被特斯拉CEO馬斯克「嘲諷」的燃料電池汽車，能走多遠？

導讀：雖然在未來十幾二十年內，燃料電池汽車還很難與鋰電汽車相抗衡，但是考慮到中長期的減排目標，氫能源的應用範圍很有可能會變廣並接入居民區，鋰電汽車能夠依託電網方便充能的優勢也就不復存在了。到那時，誰又敢下定論說氫能源汽車不能與鋰電汽車相抗衡呢？

如果你看過最近一期TED的主持人克里斯安德森（Chris Anderson） 對特斯拉CEO埃隆·馬斯克（Elon Musk）的專訪，你或許會注意到他們關於電動汽車發展形勢的一段對話。

克里斯·安德森：「不是幾乎每一家汽車製造廠商都已經宣布了它們短期和中期的電氣化計划了么？」

埃隆·馬斯克：「是的是的，我認為幾乎每一家汽車製造商都有相關的電動汽車項目。它們的重視程度各不相同。有的公司正認真的打算完全轉型成電動汽車製造商，而有的只是試試水。另外還有些公司，非常「神奇」的，還在繼續開拓燃料電池汽車這一領域，當然我認為這一現象不會持續太久。」

被馬斯克所指的那些「神奇」的公司有哪些呢？事實上不少傳統豪強都宣布過自己的燃料電池汽車（下文用氫能源汽車指代）發展計劃，例如夢想製造「氫」經濟時代的本田，豐田和尼桑，韓國的現代和起亞，德國的戴姆勒等。

那麼是氫能源汽車的什麼特點，它們願意投資數十億美元在這一產業上？在細聊之前，先讓我們簡要談談燃料電池的工作原理。通俗的說，氫能源汽車是先將氫原子分解成電子和質子，然後通過電子流動發電，而剩下的傳動配置則與鋰電汽車類似。考慮到氫氣的製取遠不如化石燃料和電力來的方便，那麼為什麼不專心發展鋰電汽車，而「多此一舉」去發展氫能源汽車？

Toyota Mirai 底盤，圖片來源：[1]

主要還是在於鋰電最明顯的兩個短板：能量密度和充能速度。鋰電相對較低的能量密度使得汽車工程師必須在汽車能耗與續航（車重）間找尋一個平衡點，例如作為鋰電汽車標杆的特斯拉，在其官網給出的Model S 85D的測試環境下續航270英里。當然氫能源汽車也並沒有太大優勢，商業化的豐田Mirai和現代ix35改裝版的官方續航數據則為312和369英里。當然，續航不夠，可以快充來湊。但是由於鋰電化學反應的限制，即便出名的特斯拉超級充電樁也需要三十分鐘才能充滿80%的電，而加氫站的優勢則就此顯現出來，充滿Mirai 5公斤的燃料箱只需三到五分鐘。需要指出的是，鋰電的換電技術也能用來彌補其在充電速度上的不足，例如特斯拉的換電站只需七分鐘便可完成操作 [2]。只是建設換電站以及額外的電池投資是否划算，需要打上一個大大的問號，尤其考慮到領頭羊特斯拉已經選擇在短期內放棄這一選項了。

因為氫能源汽車的相對長續航和快速加氫，或許有很多人會認為它的適用場景應該是長距離的通勤。但事實上其在城市通勤上也有不小的優勢，雖然由於居民側加氫裝置的缺失，使得其在推廣給普通用戶時異常困難，但是在使用頻率較高的場景（例如公交，市政用車等），它的快速充能優勢就能可以凸顯出來了。事實上，在今年初，英國的Element Energy公司就牽頭了 JIVE和MERHLIN這兩個總價接近四千萬歐元的氫能源公交項目，計劃在多個歐洲城市(德國的Cologne, Wuppertal and Rhein Mainz, 英國的London, Birmingham and Aberdeen, 義大利的South Tyrol, 拉脫維亞的Riga in Latvia 和丹麥的 Slagelse)部署144輛氫能源大巴和相應的加氫站。

當然，氫能源汽車在居民側應用場景有限，這也使得其銷量慘淡，大家的日子都不太好過。例如最出名的豐田Mirai，至今銷量也才兩千八百多輛，還於今年初經歷了一次全部召回（雖然此次召回只需進行半小時的軟體升級便可將問題解決[3]）。戴姆勒的CEO也剛剛宣布氫燃料電池已不在其公司的主要發展計劃中。對於氫能源汽車推廣的障礙，我們可以用「三高」來概括：

