石油时代即将落幕,燃料电池vs锂电池谁将胜出

汇北川电子2018-06-13 10:59:29


转自:赵辰看周期

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全球能源格局临近大变革前夜

  纵观人类历史,文明的进步本质上就是能量输出强度的进步。早期的农业文明,动力以人畜、木柴等生物能为主,输出功率非常有限,还受到土地承载能力的限制,经济只能在低水平不断循环;18世纪工业革命后,随着蒸汽机和内燃机的推广,基础能源变为以煤炭、石油为代表的化石能源,能量密度提升了上百倍,GDP也终于突破了“马尔萨斯陷阱”的束缚,呈现了指数型的增长。目前全球能源结构为原油33%,天然气24%、煤炭30%,核电4%、水电7%和新能源2%,化石能源居于绝对主导地位。但展望未来,我们判断人类能源结构已经到了再次大变革的前夜,石油将有望在30年内被全面替代,以燃料电池为代表的氢能源将成为新的主导能源!


1.1
石油时代将被全面替代
      农耕文明发展后期面临的最大问题就是,有限的土地资源最终无法支撑人口进一步的增长。化石能源作为不可再生资源,同样面临着资源稀缺性的制约。按照过去20年的消费增速线性外推,全球已探明石油储量只能支撑30年,即使技术进步能将石油寿命再延续几十年,但总还是有用光的一天,相对于人类还要持续至少千年的历史,仍然没有意义。而且考虑到目前勘探程度已经很充分,在发现低成本大油田的概率很低,潜在供给的开采成本会越来越高。这最终也会刺激替代能源商业化的大幅提速,如现在锂电池车的发展就已经如火如荼,因此经济意义上的石油枯竭恐怕还会来的更早。未来谁能全面替代石油,成为新一代的车用燃料就成为非常关键的问题。
1.2
燃料电池vs锂电池谁将胜出
      目前替代石油车的主流技术路线就是锂电池和燃料电池。燃料电池最大优势就是能量密度高,是锂电池的120倍。但锂电池起步早,商业化程度更高,整车成本也更低,且充电可以利用现有的电网系统,相比燃料电池整个加氢和供氢的配套网络都要从头建设,成本也要更低。因此这两者的竞争核心就是能量密度vs成本的竞争。成本下降是个工程问题,可以通过商业化来解决,而能量密度面对的却是基础科学领域的瓶颈,基本上是无解。因此本质上两者的区别是“道与术”的区别,长期看,燃料电池无疑潜力更大,也最有望成为下一代车用基础能源。
1.3
能量密度提升是主线逻辑
      人类历史上每一次成功的能源变革,都有一个清晰的主线逻辑,就是能量密度出现数量级上的跃升。如煤炭比木柴高160倍,石油比煤炭也要高2倍。新能源只有具备能量密度上碾压性的优势,才有能力颠覆传统能源凭借着长期发展建立起来的完善的基础网络和工业配套,并逆转其巨大的使用惯性。这也有些类似英尔特创始人格鲁夫在IT领域提出的10倍速原理,即能够成功颠覆的新技术一旦出现,基本就是星火燎原、势不可挡。如汽油车比电动车出现要晚20年,早期技术也更为不成熟,但还是凭借着能量密度高的优势,摧枯拉朽般的替代了电动车。
      近几十年虽然各国都在大力推广电动车,但其占比依然很低,尚不足1%,核心就在于过往的电动车都违反了能量密度提升这个能源变革的主线逻辑。哪怕是最新一代的锂电池车,其能量密度极值也只有汽油的1/40,行业自然迟迟无法出现10倍速的改进。但燃料电池的出现却彻底改变了这一现状。其以氢气为原料,基础能量密度是汽油的3倍,电动机的做功效率还是内燃机的2倍,实际密度是汽油的6倍,优势明显。而且从人类过去百年的能源进化史看,其本质上就是碳氢比的调整史,氢含量越高,能量密度越高,未来从碳能源转向氢能源是大势所趋,因此采用氢能源的燃料电池无疑更能代表历史发展的方向,最有望成为下一代的基础能源。
2
燃料电池vs锂电池性能比较
      机动车性能主要为续航能力、充电/充氢时间、输出功率和安全性等。燃料电池能量密度远高于锂电池,相应电池容量,快充能力和续航里程就具备了天然的优势,即使是和锂电池的顶级豪车Tesla相比也是大幅领先。但其功率密度不高,最大输出功率取决于辅助的动力电池系统,相应最高时速和百公里加速指标和锂电池相差不大(实际工况下还是要好很多)。为了便于比较,我们下文选取目前主流的2L排气量汽油车,对应45度锂电池车和输出功率100KW燃料电池车作为分析基准。
