電能)
鋰電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程消耗包括：電力傳輸消耗、電網(wǎng)改造成本、鋰電池生產(chǎn)成本、充電站成本、電池自重耗電成本、電池充放電能消耗等。
(1)電力傳輸損耗。由于鋰電池汽車的電力借助當(dāng)前已有電網(wǎng)傳輸，不需要考慮電網(wǎng)建設(shè)成本，電力傳輸過(guò)程中的損耗按照當(dāng)前估計(jì)約為4%。
(2)鋰電池生產(chǎn)成本。當(dāng)前緊湊型家用轎車的鋰電池在未來(lái)隨著生產(chǎn)批量的擴(kuò)大，規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)將使其成本不斷下降，預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年將降到20000元左右，按照電池壽命期600次充放，每次續(xù)航400km，則壽命期內(nèi)電池成本約為8.3元/100km。
(3)充電站建設(shè)成本。根據(jù)調(diào)研，當(dāng)前充電站建設(shè)成本約為200萬(wàn)(包含10個(gè)60Kw快充樁)，假設(shè)服務(wù)年限10年，平均利用率20%，則平均每度電分?jǐn)偨ㄔO(shè)成本約為0.2元/kwh。
(4)電網(wǎng)改造成本。當(dāng)充電樁大量鋪設(shè)時(shí)，供電功率將超出局域電網(wǎng)負(fù)荷，需要改造電網(wǎng)，假設(shè)單個(gè)充電站的電網(wǎng)改造投入為120萬(wàn)元，則每度電的電網(wǎng)改造成本約為0.18元/kwh。
(5)電池自重消耗電能。一般家用轎車鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)自身重量約為500kg，對(duì)電量的消耗大約2.8kwh/100km。
(6)鋰電池充放電消耗。目前鋰電池充放電過(guò)程電能消耗大約8%。
綜上可得，按照當(dāng)前估計(jì)鋰電池汽車每百公里耗電15kwh，其中有效電能12.2kwh。而電能從發(fā)電廠轉(zhuǎn)化為電池組輸出過(guò)程中消耗約12%，即每百公里在源頭的總能耗約17.05kwh。能源利用效率71.55%，非能源成本約14元。
氫能方案(電→氫→移動(dòng)電能)
氫能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程消耗包括：制氫電力消耗、氫氣運(yùn)輸成本、燃料電池成本、加氫站成本、電池發(fā)電損耗及電池系統(tǒng)自重能耗等。
(1)電力傳輸損耗。采用電網(wǎng)平均損耗約4%。
(2)制氫電力消耗。在當(dāng)前技術(shù)條件下，電解水制氫每度電制氫約0.019kg。
(3)燃料電池制造成本。國(guó)際先進(jìn)廠商的氫燃料電池系統(tǒng)制造成本約為20萬(wàn)元，預(yù)計(jì)未來(lái)量產(chǎn)后能降到10萬(wàn)元左右。未來(lái)氫燃料電池使用壽命預(yù)計(jì)達(dá)到10000小時(shí)，壽命期內(nèi)總行駛里程預(yù)計(jì)40萬(wàn)公里。則每百公里分?jǐn)偝杀炯s25元。
(4)加氫站成本。日均加氫能力500kg的加氫站當(dāng)前建設(shè)成本約2000萬(wàn)，主要由設(shè)備成本構(gòu)成。預(yù)計(jì)未來(lái)大批量生產(chǎn)之后，建設(shè)成本能降到1000萬(wàn)元。加氫站按每年運(yùn)行360天，40%的使用率，10年折舊，則每建設(shè)成本分?jǐn)倿榧s13.89元/kg。
(5)電池發(fā)電損耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)豐田Mirai百公里消耗氫氣0.76kg。
(6)燃料電池組自重耗能。燃料電池組重量約為鋰電池一半，相應(yīng)的能耗以電能計(jì)為1.4wh。
綜上可得，氫燃料電池汽車在終端每百公里消耗總電能40kwh，在電力系統(tǒng)源頭消耗41.67kwh。
不考慮氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)與鋰電池發(fā)動(dòng)機(jī)的效率差異，并假設(shè)兩種車輛除動(dòng)力系統(tǒng)之外的其它均無(wú)差別，則燃料電池汽車的百公里有效能耗同樣為12.2kwh。則氫燃料電池的能源利用效率僅為29.28%，并伴隨非能源成本35.55元。
來(lái)源：玖牛研究院
因此，“電→氫→移動(dòng)電能”方案在能源利用效率上處于明顯劣勢(shì)，這意味著通過(guò)電解水制氫的技術(shù)路線(路線3,路線5)在未來(lái)不可能在新能源汽車領(lǐng)域得到大規(guī)模推廣應(yīng)用!