1. 高售價

2. 高燃料成本

3. 高充能成本

首先談談高售價。拿已經登陸英國市場的Toyota Mirai和Hyundai ix35 Fuel Cell來說，其官方售價分別為是￡66,000和￡67,985，而英國市場上在這一價格區間的車包括BMW 730d, Audi Q7, 保時捷卡宴S, 賓士GLE500等，所以想讓大眾為氫能源的「情懷」 買單是件極其不現實的事情。當然政府的各類補助以及豐田的Mirai租車計劃（￡750每月包燃料賬單），或許會讓各類政府機構(city council, NHS, etc.)願意嘗嘗鮮。

另外關於燃料成本，也就是加氫價格，確實氫能源汽車在化石能源極其便宜的美國可能很難與傳統燃油車和純電汽車的經濟性相媲美。但是在那些高油價的歐洲國家，氫能源的燃料成本未必算得上過高。拿英國舉個例子，ITM power建立的加氫站網路給出的價格是￡10/kg，加滿一輛Mirai大約需￡50，考慮到Mirai的續航為550km，對標的內燃機油耗為7.58升/100km（以英國￡1.2/升的汽油價格為參考）[4]，可以說這一等效油耗比在同類內燃機車型中是有一定競爭力的，更不用提在未來制氫成本可能會進一步下降（下文會詳細提到）。

最後一條，也是氫能源汽車當前在居民區普及的主要問題-—缺乏基礎設施，使得充能十分麻煩。確實，鋰電可以依託電力網路進行充能，雖然家用充電樁充電速度較慢，但是考慮到居民車輛使用頻率較低，並不會對使用體驗造成大的影響。而對於氫能源汽車來說，不但需要鋪設加氫站，還需要考慮將氫氣從傳統高溫甲烷制氫的化工廠運送至加氫站。雖然建設氫能源傳輸網路（類似於天然氣網路）也是一個選項，但相較於電氣網路，其作用在目前看起來極其單一，缺乏大規模建設的經濟激勵。

除此之外，馬斯克還曾詬病氫能源汽車的零排放的宣傳政策。因為傳統制氫是通過分解甲烷實現的，所以從全生命周期來考慮的話，氫能源汽車絕對談不上零排放。

說了這麼多，聽起來氫能源汽車的未來貌似是個死胡同？其實也不盡然，因為制氫方式的改變正使得氫能源與其他能源網路開始融合起來，所以未來氫能源的適用範圍會逐漸變廣。

雖然當前制氫的主要方式還是上文所說的化學制氫，但是電解水制氫（下文用electrolyser代指）在歐洲已經逐漸風靡起來，也就是業界常說的」Power-to-Gas」(P2G)，例如 ITM Power與殼牌公司旗下的德國化工廠10MW electrolyser項目[5]和與荷蘭天然氣網路運營商EnergyStock簽署的1.1MW electrolyser項目[6]等。那麼電力制氫是否是一種浪費？如果說使用傳統的火力發電制氫的話，確實並不划算。但是考慮到只能被動發電的新能源在電力系統內的佔比逐漸增加，電力峰谷電價的差額很有可能會越來越大，甚至可能更加頻繁的重現之前丹麥系統的「負電價」事件，那麼在低谷電價時制氫就顯得有利可圖了。除此之外，electrolyser一般會配備相應的儲氫設備，標準設計容量為一天的加氫需求，所以相較於充電樁，electrolyser的運行可以更加靈活。

再者，相比於容量較小（以千瓦計）且分布過廣的充電樁，集中式的electrolyser（以兆瓦計）更適合用來提供電力系統的輔助服務以增加額外收入，尤其是當新能源發電輸出過高，系統需要提升用電需求以保持供需平衡。例如ITM參與設計的THüGA P2G plant就達到了提供二次輔助服務的要求，並在2015年就成功參與到了德國區域調度TenneT的輔助服務池中去。此外，英國國家電網最近也新加入了Demand Turn Up 服務，用於在電量低谷時增加系統需求，以避免切風切光伏。當然提到輔助服務，不得不說的就是價值最高的調頻服務(frequency response)。事實上美國的NREL實驗室早就證明了electrolyser的調頻能力，可以在接收到信號後的一秒內改變自己的運行點以達到調頻的效果[7]。

筆者作為歐洲氫能源項目H2ME2的研究員，最近也通過模擬英國電力系統運行，對使用electrolyser提供快速頻率響應所帶來的經濟和減排效應進行了評估，並在IREP 2017和ISGT Europe 2017上發了兩篇文章，有興趣的朋友可以關注作者的Researchgate (https://www.researchgate.net/profile/Lingxi_Zhang)。相信通過提供多樣化的輔助服務，電解制氫的成本能夠進一步下降，提升其經濟性。