2.1
能量密度比较 
      锂电池作为蓄电池的一种,是个封闭体系,电池只是能量的载体,必须提前充电才能运行,其能量密度取决于电极材料的能量密度。由于目前负极材料的能量密度远大于正极,所以提高能量密度就要不断升级正极材料,如从铅酸、到镍系、再到锂电池(顺便科普一下,石墨烯是负极材料问题,即使突破也不改变正极能量密度)。但锂已经是原子量最小的金属元素,比锂离子更好的正极材料理论上就只有纯锂电极,但能量密度其实也只有汽油的1/4,而且商业化的技术难度极大,几十年内都无望突破。因此锂电池能量密度提升受制于理论瓶颈,空间非常有限,最多也就是从目前的160Wh/KG提高至300Wh/KG,即使达到也只有燃料电池的1/120,可谓输在起跑线上。 
2.2
体积能量密度比较
      燃料电池的原料氢气主要缺点就是体积能量密度不高,现在基本上是采用加压来解决这个问题。按照现行的700个大气压的加压模式,其体积能量密度是汽油1/3。同样跑300公里,燃料电池储氢罐体积为100L,重量为30 KG,对应汽油车油箱为30L,但电动机体积比内燃机小80L,总体积相差不大。锂电池车分为三元和磷酸铁锂两种主流技术路线,代表企业为Tesla和比亚迪。三元能量密度更高,但安全性差,需要辅助的安全保护设备,跑300公里所需的两种电池体积分别为140L和220L,重量为0.4吨和0.6吨,都远高于燃料电池。展望未来 如果储氢合金和低温液态储氢技术能够突破,燃料电池体积能量密度将分别增加1.5倍和2倍,优势会更为明显。
2.3
功率密度比较
      燃料电池本质上可以理解为以氢气为原料的化学发电系统,因此输出功率比较稳定,为了最大提高放电功率必须附加动力电池系统,如丰田Mirai就是配套镍氢电池。但作为一个开放的动力系统,其能量来自于外部输入,附加的镍氢电池不需要考虑储能的问题,只要5-8度就能满足需求,对电池寿命的要求也不高,在真实工况下的使用限制很少。锂电池虽然理论放电效率很高,但为了不伤害电池寿命,使用限制很多。在充满电的情况下不能大倍率放电,快速放电只适用0-80%这个区间。即使如此,以5C倍率放电,实验室中的电池循环寿命也会缩短到只有600次,真实工况下会进一步降至400次,如Telsa即使最大功率可达310KW,但实际放电倍率也只有4C。而且锂电池作为能量密度不高的封闭储能体系,高功率放电和高续航里程基本很难兼容,除非大幅提升电池重量。即使Tesla采用了目前能量密度最好的三元电池,其电池组件重量都接近半吨。
2.4
安全性比较
      除了上述指标,安全性对于机动车来说无疑也非常关键。锂电池作为封闭的能量体系,从原理上高能量密度和安全性就很难兼容,否则就等同于炸弹。因此现在主流工艺路线中,能量密度低的磷酸铁锂安全性却较好,电池温度达到500-600度时才开始分解,基本不需要太多的保护辅助设备。Telsa采用的三元电池能量密度虽高,但不耐高温,250-350度就会分解,安全性差。其解决方法是并联了超过7000节电池,大幅降低了单个电池漏液,爆炸带来的危险,即使如此也还需要结合一套复杂的电池保护设备(该重量增加也变相削弱了其能量密度的优势)。并且前期发生的几次事故,虽然得益于Telsa的安全设计并没有出现人员伤亡,但就事故本身而言,其实都是非常轻微的碰撞,车身也没有收到什么伤害,但电池却着火了,也侧面反映了其安全性上天然的劣势。
      燃料电池由于原料氢气易燃易爆,市场普遍担心其安全性问题。但如我们下表的数据,相比汽油蒸汽和天然气这两种常见的车用可燃气体,氢气的安全性并不差,甚至还略好。现在车用储氢装置都采用碳纤维材料,在80KM/h速度多角度碰撞测试中都可以做到毫发无损。即使车祸导致泄露,由于氢气爆炸要求浓度高,在爆炸前一般就已经开始燃烧,反而很难爆炸。而且氢气重量轻,溢出系统的氢气着火后会迅速向上升起,反而一定程度上保护了车身和乘客。而汽油为液态,锂电池为固态,很难在大气中上升,燃烧都在车舱底部,整车会迅速着火报废。氢气储运环节其实和LNG非常类似,只是所需压力更大,随着商业化推进,其整体安全性也还是可控的。