各技術(shù)路線總體評(píng)價(jià)
技術(shù)路線1(化石燃料→電→移動(dòng)電能)
我國(guó)化石燃料以煤炭為主，煤炭發(fā)電占總電量64.67%，天然氣發(fā)電占6.33%，而且我國(guó)天然氣進(jìn)口依賴度高，不可能成為未來(lái)新能源汽車的能源基礎(chǔ)。因此以下針對(duì)化石燃料的分析均以煤炭為代表。
按照發(fā)電效率最高的超高壓電廠計(jì)算，其標(biāo)準(zhǔn)煤消耗為360g/kw·h，而標(biāo)準(zhǔn)煤包含熱能29.3´106焦耳/kg。因此燃煤發(fā)電的化學(xué)能利用效率為34.13%，發(fā)電成本(不包含煤炭消耗)約為0.14元/kwh。結(jié)合前文對(duì)“電→移動(dòng)電能”環(huán)節(jié)的分析，可以得到該技術(shù)路線百公里消耗標(biāo)準(zhǔn)煤6.14kg，總體能源利用效率為24.41%，非能源成本約為16.4元。
技術(shù)路線2(化石燃料→氫→移動(dòng)電能)
目前的工藝，煤氣化制氫每制備1kg氫氣需消耗標(biāo)準(zhǔn)煤約9kg，非能源成本約5.6元。結(jié)合前文對(duì)“氫→移動(dòng)電能”環(huán)節(jié)的分析，可以得到該技術(shù)路線的氫能汽車每行駛100km，消耗標(biāo)準(zhǔn)煤6.84kg，總體能源利用效率21.91%，非能源成本約39.81元。
技術(shù)路線3(化石燃料→電→氫→移動(dòng)電能)
該技術(shù)路線百公里消耗標(biāo)準(zhǔn)煤約15kg，總體能源利用效率為9.99%，非能源成本41.38元。
分析結(jié)論
來(lái)源：玖牛研究院
從目前主流的技術(shù)路線分析可知，氫能汽車產(chǎn)業(yè)面臨如下困境：
1、 在目前技術(shù)條件下氫能路線相比鋰電池路線在并不具有優(yōu)勢(shì)。
2、 從社會(huì)能源利用效率角度考慮，以電解水制氫為基礎(chǔ)的技術(shù)路線由于效率低下不可能成為未來(lái)氫能汽車產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。
3、 在能源效率上能夠與鋰電池路線相媲美的唯有路線2，即采用化石燃料直接制氫，但該方法產(chǎn)出氫氣中的硫化物雜質(zhì)極易導(dǎo)致燃料電池催化劑中毒，而目前國(guó)內(nèi)無(wú)法有效檢測(cè)。
4、 相比鋰電路線，氫能路線需要重新建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，導(dǎo)致非能源成本大幅提升。
如果不能從技術(shù)上進(jìn)一步突破，提升能源效率，氫能汽車產(chǎn)業(yè)將是無(wú)根之木!但氫能產(chǎn)業(yè)剛處于起步階段，未來(lái)仍有無(wú)限可能。
在從能源效率看，制氫環(huán)節(jié)及燃料電池發(fā)電效率都有進(jìn)一步提升的可能，而非能源成本中燃料電池與加氫站成本在未來(lái)產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的情況下將會(huì)大幅下降。
氫能路線能否獲得技術(shù)突破，取代鋰電池路線成為未來(lái)新能源汽車主導(dǎo)者，仍需時(shí)間的檢驗(yàn)!
