燃料電池vs锂電池:成本及安全性比較分析

燃料電池的催化劑要用到貴金屬鉑,市場遍及擔憂其資本束縛。2015年鉑全球總需求爲270噸,次要下流爲汽車尾氣潔淨催化劑、首飾、工業,占比爲44%、34%、22%。Mirai單車鉑耗損量約爲20g,比汽油車耗損要高10-15g。假設燃料電池車占全球5%的年産量,年均消費增量爲56噸擺布,看似沖擊很大。可是同樣假設下,锂資本的年均消費增量爲8萬噸,對應每年4萬噸的産量其實沖擊更大,這曾經從本年的锂礦石價錢暴漲獲得側面證明。並且豐田中期優化方針爲鉑單耗降低75%,並實現催化劑的鉑收受接管。上述任何一個方針實現,鉑資本束縛根基就獲得處理。

分析上述所有成本,汽油車、锂電池車、現階段和充實貿易化後燃料電池車的百公裏成本爲58、83、23和20元。因爲發賣價差占锂電池成本比重很高,我們考慮到充電樁設備投資是加氫站的1/3,將其小時利潤降至1.4元,分析成本也還有37元,燃料電池車持久成本劣勢仍然很是較著。其實這所有的根源還在于燃料電池能量密度最高,劃一貿易化環境下,成本天然具備劣勢。

功率密度比力

靈活車機能次要爲續航能力、充電/充氫時間、輸出功率和平安性等。燃料電池能量密度遠高于锂電池,響應電池容量,快充能力和續航裏程就具備了天然的劣勢,即便是和锂電池的豪車Tesla比擬也是大幅領先。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,響應最高時速和百公裏加快目標和锂電池相差不大。爲了便于比力,我們下文拔取目前支流的2L排氣量汽油車,對應45度锂電池車和輸出功率100KW燃料電池車作爲闡發基准。

锂電池作爲蓄電池的一種,是個封鎖系統,電池只是能量的載體,必需提前充電才能運轉,其能量密度取決于電極材料的能量密度。因爲目前負極材料的能量密度弘遠于正極,所以提高能量密度就要不竭升級正極材料,如從鉛酸、到鎳系、再到锂電池。但锂曾經是原子量最小的金屬元素,比锂離子更好的正極材料理論上就只要純锂電極,但能量密度其實也只要汽油的1/4,並且貿易化的手藝難度極大,幾十年內都無望沖破。因而锂電池能量密度提拔受制于理論瓶頸,空間很是無限,最多也就是從目前的160Wh/KG提高至300Wh/KG,即便達到也只要燃料電池的1/120,可謂輸在起跑線上。

原料成本比力

發賣端成本測算

2L汽油車百公裏耗油爲10升,5.8元/L的汽油售價,成本爲58元。锂電池車百公裏耗電量爲17度,0.65元/度電成本,成本11元。燃料電池百公裏耗損氫氣9方,制氫體例次要分爲電解水或者化學反映,如煤制氫、天然氣制氫等。電解水成本次要是電,平均5度電1方氫氣,成本約爲3.8元/方,但能夠在加氫站間接電解,免卻運輸費用。若是采用化石能源大規模集中出産,國內成本最低的是煤制氫氣,約爲1.4元/方,則可操縱廉價的天然氣,成本在0.9元/方。若是我們以煤制氣成本作爲尺度,百公裏原料成本12.6元,和锂電池不同不大。

近幾十年雖然都在鼎力推廣電動車,但其占比仍然很低,尚不足1%,焦點就在于過往的電動車都違反了能量密度提拔這個能源變化的主線邏輯。哪怕是最新一代的锂電池車,其能量密度極值也只要汽油的1/40,行業天然遲遲無法呈現10倍速的改良。但燃料電池的呈現卻完全改變了這一現狀。其以氫氣爲原料,根本能量密度是汽油的3倍,電動機的效率仍是內燃機的2倍,現實密度是汽油的6倍,劣勢較著。並且從人類過去百年的能源進化史看,其素質上就是碳氫比的調整史,氫含量越高,能量密度越高,將來從碳能源轉向氫能源是大勢所趨,因而采用氫能源的燃料電池無疑更能代表汗青成長的標的目的,最無望成爲下一代的根本能源。