3
燃料电池vs锂电池成本比较
      电池车的成本主要分为整车成本、原料成本、配套成本。目前对燃料电池诟病最多就是成本太高,但用发展的眼光看,随着技术进步和商业化程度提高,其成本下降的空间很大。而锂电池如果考虑到电网端扩容的成本,其实综合配套成本还高于燃料电池,具体测算如下:
3.1
整车成本比较
      锂电池、燃料电池和传统汽油车,整车成本的差异主要体现在发动机成本,其他组件差异不大。2L汽油车发动机成本在3万元左右,未来也很难有太大的变化。现有锂电池的度电成本为1200元/kWh,未来有望降至1000元/kWh,45度电动车,电池成本为4.5万元。燃料电池成本主要是电池组和高压储氢罐,现在100kw电池组成本为10万元,预测年产50万台后,单位成本将降至30美元/KW,即2万元。现有储氢罐成本为6万元,未来有望降至3.5万元,总成本为5.5万元。长期看三种动力体系的成本相差不大,可见整车成本并不是核心问题。
3.2
原料成本比较
      2L汽油车百公里耗油为10升,5.8元/L的汽油售价,成本为58元(其中税负成本接近30%)。锂电池车百公里耗电量为17度,0.65元/度电成本,成本11元。燃料电池百公里消耗氢气9方,制氢方式主要分为电解水或者化学反应,如煤制氢、天然气制氢等。电解水成本主要是电,平均5度电1方氢气,成本约为3.8元/方,但可以在加氢站直接电解,省掉运输费用。如果采用化石能源大规模集中生产,国内成本最低的是煤制氢气,约为1.4元/方,北美则可利用廉价的天然气,成本在0.9元/方。如果我们以煤制气成本作为标准,百公里原料成本12.6元,和锂电池差别不大。
3.3
配套成本比较
      加氢站、加油站、充电站成本主要分为土地成本、设备成本、建设成本,差别主要体现在设备成本。加油站基本在300万元,充电站为430万元(下文都是假设每个充电站由10个充电桩组成),加氢站以日本目前的标准预计为1500万元,整体上加氢站成本要高1000万元左右。按照15年折旧,每年销气量1000万方(按每天工作10小时,每小时10辆车,每辆车加27升氢气,对应续航300公里计算),则折旧成本为0.1元/方。小规模时氢气一般以槽罐车运输,预计运费为0.44元/方,规模扩大后则可采用管网运输,成本会下降至0.23元/方。
      虽然锂电池现阶段依托于现成的电网系统,配套成本很低。但如果大规模推广,现有电网的容量冗余基本都将被耗尽,未来必须要大规模扩容。因此充电站本质上是将配套成本外部化给了电网,因此计算其全产业链成本时还要添加电网端的成本。一般商业化运营的充电站至少都要达到1小时快充的标准,对应10个充电桩组成的充电站的功率都要达到600千瓦,相当于上百户家庭的用电负荷,对电网负荷的冲击极大。对应电网需要新增投资120万元来扩容负荷,但每年新增售电量只有93万度(按每天为50辆车充电,每辆车充51度,相当于300公里续航计算),按照0.65元/度购电成本,电网端15年收回投资测算,则售价要在成本基础上增加0.18元/度。
3.4
销售端成本测算
      加油站的销售网络已经非常成熟,其每小时的利润水平可以作为加注站合理回报的测算基准。对应加氢站每方价差为0.51元,锂电池每度电则为4.9元。该电价情况下,锂电池车基本无法推广。目前国家规定充电站服务费上限为0.4元/度,但其背景是给予了大量补贴。但没有任何产业可以长期依靠补贴来发展,未来如果锂电池的充电效率不显著提升,在加注站这个环节,企业的盈利水平会大幅低于加油站和加氢站。没有合理回报,在目前寸土寸金的大城市,投资者根本没有任何激励去推广充电站,产业自然也无法发展。但锂电池低能量密度过低,如果强行实现高充电效率,电池循环寿命面对的工程挑战就会非常巨大。而且即使能实现3分钟快充,但对应单个充电桩的功率要高达1200千瓦,每个充电站都要配套一个110千伏变电站。其投资高达5000万元,占地5000平米,且周围300米还不能有居民楼,对于现在沿海大城市在操作层面上挑战也很大。
3.5
总计成本
      综合上述所有成本,汽油车、锂电池车、现阶段和充分商业化后燃料电池车的百公里成本为58、83、23和20元。由于销售价差占锂电池成本比重很高,我们考虑到充电桩设备投资是加氢站的1/3,将其小时利润降至1.4元,综合成本也还有37元,燃料电池车长期成本优势仍然非常明显。其实这所有的根源还在于燃料电池能量密度最高,同等商业化情况下,成本自然具备优势。
