氫燃料電池和鋰電池分析

　　近幾十年雖然各國都在大力推廣電動車，但其占比依然很低，尚不足1%，核心就在于過往的電動車都違反了能量密度提升這個能源變革的主線邏輯。哪怕是最新一代的鋰電池車，其能量密度極值也只有汽油的1/40，行業(yè)自然遲遲無法出現(xiàn)10倍速的改進。但燃料電池的出現(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，電動機的做功效率還是內(nèi)燃機的2倍，實際密度是汽油的6倍，優(yōu)勢明顯。而且從人類過去百年的能源進化史看，其本質(zhì)上就是碳氫比的調(diào)整史，氫含量越高，能量密度越高，未來從碳能源轉(zhuǎn)向氫能源是大勢所趨，因此采用氫能源的燃料電池無疑更能代表歷史發(fā)展的方向，最有望成為下一代的基礎(chǔ)能源。

　　機動車性能主要為續(xù)航能力、充電/充氫時間、輸出功率和安全性等。燃料電池能量密度遠高于鋰電池，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，即使是和鋰電池的頂級豪車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力電池系統(tǒng)，相應(yīng)最高時速和百公里加速指標和鋰電池相差不大。為了便于比較，我們下文選取目前主流的2L排氣量汽油車，對應(yīng)45度鋰電池車和輸出功率100KW燃料電池車作為分析基準。

　　能量密度比較

　　鋰電池作為蓄電池的一種，是個封閉體系，電池只是能量的載體，必須提前充電才能運行，其能量密度取決于電極材料的能量密度。由于目前負極材料的能量密度遠大于正極，所以提高能量密度就要不斷升級正極材料，如從鉛酸、到鎳系、再到鋰電池。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)都無望突破。因此鋰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，即使達到也只有燃料電池的1/120，可謂輸在起跑線上。

　　體積能量密度比較

　　燃料電池的原料氫氣主要缺點就是體積能量密度不高，現(xiàn)在基本上是采用加壓來解決這個問題。按照現(xiàn)行的700個大氣壓的加壓模式，其體積能量密度是汽油1/3。同樣跑300公里，燃料電池儲氫罐體積為100L，重量為30KG，對應(yīng)汽油車油箱為30L，但電動機體積比內(nèi)燃機小80L，總體積相差不大。鋰電池車分為三元和磷酸鐵鋰兩種主流技術(shù)路線，代表企業(yè)為Tesla和比亞迪。三元能量密度更高，但安全性差，需要輔助的安全保護設(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，都遠高于燃料電池。展望未來如果儲氫合金和低溫液態(tài)儲氫技術(shù)能夠突破，燃料電池體積能量密度將分別增加1.5倍和2倍，優(yōu)勢會更為明顯。

　　功率密度比較

　　燃料電池本質(zhì)上可以理解為以氫氣為原料的化學發(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力電池系統(tǒng)，如豐田Mirai就是配套鎳氫電池。但作為一個開放的動力系統(tǒng)，其能量來自于外部輸入，附加的鎳氫電池不需要考慮儲能的問題，只要5-8度就能滿足需求，對電池壽命的要求也不高，在真實工況下的使用限制很少。鋰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。在充滿電的情況下不能大倍率放電，快速放電只適用0-80%這個區(qū)間。即使如此，以5C倍率放電，實驗室中的電池循環(huán)壽命也會縮短到只有600次，真實工況下會進一步降至400次，如Telsa即使最大功率可達310KW，但實際放電倍率也只有4C。而且鋰電池作為能量密度不高的封閉儲能體系，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，安全性對于機動車來說無疑也非常關(guān)鍵。鋰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)在主流工藝路線中，能量密度低的磷酸鐵鋰安全性卻較好，電池溫度達到500-600度時才開始分解，基本不需要太多的保護輔助設(shè)備。Telsa采用的三元電池能量密度雖高，但不耐高溫，250-350度就會分解，安全性差。其解決方法是并聯(lián)了超過7000節(jié)電池，大幅降低了單個電池漏液，爆炸帶來的危險，即使如此也還需要結(jié)合一套復雜的電池保護設(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)計并沒有出現(xiàn)人員傷亡，但就事故本身而言，其實都是非常輕微的碰撞，車身也沒有收到什么傷害，但電池卻著火了，也側(cè)面反映了其安全性上天然的劣勢。

