氫燃料動(dòng)力電池和鋰離子電池分析

近幾十年雖然各國(guó)都在大力推廣電動(dòng)汽車(chē)，但其占比依然很低，尚不足1%，核心就在于過(guò)往的電動(dòng)汽車(chē)都違反了能量密度提升這個(gè)能源變革的主線(xiàn)邏輯。哪怕是最新一代的鋰離子電池車(chē)，其能量密度極值也只有汽油的1/40，行業(yè)自然遲遲無(wú)法出現(xiàn)10倍速的改進(jìn)。但燃料動(dòng)力電池的出現(xiàn)卻徹底改變了這一現(xiàn)狀。其以氫氣為原料，基礎(chǔ)能量密度是汽油的3倍，電動(dòng)機(jī)的做功效率還是內(nèi)燃機(jī)的2倍，實(shí)際密度是汽油的6倍，優(yōu)勢(shì)明顯。而且從人類(lèi)過(guò)去百年的能源進(jìn)化史看，其本質(zhì)上就是碳?xì)浔鹊恼{(diào)整史，氫含量越高，能量密度越高，未來(lái)從碳能源轉(zhuǎn)向氫能源是大勢(shì)所趨，因此采用氫能源的燃料動(dòng)力電池?zé)o疑更能代表歷史發(fā)展的方向，最有望成為下一代的基礎(chǔ)能源。

機(jī)動(dòng)車(chē)性能重要為續(xù)航能力、充電/充氫時(shí)間、輸出功率和安全性等。燃料動(dòng)力電池能量密度遠(yuǎn)高于鋰離子電池，相應(yīng)電池容量，快充能力和續(xù)航里程就具備了天然的優(yōu)勢(shì)，即使是和鋰離子電池的優(yōu)秀豪車(chē)Tesla相比也是大幅領(lǐng)先。但其功率密度不高，最大輸出功率取決于輔助的動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)，相應(yīng)最高時(shí)速和百公里加速指標(biāo)和鋰離子電池相差不大。為了便于比較，我們下文選取目前主流的2L排氣量汽油車(chē)，對(duì)應(yīng)45度鋰離子電池車(chē)和輸出功率100KW燃料動(dòng)力電池車(chē)作為分析基準(zhǔn)。

能量密度比較

鋰離子電池作為蓄電池的一種，是個(gè)封閉體系，電池只是能量的載體，必須提前充電才能運(yùn)行，其能量密度取決于電極材料的能量密度。由于目前負(fù)極材料的能量密度遠(yuǎn)大于正極，所以提高能量密度就要不斷升級(jí)正極材料，如從鉛酸、到鎳系、再到鋰離子電池。但鋰已經(jīng)是原子量最小的金屬元素，比鋰離子更好的正極材料理論上就只有純鋰電極，但能量密度其實(shí)也只有汽油的1/4，而且商業(yè)化的技術(shù)難度極大，幾十年內(nèi)都無(wú)望突破。因此鋰離子電池能量密度提升受制于理論瓶頸，空間非常有限，最多也就是從目前的160Wh/KG提高至300Wh/KG，即使達(dá)到也只有燃料動(dòng)力電池的1/120，可謂輸在起跑線(xiàn)上。

體積能量密度比較

燃料動(dòng)力電池的原料氫氣重要缺點(diǎn)就是體積能量密度不高，現(xiàn)在基本上是采用加壓來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。按照現(xiàn)行的700個(gè)大氣壓的加壓模式，其體積能量密度是汽油1/3。同樣跑300公里，燃料動(dòng)力電池儲(chǔ)氫罐體積為100L，重量為30KG，對(duì)應(yīng)汽油車(chē)油箱為30L，但電動(dòng)機(jī)體積比內(nèi)燃機(jī)小80L，總體積相差不大。鋰離子電池車(chē)分為三元和磷酸鐵鋰兩種主流技術(shù)路線(xiàn)，代表公司為T(mén)esla和比亞迪。三元能量密度更高，但安全性差，要輔助的安全保護(hù)設(shè)備，跑300公里所需的兩種電池體積分別為140L和220L，重量為0.4噸和0.6噸，都遠(yuǎn)高于燃料動(dòng)力電池。展望未來(lái)假如儲(chǔ)氫合金和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)能夠突破，燃料動(dòng)力電池體積能量密度將分別新增1.5倍和2倍，優(yōu)勢(shì)會(huì)更為明顯。