4
燃料电池vs锂电池其他比较
      新能源车发展的一个重要逻辑就是节能环保,这对我国无疑更为重要。目前我国不但空气污染严重,而且石油进口依存度高达60%,其中85%还要经过美国控制的马六甲海峡,能源安全已成为我们国家安全的最大软肋。因此国家给予新能源车巨额补贴,一个重要原因就是为了缓解对石油的进口依存度。那么下文我们就从节能、环保和资源约束等方面对两者进行比较,具体如下:
4.1
节能环保比较
      燃料电池原料氢气在我国目前最经济的手段是煤制氢,锂电池的原料电力,在我国也主要来自于煤炭发电。因此这两者本质上能量都来自于煤炭,碳排放只不过是转移给了上游,因此是否节能,主要就是看能量转换效率。目前锂电池车每百公里耗电17度,对应6.8公斤煤炭;燃料电池每百公里耗氢9方,储运环节损耗20%,对应煤炭为7.3公斤;汽油车每百公里耗油10L,碳排放相当于10公斤煤炭。其实新能源车的节能效果都不明显,其核心价值还是在于将一次能源消耗从石油转化为我国储量丰富的煤炭,缓解了能源安全问题。而从环保看,燃料电池几乎没有尾气排放,锂电池也只有少量排放(但电池报废后的污染问题比较严重),全产业的污染主要集中在上游。但比起处理分散的汽油车尾气排放,上游的集中治污无疑难度要小很多。综合而言,燃料电池全产业链的污染最低,基本可以认为是最佳的绿色车用能源。
4.2
资源约束比较
      燃料电池的催化剂要用到贵金属铂,市场普遍担心其资源约束。2015年铂全球总需求为270吨,主要下游为汽车尾气清洁催化剂、首饰、工业,占比为44%、34%、22%。Mirai单车铂消耗量约为20g,比汽油车消耗要高10-15g。假设燃料电池车占全球5%的年产量,年均消费增量为56吨左右,看似冲击很大。但是同样假设下,锂资源的年均消费增量为8万吨,对应每年4万吨的产量其实冲击更大,这已经从今年的锂矿石价格暴涨得到侧面证明。而且丰田中期优化目标为铂单耗降低75%,并实现催化剂的铂回收。上述任何一个目标实现,铂资源约束基本就得到解决。
4.3
商业化程度比较
      从商业化程度上看,燃料电池和锂电池车大体差了5年,现在还处于商业化的前夕,预计爆发点在2020年左右。目前全球技术领先的国家为日本和美国,尤其是日本在乘用车领域几乎是一枝独秀,2015年量产的Mirai基本达到了商业化的入门标准。相比之下,我国在燃料电池产业化领域就建树寥寥,只有北汽福田和上汽为08年奥运会和10年世博会生产过燃料电池大客车,还停留在技术示范阶段。但我国的优势是经济体量大,随着燃料电池技术的成熟,具备快速追赶的能力。
5
能源的未来和工业体系的重构
      目前全球能量整体还是来自于太阳核聚变产生的边缘能量,总输出功率为1.8*1013次方。依照卡尔达肖夫指数,还处于行星级文明的阶段。未来要继续突破,必然要实现可控核聚变,唯此才能达到1016的恒星级文明起步条件。届时1公斤氢的同位素就能产生上亿度电力,相当于1公斤海水就抵得上300升汽油的能量,水变油也将从梦想变成现实,能量也将不再成为困扰人类发展的问题。电解水制氢成本将会极低,可控核聚变+氢能源将成为能源结构的终极组合。石油则可以从燃料这个低端领域彻底解脱出来,各种石油基原料的成本将会降至能以想象的程度,也给人类未来工业体系的重构带来了无限可能,那将会是一个非常美好的时代!

      纵观人类历史,每一次能源变革都会带来整个工业体系的重构,甚至是全球领导国家的易主。第一次工业革命成就了英国、第二次工业革命成就了美国。如果燃料电池车未来能全面替代石油车,则配套石油建立的整个工业体系都将被颠覆,发达国家在过去200年内燃机时代积累起来的技术优势的价值将大幅缩水,这也相应给了我国一个弯道超车的机会。如果我们能够把握住这个历史机遇,就完全有望成为下一代工业体系的领导国家。日本作为最早研发出锂电池的国家,目前却已基本放弃锂电池车的研发,全力猛攻燃料电池,其背后的逻辑很值得我们深思。


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