　　燃料電池由于原料氫氣易燃易爆，市場普遍擔心其安全性問題。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的車用可燃氣體，氫氣的安全性并不差，甚至還略好。現(xiàn)在車用儲氫裝置都采用碳纖維材料，在80KM/h速度多角度碰撞測試中都可以做到毫發(fā)無損。即使車禍導致泄露，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)的氫氣著火后會迅速向上升起，反而一定程度上保護了車身和乘客。而汽油為液態(tài)，鋰電池為固態(tài)，很難在大氣中上升，燃燒都在車艙底部，整車會迅速著火報廢。氫氣儲運環(huán)節(jié)其實和LNG非常類似，只是所需壓力更大，隨著商業(yè)化推進，其整體安全性也還是可控的。

　　電池車的成本主要分為整車成本、原料成本、配套成本。目前對燃料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)進步和商業(yè)化程度提高，其成本下降的空間很大。而鋰電池如果考慮到電網(wǎng)端擴容的成本，其實綜合配套成本還高于燃料電池，具體測算如下：

　　整車成本比較

　　鋰電池、燃料電池和傳統(tǒng)汽油車，整車成本的差異主要體現(xiàn)在發(fā)動機成本，其他組件差異不大。2L汽油車發(fā)動機成本在3萬元左右，未來也很難有太大的變化。現(xiàn)有鋰電池的度電成本為1200元/kWh，未來有望降至1000元/kWh，45度電動車，電池成本為4.5萬元。燃料電池成本主要是電池組和高壓儲氫罐，現(xiàn)在100kw電池組成本為10萬元，預(yù)測年產(chǎn)50萬臺后，單位成本將降至30美元/KW，即2萬元。現(xiàn)有儲氫罐成本為6萬元，未來有望降至3.5萬元，總成本為5.5萬元。長期看三種動力體系的成本相差不大，可見整車成本并不是核心問題。

　　原料成本比較

　　2L汽油車百公里耗油為10升，5.8元/L的汽油售價，成本為58元。鋰電池車百公里耗電量為17度，0.65元/度電成本，成本11元。燃料電池百公里消耗氫氣9方，制氫方式主要分為電解水或者化學反應(yīng)，如煤制氫、天然氣制氫等。電解水成本主要是電，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，省掉運輸費用。如果采用化石能源大規(guī)模集中生產(chǎn)，國內(nèi)成本最低的是煤制氫氣，約為1.4元/方，北美則可利用廉價的天然氣，成本在0.9元/方。如果我們以煤制氣成本作為標準，百公里原料成本12.6元，和鋰電池差別不大。

　　配套成本比較

　　加氫站、加油站、充電站成本主要分為土地成本、設(shè)備成本、建設(shè)成本，差別主要體現(xiàn)在設(shè)備成本。加油站基本在300萬元，充電站為430萬元，加氫站以日本目前的標準預(yù)計為1500萬元，整體上加氫站成本要高1000萬元左右。按照15年折舊，每年銷氣量1000萬方，則折舊成本為0.1元/方。小規(guī)模時氫氣一般以槽罐車運輸，預(yù)計運費為0.44元/方，規(guī)模擴大后則可采用管網(wǎng)運輸，成本會下降至0.23元/方。