功率密度比較

燃料動(dòng)力電池本質(zhì)上可以理解為以氫氣為原料的化學(xué)發(fā)電系統(tǒng)，因此輸出功率比較穩(wěn)定，為了最大提高放電功率必須附加動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)，如豐田Mirai就是配套鎳氫電池。但作為一個(gè)開(kāi)放的動(dòng)力系統(tǒng)，其能量來(lái)自于外部輸入，附加的鎳氫電池不要考慮儲(chǔ)能的問(wèn)題，只要5-8度就能滿(mǎn)足需求，對(duì)電池壽命的要求也不高，在真實(shí)工況下的使用限制很少。鋰離子電池雖然理論放電效率很高，但為了不傷害電池壽命，使用限制很多。在充滿(mǎn)電的情況下不能大倍率放電，快速放電只適用0-80%這個(gè)區(qū)間。即使如此，以5C倍率放電，實(shí)驗(yàn)室中的電池循環(huán)壽命也會(huì)縮短到只有600次，真實(shí)工況下會(huì)進(jìn)一步降至400次，如Telsa即使最大功率可達(dá)310KW，但實(shí)際放電倍率也只有4C。而且鋰離子電池作為能量密度不高的封閉儲(chǔ)能體系，高功率放電和高續(xù)航里程基本很難兼容，除非大幅提升電池重量。即使Tesla采用了目前能量密度最好的三元電池，其電池組件重量都接近半噸。

安全性比較

除了上述指標(biāo)，安全性關(guān)于機(jī)動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)無(wú)疑也非常關(guān)鍵。鋰離子電池作為封閉的能量體系，從原理上高能量密度和安全性就很難兼容，否則就等同于炸彈。因此現(xiàn)在主流工藝路線(xiàn)中，能量密度低的磷酸鐵鋰安全性卻較好，電池溫度達(dá)到500-600度時(shí)才開(kāi)始分解，基本不要太多的保護(hù)輔助設(shè)備。Telsa采用的三元電池能量密度雖高，但不耐高溫，250-350度就會(huì)分解，安全性差。其解決方法是并聯(lián)了超過(guò)7000節(jié)電池，大幅降低了單個(gè)電池漏液，爆炸帶來(lái)的危險(xiǎn)，即使如此也還要結(jié)合一套復(fù)雜的電池保護(hù)設(shè)備。并且前期發(fā)生的幾次事故，雖然得益于Telsa的安全設(shè)計(jì)并沒(méi)有出現(xiàn)人員傷亡，但就事故本身而言，其實(shí)都是非常輕微的碰撞，車(chē)身也沒(méi)有收到什么傷害，但電池卻著火了，也側(cè)面反映了其安全性上天然的劣勢(shì)。

燃料動(dòng)力電池由于原料氫氣易燃易爆，市場(chǎng)普遍擔(dān)心其安全性問(wèn)題。但如我們下表的數(shù)據(jù)，相比汽油蒸汽和天然氣這兩種常見(jiàn)的車(chē)用可燃?xì)怏w，氫氣的安全性并不差，甚至還略好。現(xiàn)在車(chē)用儲(chǔ)氫裝置都采用碳纖維材料，在80KM/h速度多角度碰撞測(cè)試中都可以做到毫發(fā)無(wú)損。即使車(chē)禍導(dǎo)致泄露，由于氫氣爆炸要求濃度高，在爆炸前一般就已經(jīng)開(kāi)始燃燒，反而很難爆炸。而且氫氣重量輕，溢出系統(tǒng)的氫氣著火后會(huì)迅速向上升起，反而一定程度上保護(hù)了車(chē)身和乘客。而汽油為液態(tài)，鋰離子電池為固態(tài)，很難在大氣中上升，燃燒都在車(chē)艙底部，整車(chē)會(huì)迅速著火報(bào)廢。氫氣儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)其實(shí)和LNG非常類(lèi)似，只是所需壓力更大，隨著商業(yè)化推進(jìn)，其整體安全性也還是可控的。

電池車(chē)的成本重要分為整車(chē)成本、原料成本、配套成本。目前對(duì)燃料動(dòng)力電池詬病最多就是成本太高，但用發(fā)展的眼光看，隨著技術(shù)進(jìn)步和商業(yè)化程度提高，其成本下降的空間很大。而鋰離子電池假如考慮到電網(wǎng)端擴(kuò)容的成本，其實(shí)綜合配套成本還高于燃料動(dòng)力電池，具體測(cè)算如下：