目前替代石油車的支流手藝線就是锂電池和燃料電池。燃料電池最大劣勢就是能量密度高,是锂電池的120倍。但锂電池起步早,貿易化程度更高,整車成本也更低,且充電能夠操縱現有的電網系統,比擬燃料電池整個加氫和供氫的配套收集都要從頭扶植,成本也要更低。因而這兩者的合作焦點就是能量密度vs成本的合作。成本下降是個工程問題,能夠通過貿易化來處理,而能量密度面臨的倒是根本科學範疇的瓶頸,根基上是無解。因而素質上兩者的區別是“道與術”的區別,持久看,燃料電池無疑潛力更大,也最無望成爲下一代車用根本能源。

電池車的成本次要分爲整車成本、原料成本、配套成本。目前對燃料電池诟病最多就是成本太高,但用成長的目光看,跟著手藝前進和貿易化程度提高,其成本下降的空間很大。而锂電池若是考慮到電網端擴容的成本,其實分析配套成本還高于燃料電池,具體測算如下:

貿易化程度比力

縱觀人類汗青,每一次能源變化城市帶來整個工業系統的重構,以至是全球帶領國度的易主。第一次工業成績了英國、第二次工業成績了美國。若是燃料電池車將來能全面替代石油車,則配套石油成立的整個工業系統都將被,發財國度在過去200年內燃機時代堆集起來的手藝劣勢的價值將大幅縮水,這也響應給了我國一個彎道超車的機遇。若是我們可以或許把握住這個汗青機緣,就完全無望成爲下一代工業系統的帶領國度。日本作爲最早研發出锂電池的國度,目前卻已根基放棄锂電池車的研發,全力猛攻燃料電池,其背後的邏輯很值得我們深思。

燃料電池原料氫氣在我國目前最經濟的手段是煤制氫,锂電池的原料電力,在我國也次要來自于煤炭發電。因而這兩者素質上能量都來自于煤炭,碳排放只不外是轉移給了上遊,因而能否節能,次要就是看能量轉換效率。目前锂電池車每百公裏耗電17度,對應6.8公斤煤炭;燃料電池每百公裏耗氫9方,儲運環節損耗20%,對應煤炭爲7.3公斤;汽油車每百公裏耗油10L,碳排放相當于10公斤煤炭。其實新能源車的節能結果都不較著,其焦點價值仍是在于將一次能源耗損從石油爲我國儲量豐碩的煤炭,緩解了能源平安問題。而從環保看,燃料電池幾乎沒有尾氣排放,锂電池也只要少量排放,全財産的汙染次要集中在上遊。但比起處置分離的汽油車尾氣排放,上遊的集中治汙無疑問度要小良多。分析而言,燃料電池全財産鏈的汙染最低,根基能夠認爲是最佳的綠色車用能源。

合計成本

縱觀人類汗青,文明的前進素質上就是能量輸出強度的前進。晚期的農業文明,動力以人畜、木料等生物能爲主,輸出功率很是無限,還遭到地盤承載能力的,經濟只能在低程度不竭輪回;18世紀工業後,跟著蒸汽機和內燃機的推廣,根本能源變爲以煤炭、石油爲代表的化石能源,能量密度提拔了上百倍,P也終究沖破了“馬爾薩斯圈套”的,呈現了指數型的增加。目前全球能源布局爲原油33%,天然氣24%、煤炭30%,核電4%、水電7%和新能源2%,化石能源居于絕對主導地位。但瞻望將來,我們判斷人類能源布局曾經到了再次大變化的前夕,石油將無望在30年內被全面替代,以燃料電池爲代表的氫能源將成爲新的主導能源!

燃料電池因爲原料氫氣易燃易爆,市場遍及擔憂其平安性問題。但如我們下表的數據,比擬汽油蒸汽和天然氣這兩種常見的車用可燃氣體,氫氣的平安性並不差,以至還略好。此刻車用儲氫安裝都采用碳纖維材料,在80KM/h速度多角度碰撞測試中都能夠做到毫發無損。即便車禍導致泄露,因爲氫氣爆炸要求濃度高,在爆炸前一般就曾經起頭燃燒,反而很難爆炸。並且氫氣分量輕,溢出系統的氫氣著火後會敏捷向上升起,反而必然程度上了車身和乘客。而汽油爲液態,锂電池爲固態,很難在大氣中上升,燃燒都在車艙底部,整車會敏捷著火報廢。氫氣儲運環節其實和LNG很是雷同,只是所需壓力更大,跟著貿易化推進,其全體平安性也仍是可控的。