　　雖然鋰電池現(xiàn)階段依托于現(xiàn)成的電網(wǎng)系統(tǒng)，配套成本很低。但如果大規(guī)模推廣，現(xiàn)有電網(wǎng)的容量冗余基本都將被耗盡，未來必須要大規(guī)模擴容。因此充電站本質(zhì)上是將配套成本外部化給了電網(wǎng)，因此計算其全產(chǎn)業(yè)鏈成本時還要添加電網(wǎng)端的成本。一般商業(yè)化運營的充電站至少都要達到1小時快充的標準，對應(yīng)10個充電樁組成的充電站的功率都要達到600千瓦，相當于上百戶家庭的用電負荷，對電網(wǎng)負荷的沖擊極大。對應(yīng)電網(wǎng)需要新增投資120萬元來擴容負荷，但每年新增售電量只有93萬度，按照0.65元/度購電成本，電網(wǎng)端15年收回投資測算，則售價要在成本基礎(chǔ)上增加0.18元/度。

　　銷售端成本測算

　　加油站的銷售網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)非常成熟，其每小時的利潤水平可以作為加注站合理回報的測算基準。對應(yīng)加氫站每方價差為0.51元，鋰電池每度電則為4.9元。該電價情況下，鋰電池車基本無法推廣。目前國家規(guī)定充電站服務(wù)費上限為0.4元/度，但其背景是給予了大量補貼。但沒有任何產(chǎn)業(yè)可以長期依靠補貼來發(fā)展，未來如果鋰電池的充電效率不顯著提升，在加注站這個環(huán)節(jié)，企業(yè)的盈利水平會大幅低于加油站和加氫站。沒有合理回報，在目前寸土寸金的大城市，投資者根本沒有任何激勵去推廣充電站，產(chǎn)業(yè)自然也無法發(fā)展。但鋰電池低能量密度過低，如果強行實現(xiàn)高充電效率，電池循環(huán)壽命面對的工程挑戰(zhàn)就會非常巨大。而且即使能實現(xiàn)3分鐘快充，但對應(yīng)單個充電樁的功率要高達1200千瓦，每個充電站都要配套一個110千伏變電站。其投資高達5000萬元，占地5000平米，且周圍300米還不能有居民樓，對于現(xiàn)在沿海大城市在操作層面上挑戰(zhàn)也很大。

　　總計成本

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

　　新能源車發(fā)展的一個重要邏輯就是節(jié)能環(huán)保，這對我國無疑更為重要。目前我國不但空氣污染嚴重，而且石油進口依存度高達60%，其中85%還要經(jīng)過美國控制的馬六甲海峽，能源安全已成為我們國家安全的最大軟肋。因此國家給予新能源車巨額補貼，一個重要原因就是為了緩解對石油的進口依存度。那么下文我們就從節(jié)能、環(huán)保和資源約束等方面對兩者進行比較，具體如下：

　　節(jié)能環(huán)保比較

　　燃料電池原料氫氣在我國目前最經(jīng)濟的手段是煤制氫，鋰電池的原料電力，在我國也主要來自于煤炭發(fā)電。因此這兩者本質(zhì)上能量都來自于煤炭，碳排放只不過是轉(zhuǎn)移給了上游，因此是否節(jié)能，主要就是看能量轉(zhuǎn)換效率。目前鋰電池車每百公里耗電17度，對應(yīng)6.8公斤煤炭;燃料電池每百公里耗氫9方，儲運環(huán)節(jié)損耗20%，對應(yīng)煤炭為7.3公斤;汽油車每百公里耗油10L，碳排放相當于10公斤煤炭。其實新能源車的節(jié)能效果都不明顯，其核心價值還是在于將一次能源消耗從石油轉(zhuǎn)化為我國儲量豐富的煤炭，緩解了能源安全問題。而從環(huán)保看，燃料電池幾乎沒有尾氣排放，鋰電池也只有少量排放，全產(chǎn)業(yè)的污染主要集中在上游。但比起處理分散的汽油車尾氣排放，上游的集中治污無疑難度要小很多。綜合而言，燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的污染最低，基本可以認為是最佳的綠色車用能源。