整車(chē)成本比較

鋰離子電池、燃料動(dòng)力電池和傳統(tǒng)汽油車(chē)，整車(chē)成本的差異重要體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)成本，其他組件差異不大。2L汽油車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)成本在3萬(wàn)元左右，未來(lái)也很難有太大的變化。現(xiàn)有鋰離子電池的度電成本為1200元/kWh，未來(lái)有望降至1000元/kWh，45度電動(dòng)汽車(chē)，電池成本為4.5萬(wàn)元。燃料動(dòng)力電池成本重要是電池組和高壓儲(chǔ)氫罐，現(xiàn)在100kw電池組成本為10萬(wàn)元，預(yù)測(cè)年產(chǎn)50萬(wàn)臺(tái)后，單位成本將降至30美元/KW，即2萬(wàn)元。現(xiàn)有儲(chǔ)氫罐成本為6萬(wàn)元，未來(lái)有望降至3.5萬(wàn)元，總成本為5.5萬(wàn)元。長(zhǎng)期看三種動(dòng)力體系的成本相差不大，可見(jiàn)整車(chē)成本并不是核心問(wèn)題。

原料成本比較

2L汽油車(chē)百公里耗油為10升，5.8元/L的汽油售價(jià)，成本為58元。鋰離子電池車(chē)百公里耗電量為17度，0.65元/度電成本，成本11元。燃料動(dòng)力電池百公里消耗氫氣9方，制氫方式重要分為電解水或者化學(xué)反應(yīng)，如煤制氫、天然氣制氫等。電解水成本重要是電，平均5度電1方氫氣，成本約為3.8元/方，但可以在加氫站直接電解，省掉運(yùn)輸費(fèi)用。假如采用化石能源大規(guī)模集中生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)成本最低的是煤制氫氣，約為1.4元/方，北美則可利用廉價(jià)的天然氣，成本在0.9元/方。假如我們以煤制氣成本作為標(biāo)準(zhǔn)，百公里原料成本12.6元，和鋰離子電池差別不大。

配套成本比較

加氫站、加油站、充電站成本重要分為土地成本、設(shè)備成本、建設(shè)成本，差別重要體現(xiàn)在設(shè)備成本。加油站基本在300萬(wàn)元，充電站為430萬(wàn)元，加氫站以日本目前的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)為1500萬(wàn)元，整體上加氫站成本要高1000萬(wàn)元左右。按照15年折舊，每年銷(xiāo)氣量1000萬(wàn)方，則折舊成本為0.1元/方。小規(guī)模時(shí)氫氣一般以槽罐車(chē)運(yùn)輸，預(yù)計(jì)運(yùn)費(fèi)為0.44元/方，規(guī)模擴(kuò)大后則可采用管網(wǎng)運(yùn)輸，成本會(huì)下降至0.23元/方。

雖然鋰離子電池現(xiàn)階段依托于現(xiàn)成的電網(wǎng)系統(tǒng)，配套成本很低。但假如大規(guī)模推廣，現(xiàn)有電網(wǎng)的容量冗余基本都將被耗盡，未來(lái)必須要大規(guī)模擴(kuò)容。因此充電站本質(zhì)上是將配套成本外部化給了電網(wǎng)，因此計(jì)算其全產(chǎn)業(yè)鏈成本時(shí)還要添加電網(wǎng)端的成本。一般商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的充電站至少都要達(dá)到1小時(shí)快充的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)10個(gè)充電樁組成的充電站的功率都要達(dá)到600千瓦，相當(dāng)于上百戶(hù)家庭的用電負(fù)荷，對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的沖擊極大。對(duì)應(yīng)電網(wǎng)要新增投資120萬(wàn)元來(lái)擴(kuò)容負(fù)荷，但每年新增售電量只有93萬(wàn)度，按照0.65元/度購(gòu)電成本，電網(wǎng)端15年收回投資測(cè)算，則售價(jià)要在成本基礎(chǔ)上新增0.18元/度。