锂電池、燃料電池和保守汽油車,整車成本的差別次要體此刻策動機成本,其他組件差別不大。2L汽油車策動機成本在3萬元擺布,將來也很難有太大的變化。現有锂電池的度電成本爲1200元/kWh,將來無望降至1000元/kWh,45度電動車,電池成本爲4.5萬元。燃料電池成本次要是電池組和高壓儲氫罐,此刻100kw電池構成本爲10萬元,預測年産50萬台後,單元成本將降至30美元/KW,即2萬元。現有儲氫罐成本爲6萬元,將來無望降至3.5萬元,總成本爲5.5萬元。持久看三種動力系統的成底細差不大,可見整車成本並不是焦點問題。

能源的將來和工業系統的重構

燃料電池素質上能夠理解爲以氫氣爲原料的化學發電系統,因而輸出功率比力不變,爲了最大提高放電功率必需附加動力電池系統,如豐田Mirai就是配套鎳氫電池。但作爲一個的動力系統,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,只需5-8度就能滿足需求,對電池壽命的要求也不高,在實在工況下的利用很少。锂電池雖然理論放電效率很高,但爲了不電池壽命,利用良多。在充滿電的環境下不克不及大倍率放電,快速放電只合用0-80%這個區間。即便如斯,以5C倍率放電,嘗試室中的電池輪回壽命也會縮短到只要600次,實在工況下會進一步降至400次,如Telsa即便最大功率可達310KW,但現實放電倍率也只要4C。並且锂電池作爲能量密度不高的封鎖儲能系統,高功率放電和高續航裏程根基很難兼容,除非大幅提拔電池分量。即便Tesla采用了目前能量密度最好的三元電池,其電池組件分量都接近半噸。

能量密度比力

加氫站、加油站、充電站成本次要分爲地盤成本、設備成本、扶植成本,不同次要體此刻設備成本。加油站根基在300萬元,充電站爲430萬元,加氫站以日本目前的尺度估計爲1500萬元,全體上加氫站成本要高1000萬元擺布。按照15年折舊,每年銷氣量1000萬方,則折舊成本爲0.1元/方。小規模時氫氣一般以槽罐車運輸,估計運費爲0.44元/方,規模擴大後則可采用管網運輸,成本會下降至0.23元/方。

平安性比力

燃料電池vs锂電池其他比力

燃料電池vs锂電池誰將勝出

石油時代將被全面替代

除了上述目標,平安性對于靈活車來說無疑也很是環節。锂電池作爲封鎖的能量系統,從道理上高能量密度和平安性就很難兼容,不然就等同于。因而此刻支流工藝線中,能量密度低的磷酸鐵锂平安性卻較好,電池溫度達到500-600度時才起頭分化,根基不需要太多的輔助設備。Telsa采用的三元電池能量密度雖高,但不耐高溫,250-350度就會分化,平安性差。其處理方式是並聯了跨越7000節電池,大幅降低了單個電池漏液,爆炸帶來的,即便如斯也還需要連系一套複雜的電池設備。而且前期發生的幾回變亂,雖然得益于Telsa的平安設想並沒有呈現人員傷亡,但就變亂本身而言,其實都常輕細的碰撞,車身也沒有收到什麽,但電池卻著火了,也側面反映了其平安性然的劣勢。

加油站的發賣收集曾經很是成熟,其每小時的利潤程度能夠作爲加注站合理報答的測算基准。對應加氫站每方價差爲0.51元,锂電池每度電則爲4.9元。該電價環境下,锂電池車根基無法推廣。目前國度充電站辦事費上限爲0.4元/度,但其布景是賜與了大量補助。但沒有任何財産能夠持久依托補助來成長,將來若是锂電池的充電效率不顯著提拔,在加注站這個環節,企業的盈利程度會大幅低于加油站和加氫站。沒有合理報答,在目前寸土寸金的大城市,投資者底子沒有任何激勵去推廣充電站,財産天然也無法成長。但锂電池低能量密渡過低,若是實現高充電效率,電池輪回壽命面臨的工程挑戰就會很是龐大。並且即便能實現3分鍾快充,但對應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,且四周300米還不克不及有居民樓,對于此刻沿海大城市在操作層面上挑戰也很大。

農耕文明成長後期面對的最大問題就是,無限的地盤資本最終無法支持生齒進一步的增加。化石能源作爲不成再生資本,同樣面對著資本稀缺性的限制。按照過去20年的消費增速線性外推,全球已探明石油儲量只能支持30年,即便手藝前進能將石油壽命再延續幾十年,但總仍是有用光的一天,相對于人類還要持續至多千年的汗青,仍然沒成心義。並且考慮到目前勘察程度曾經很充實,在發覺低成本大油田的概率很低,潛在供給的開采成本會越來越高。這最終也會刺激替代能源貿易化的大幅提速,如斯刻锂電池車的成長就曾經如火如荼,因而經濟意義上的石油幹涸生怕還會來的更早。將來誰能全面替代石油,成爲新一代的車用燃料就成爲很是環節的問題。