當然「吹噓」了一堆電解制氫的好處，沒有普及加氫站的計劃也不行。但事實上歐盟區在2015已開展氫能源汽車項目，名為hydrogen mobility Europe (H2ME)，其中一期投資七千一百萬歐元，二期投資一億歐元。下圖則標明了歐洲區正在運行或者已經規劃的加氫站網路，其中就包括了H2ME項目正在規劃或已經建成的49個加氫站。一旦建立起完備的加氫網路，氫能源汽車的使用場景也就可以從區域內通勤擴大到跨國行駛，就像特斯拉所連接美國東西海岸的超級充電站網路一樣。

歐洲加氫站分布圖，圖片來源：H2ME官網[8]

最後想要真正發展壯大氫能源產業，將氫能源融入到居民的日常生活中來是極其重要的。對此，英國就在考慮如何在未來將其堅實的天然氣網路轉化成氫能源網路，以實現其2050年的80%碳減排的目標。當前各國最直接的碳減排手段就是增加可再生能源發電在電力系統中的滲透比例，但是長期來看，即便將電力系統完全無碳化，也很難達到發達國家國制定的長期減排目標。根據英國政府的數據，電力只佔了當前英國終端能耗的17.5%，而天然氣和汽油的終端能耗佔比則分別為29.1%和42.3%。想要達到未來80%的減排目標，一方面需要將交通工具的燃料來源清潔化（比如鋰電或是氫能源），另外一方面還要找尋天然氣的替代品，畢竟當前85%的英國居民正在使用燃燒天然氣供暖。

為了減排，英國政府已經規划了各類供暖電氣化項目，例如大規模普及分散式電熱泵技術，並為此提供了大量的資金補助。但是天然氣管網的運營商恐怕不會坐以待斃，看著被電網蠶食自己的客戶。上文提到的THüGA P2G 項目就已經嘗試在其天然氣管網中混入最高2%比例的氫氣。北英格蘭的天然氣管網運營商(Northern Gas Networks)也宣布了由政府資助兩千五百萬鎊的H21 project [9]，用於分析如何將現有天然氣管網在未來升級成純氫氣管網。

另外，負責連接英國近一半天然氣用戶的Cadent公司（原英國國網下屬天然氣公司），也從政府爭取到了總價近六億英鎊的氫能源利用項目，並在利物浦和曼徹斯特進行了試點，前期主攻工商業用戶的燃氣替換。當然純氫化的道路還很長，走起來也很貴。不光現有的天然氣管網可能無法兼容純氫傳輸，居民家中的天然氣熱水器也要因此被更換。當然一旦氫能源管網建立起來，在未來給燃料電池汽車加氫就不再局限於大型的加氫站了，居民用戶也可以方便的為自己的燃料電池汽車充氫。

綜上，雖然在未來十幾二十年內，燃料電池汽車還很難與鋰電汽車相抗衡，但是考慮到中長期的減排目標，氫能源的應用範圍很有可能會變廣並接入居民區，鋰電汽車能夠依託電網方便充能的優勢也就不復存在了。到那時，誰又敢下定論說氫能源汽車不能與鋰電汽車相抗衡呢？

當然，最後的最後，筆者還是想在撒哈拉沙漠里嘗試開開這輛車。開到口渴了？去車後面接杯純凈水喝就是了。

作者Lingxi Zhang來自曼徹斯特大學Research Associate, 專註於多能互補方向的研究

參考資料:

[1] https://spectrum.ieee.org/green-tech/fuel-cells/why-the-automotive-future-will-be-dominated-by-fuel-cells

[2] http://www.teslarati.com/tesla-shuts-down-battery-swap-program-for-superchargers/

[3] http://www.reuters.com/article/us-toyota-recall-fuelcells/toyota-to-recall-all-2800-mirai-fuel-cell-cars-on-the-road-idUSKBN15U0F1

[3] http://www.windpowermonthly.com/article/1431450/road-wind-powered-car

[5] http://www.itm-power.com/news-item/10mw-refinery-hydrogen-project-with-shell

[6] http://www.proactiveinvestors.co.uk/companies/news/184200/itm-power-to-supply-hydrogen-electrolyser-to-dutch-gas-grid-operator-energystock-184200.html

[7] https://www.nrel.gov/docs/fy12osti/54658.pdf

[8] http://h2me.eu/

[9] https://www.northerngasnetworks.co.uk/2017/04/27/northern-gas-networks-hydrogen-project-takes-step-forward-as-25-million-fund-announced-for-hydrogen-in-homes/

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