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天然气与氢能汽车:清洁能源动力新选择

很多汽车爱好者对氢燃料汽车存在误读,认为所谓的“氢燃料汽车”和CNG技术一样,是把燃油车改装为使用气体燃料的传统汽车;这个观点不能说是错,但绝对不是以欧日为核心的企业群的研发方向,技术分为两类。

氢能热机氢能发电

其实真的有燃烧氢气产生热能、再将热能转化为机械能的发动机,一汽集团自主设计研发的2.0L氢能专用内燃机就是这种;这种发动机说白了就像把使用汽油的内燃机改装为用氢的发动机,只是用氢有什么优势呢?

氢能汽车「热」知识:氢能源汽车是烧氢的燃气车还是电动车?


氢燃烧后的产物很清洁-「氢二氧一」

氢气的分子式是H2,水的分子式是H2O;燃烧是燃料与氧气的化学反应,在高压高温条件下加上催化气体就能够让两者反应为水,也就是两个氢原子与一个氧原子的结合。由此可见燃烧氢当然是清洁的,能让氢气作为汽车的气体燃料,对控制汽车排放绝对有颠覆性的价值,所以郭沫若都说过“伟大的水啊氢二氧一”。

那么是不是说燃烧氢就是最佳的方式了呢?

答案应当是否定的,因为氢不是那么容易得来的,在自然界中无法直接获取!氢是工业的副产品,主要通过常规能源获取,比如煤炭、石油、天然气;氢作为汽车的气体燃料确实清洁,但制氢不清洁似乎也没有什么探索的意义了。

氢能汽车「热」知识:氢能源汽车是烧氢的燃气车还是电动车?

「电解水」制氢是目前的探索方向,H20是燃烧的产物,想要再次分离出H2则需要相当的能量;电解水可以分离出氢而且环保,只是用这种方式制氢的损耗很大。比如制备一公斤的氢需要消耗约60kwh的电能,而60kwh的电直接充入电动汽车的电池组的话,以目前中型轿车平均15kwh/100km的耗电量计算,就能够行驶400公里!那么直接燃烧氢能实现多少公里的续航呢?

氢气热值 14300KJ/KG汽油热值 46700KJ/KG

氢气的热值大约为汽油的3.26倍,1公斤汽油约等于1.37L,也就是说一公斤的氢气约等于4.46L汽油(1.37*3.26);中型燃料车按照10L/100km的平均油耗计算,通过消耗60kwh的电能转化出的一公斤氢,可以驱动车辆行驶约44.662公里。

直接充电行驶400公里,燃烧氢气行驶44.662公里;通过氢气实现零排放倒是事实,只是续航里程是不是有些太短了呢?

氢能汽车「热」知识:氢能源汽车是烧氢的燃气车还是电动车?

普通车辆可以加注5-6公斤的氢,续航里程只是在220-270公里之间;这还是在不考虑车型风阻系数、传动损耗、推重比等多种参数的前提下算出的平均值,所以氢燃料发动机似乎还是和CNG汽车一样,使用便利性确实太差了。而且安全用车的问题也是要考虑的,因为氢气的热值是汽油的三倍多,是天然气的4.3倍多;加氢站不会像加油站一样随处可见,即便会普遍也会在较为偏远的区域。

目前仅有几十座加氢站,其中还有些是针对试营运车辆的专用站。

氢能汽车「热」知识:氢能源汽车是烧氢的燃气车还是电动车?


氢发电又如何

像一汽一样使用氢燃料内燃机还有些普及的可能性,比如替代续航里程非常多的CNG出租车,专用站点服务于专用车型还有可能普及,此类车合理规划时间也不在意续航问题;但是用氢发电就真的没有意义了,虽然数据看起来可能还不错。

第一节说明了用清洁的电解水方式制备一公斤的氢需要消耗60kwh的电,转化为热能的续航里程可能要缩短十倍;而如果用氢氧还原方式发电的话,一公斤的氢就能转化出大约20kwh的电能,按照平均电耗尚可行驶100余公里,转化效率低一些的话也能接近20kwh/100km,那么这种技术是不是就能普及了呢?参考下图。

氢能汽车「热」知识:氢能源汽车是烧氢的燃气车还是电动车?

【PT】是氢燃料电池技术无法普及的核心因素,因为它叫做“白金”;一个低功率的「发电用氢燃料电池堆」也需要数十克的白金,结果造成了仅仅燃料电池的成本就会非常高。而这种发电技术当然是用于电动汽车的“增程”,参考理想ONE吧,这辆车用的是东安1.2T三缸机,其功能就只是发电而不参与驱动,内燃机直接给电池组充电;其次以唐DM-i为例,其的ECVT架构的内燃机可以但几乎不参与驱动,内燃机也是用于发电,本田ECVT架构也能接近这个水平。

同时基本所有看似为混合动力的公交车,其本质也都是增程车;那么这些车为什么都不选择氢燃料电池堆来作为增程器?答案很简单,因为所有增程汽车都要装备电机、电控、动力电池组,三电的成本已经足够高了,那么再加上一个动辄数万元的小功率氢燃料电池增程器,车辆的价格还有谱吗?

氢能汽车「热」知识:氢能源汽车是烧氢的燃气车还是电动车?

丰田、本田、现代等品牌的氢燃料增程式电动汽车的价格相当高,普通代步车的选项要四十万左右起;这种性能平庸的电动汽车自然没有吸引力,所以车辆造出来也基本卖不出去。这就是本田和日产先行退出这一领域的原因,说白了这就是在瞎折腾,康明斯和空气产品公司合作研究的氢燃料重卡动力系统怕也是水月镜花,把亚太作为重心更是痴人说梦,连自动挡燃油动力重卡都无法普及的时候,讨论这种成本不可控的车的普及就像是开玩笑。

所以氢燃料电池的增程发电模式没有讨论的价值,真正用氢作为气体燃料倒是还可以考虑,但也不具备大范围普及的前景。

氢能汽车「热」知识:氢能源汽车是烧氢的燃气车还是电动车?

最后再了解一个知识点,国内氢的价格大约为50元一公斤,这是按照15Mpa-40L的标准计算的均价,1L-H2≈0.0899g,感兴趣的读者可以自行计算;氢燃料增程电车有几千台保有量的日本,其氢的价格超过60元一公斤。

一公斤氢即便能反应出20kwh的电,以保证能行驶100公里,这就等于每公里0.6元,一般的2.0T燃油车是这个标准、一般的电动汽车的平均每公里开支低低至0.06元,高电耗的中大型轿车或中型SUV也不过是0.1-0.2元每公里;也就是说用氢能增程电动车的成本可以是普通电动车的十倍高,比插电混动汽车更高,比燃油车可能没有更节省。而作为气体燃料的话,目前的成本就能够达到1.0元一公里左右!如果这两种技术普及造成氢的供需关系的变化,还期待这种技术?

氢能汽车「热」知识:氢能源汽车是烧氢的燃气车还是电动车?


编辑:天和Auto-汽车科学岛

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