體積能量密度比力

燃料電池vs锂電池成本比力

節能環保比力

資本束縛比力

燃料電池vs锂電池機能比力

人類汗青上每一次成功的能源變化,都有一個清晰的主線邏輯,就是能量密度呈現數量級上的躍升。如煤炭比木料高160倍,石油比煤炭也要高2倍。新能源只要具備能量密度上碾壓性的劣勢,才有能力保守能源憑仗著持久成長成立起來的完美的根本收集和工業配套,並逆轉其龐大的利用慣性。這也有些雷同英爾特創始人格魯夫在IT範疇提出的10倍速道理,即可以或許成功的新手藝一旦呈現,根基就是燎原之火、勢不成擋。如汽油車比電動車呈現要晚20年,晚期手藝也更爲不成熟,但仍是憑仗著能量密度高的劣勢,摧枯拉朽般的替代了電動車。

能量密度提拔是主線邏輯

配套成本比力

目前全球能量全體仍是來自于太陽核聚變發生的邊緣能量,總輸出功率爲1.8*1013。按照卡爾達肖夫指數,還處于級文明的階段。將來要繼續沖破,必然要實現可控核聚變,唯此才能達到1016的恒星級文明起步前提。屆時1公斤氫的同位素就能發生上億度電力,相當于1公斤海水就抵得上300升汽油的能量,水變油也將從胡想變成現實,能量也將不再成爲攪擾人類成長的問題。電解水制氫成本將會極低,可控核聚變+氫能源將成爲能源布局的終極組合。石油則能夠從燃料這個低端範疇完全出來,各類石油基原料的成本將會降至能以想象的程度,也給人類將來工業系統的重構帶來了無限可能,那將會是一個很是誇姣的時代!

雖然锂電池現階段依托于現成的電網系統,配套成本很低。但若是大規模推廣,現有電網的容量冗余根基都將被耗盡,將來必必要大規模擴容。因而充電站素質上是將配套成本外部化給了電網,因而計較其全財産鏈成本時還要添加電網端的成本。一般貿易化運營的充電站至多都要達到1小時快充的尺度,對應10個充電樁構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,對電網負荷的沖擊極大。對應電網需要新增投資120萬元來擴容負荷,但每年新增售電量只要93萬度,按照0.65元/度購電成本,電網端15年收回投資測算,則售價要在成本根本上添加0.18元/度。

新能源車成長的一個主要邏輯就是節能環保,這對我國無疑更爲主要。目前我國不單空氣汙染嚴峻,並且石油進口依存度高達60%,此中85%還要顛末美國節制的馬六甲海峽,能源平安已成爲我們的最大軟肋。因而國度賜與新能源車巨額補助,一個主要緣由就是爲了緩解對石油的進口依存度。那麽下文我們就從節能、環保和資本束縛等方面臨兩者進行比力,具體如下:

燃料電池的原料氫氣次要錯誤謬誤就是體積能量密度不高,此刻根基上是采用加壓來處理這個問題。按照現行的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公裏,燃料電池儲氫罐體積爲100L,分量爲30KG,對應汽油車油箱爲30L,但電動機體積比內燃機小80L,總體積相差不大。锂電池車分爲三元和磷酸鐵锂兩種支流手藝線,代表企業爲Tesla和比亞迪。三元能量密度更高,但平安性差,需要輔助的平安設備,跑300公裏所需的兩種電池體積別離爲140L和220L,分量爲0.4噸和0.6噸,都遠高于燃料電池。瞻望將來若是儲氫合金和低溫液態儲氫手藝可以或許沖破,燃料電池體積能量密度將別離添加1.5倍和2倍,劣勢會更爲較著。

全球能源款式臨近大變化前夕

整車成本比力

從貿易化程度上看,燃料電池和锂電池車大體差了5年,此刻還處于貿易化的前夜,估計迸發點在2020年擺布。目前全球手藝領先的國度爲日本和美國,特別是日本在乘用車範疇幾乎是桂林一枝,2015年量産的Mirai根基達到了貿易化的入門尺度。比擬之下,我國在燃料電池財産化範疇就建樹寥寥,只要北汽福田和上汽爲08年奧運會和10年世博會出産過燃料電池大客車,還逗留在手藝示範階段。但我國的劣勢是經濟體量大,跟著燃料電池手藝的成熟,具備快速追逐的能力。圓桶過濾器電解水好處淨水器鹼性離子水好處