銷(xiāo)售端成本測(cè)算

加油站的銷(xiāo)售網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)非常成熟，其每小時(shí)的利潤(rùn)水平可以作為加注站合理回報(bào)的測(cè)算基準(zhǔn)。對(duì)應(yīng)加氫站每方價(jià)差為0.51元，鋰離子電池每度電則為4.9元。該電價(jià)情況下，鋰離子電池車(chē)基本無(wú)法推廣。目前國(guó)家規(guī)定充電站服務(wù)費(fèi)上限為0.4元/度，但其背景是給予了大量補(bǔ)貼。但沒(méi)有任何產(chǎn)業(yè)可以長(zhǎng)期依靠補(bǔ)貼來(lái)發(fā)展，未來(lái)假如鋰離子電池的充電效率不顯著提升，在加注站這個(gè)環(huán)節(jié)，公司的盈利水平會(huì)大幅低于加油站和加氫站。沒(méi)有合理回報(bào)，在目前寸土寸金的大城市，投資者根本沒(méi)有任何激勵(lì)去推廣充電站，產(chǎn)業(yè)自然也無(wú)法發(fā)展。但鋰離子電池低能量密度過(guò)低，假如強(qiáng)行實(shí)現(xiàn)高充電效率，電池循環(huán)壽命面對(duì)的工程挑戰(zhàn)就會(huì)非常巨大。而且即使能實(shí)現(xiàn)3分鐘快充，但對(duì)應(yīng)單個(gè)充電樁的功率要高達(dá)1200千瓦，每個(gè)充電站都要配套一個(gè)110千伏變電站。其投資高達(dá)5000萬(wàn)元，占地5000平米，且周?chē)?00米還不能有居民樓，關(guān)于現(xiàn)在沿海大城市在操作層面上挑戰(zhàn)也很大。

總計(jì)成本

綜合上述所有成本，汽油車(chē)、鋰離子電池車(chē)、現(xiàn)階段和充分商業(yè)化后燃料動(dòng)力電池車(chē)的百公里成本為58、83、23和20元。由于銷(xiāo)售價(jià)差占鋰離子電池成本比重很高，我們考慮到充電樁設(shè)備投資是加氫站的1/3，將其小時(shí)利潤(rùn)降至1.4元，綜合成本也還有37元，燃料動(dòng)力電池車(chē)長(zhǎng)期成本優(yōu)勢(shì)仍然非常明顯。其實(shí)這所有的根源還在于燃料動(dòng)力電池能量密度最高，同等商業(yè)化情況下，成本自然具備優(yōu)勢(shì)。

新能源車(chē)發(fā)展的一個(gè)重要邏輯就是節(jié)能環(huán)保，這對(duì)我國(guó)無(wú)疑更為重要。目前我國(guó)不但空氣污染嚴(yán)重，而且石油進(jìn)口依存度高達(dá)60%，其中85%還要經(jīng)過(guò)美國(guó)控制的馬六甲海峽，能源安全已成為我們國(guó)家安全的最大軟肋。因此國(guó)家給予新能源車(chē)巨額補(bǔ)貼，一個(gè)重要原因就是為了緩解對(duì)石油的進(jìn)口依存度。那么下文我們就從節(jié)能、環(huán)保和資源約束等方面對(duì)兩者進(jìn)行比較，具體如下：

節(jié)能環(huán)保比較

燃料動(dòng)力電池原料氫氣在我國(guó)目前最經(jīng)濟(jì)的手段是煤制氫，鋰離子電池的原料電力，在我國(guó)也重要來(lái)自于煤炭發(fā)電。因此這兩者本質(zhì)上能量都來(lái)自于煤炭，碳排放只不過(guò)是轉(zhuǎn)移給了上游，因此是否節(jié)能，重要就是看能量轉(zhuǎn)換效率。目前鋰離子電池車(chē)每百公里耗電17度，對(duì)應(yīng)6.8公斤煤炭;燃料動(dòng)力電池每百公里耗氫9方，儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)損耗20%，對(duì)應(yīng)煤炭為7.3公斤;汽油車(chē)每百公里耗油10L，碳排放相當(dāng)于10公斤煤炭。其實(shí)新能源車(chē)的節(jié)能效果都不明顯，其核心價(jià)值還是在于將一次能源消耗從石油轉(zhuǎn)化為我國(guó)儲(chǔ)量豐富的煤炭，緩解了能源安全問(wèn)題。而從環(huán)保看，燃料動(dòng)力電池幾乎沒(méi)有尾氣排放，鋰離子電池也只有少量排放，全產(chǎn)業(yè)的污染重要集中在上游。但比起處理分散的汽油車(chē)尾氣排放，上游的集中治污無(wú)疑難度要小很多。綜合而言，燃料動(dòng)力電池全產(chǎn)業(yè)鏈的污染最低，基本可以認(rèn)為是最佳的綠色車(chē)用能源。