如果你看过最近一期TED的主持人克里斯安德森（Chris Anderson） 对特斯拉CEO埃隆·马斯克（Elon Musk）的专访，你或许会注意到他们关于电动汽车发展形势的一段对话。

克里斯·安德森：“不是几乎每一家汽车制造厂商都已经宣布了它们短期和中期的电气化计划了么？”

埃隆·马斯克：“是的是的，我认为几乎每一家汽车制造商都有相关的电动汽车项目。它们的重视程度各不相同。有的公司正认真的打算完全转型成电动汽车制造商，而有的只是试试水。另外还有些公司，非常“神奇”的，还在继续开拓燃料电池汽车这一领域，当然我认为这一现象不会持续太久。”

被马斯克所指的那些“神奇”的公司有哪些呢？事实上不少传统豪强都宣布过自己的燃料电池汽车（下文用氢能源汽车指代）发展计划，例如梦想制造“氢”经济时代的本田，丰田和尼桑，韩国的现代和起亚，德国的戴姆勒等。

那么是氢能源汽车的什么特点，它们愿意投资数十亿美元在这一产业上？在细聊之前，先让我们简要谈谈燃料电池的工作原理。通俗的说，氢能源汽车是先将氢原子分解成电子和质子，然后通过电子流动发电，而剩下的传动配置则与锂电汽车类似。考虑到氢气的制取远不如化石燃料和电力来的方便，那么为什么不专心发展锂电汽车，而“多此一举”去发展氢能源汽车？

Toyota Mirai 底盘，图片来源：[1]

主要还是在于锂电最明显的两个短板：能量密度和充能速度。锂电相对较低的能量密度使得汽车工程师必须在汽车能耗与续航（车重）间找寻一个平衡点，例如作为锂电汽车标杆的特斯拉，在其官网给出的Model S 85D的测试环境下续航270英里。当然氢能源汽车也并没有太大优势，商业化的丰田Mirai和现代ix35改装版的官方续航数据则为312和369英里。当然，续航不够，可以快充来凑。但是由于锂电化学反应的限制，即便出名的特斯拉超级充电桩也需要三十分钟才能充满80%的电，而加氢站的优势则就此显现出来，充满Mirai 5公斤的燃料箱只需三到五分钟。需要指出的是，锂电的换电技术也能用来弥补其在充电速度上的不足，例如特斯拉的换电站只需七分钟便可完成操作 [2]。只是建设换电站以及额外的电池投资是否划算，需要打上一个大大的问号，尤其考虑到领头羊特斯拉已经选择在短期内放弃这一选项了。

因为氢能源汽车的相对长续航和快速加氢，或许有很多人会认为它的适用场景应该是长距离的通勤。但事实上其在城市通勤上也有不小的优势，虽然由于居民侧加氢装置的缺失，使得其在推广给普通用户时异常困难，但是在使用频率较高的场景（例如公交，市政用车等），它的快速充能优势就能可以凸显出来了。事实上，在今年初，英国的Element Energy公司就牵头了 JIVE和MERHLIN这两个总价接近四千万欧元的氢能源公交项目，计划在多个欧洲城市(德国的Cologne, Wuppertal and Rhein Mainz, 英国的London, Birmingham and Aberdeen, 意大利的South Tyrol, 拉脱维亚的Riga in Latvia 和丹麦的 Slagelse)部署144辆氢能源大巴和相应的加氢站。

当然，氢能源汽车在居民侧应用场景有限，这也使得其销量惨淡，大家的日子都不太好过。例如最出名的丰田Mirai，至今销量也才两千八百多辆，还于今年初经历了一次全部召回（虽然此次召回只需进行半小时的软件升级便可将问题解决[3]）。戴姆勒的CEO也刚刚宣布氢燃料电池已不在其公司的主要发展计划中。对于氢能源汽车推广的障碍，我们可以用“三高”来概括：

1. 高售价

2. 高燃料成本

3. 高充能成本

首先谈谈高售价。拿已经登陆英国市场的Toyota Mirai和Hyundai ix35 Fuel Cell来说，其官方售价分别为是£66,000和£67,985，而英国市场上在这一价格区间的车包括BMW 730d, Audi Q7, 保时捷卡宴S, 奔驰GLE500等，所以想让大众为氢能源的“情怀” 买单是件极其不现实的事情。当然政府的各类补助以及丰田的Mirai租车计划（£750每月包燃料账单），或许会让各类政府机构(city council, NHS, etc.)愿意尝尝鲜。

另外关于燃料成本，也就是加氢价格，确实氢能源汽车在化石能源极其便宜的美国可能很难与传统燃油车和纯电汽车的经济性相媲美。但是在那些高油价的欧洲国家，氢能源的燃料成本未必算得上过高。拿英国举个例子，ITM power建立的加氢站网络给出的价格是£10/kg，加满一辆Mirai大约需£50，考虑到Mirai的续航为550km，对标的内燃机油耗为7.58升/100km（以英国£1.2/升的汽油价格为参考）[4]，可以说这一等效油耗比在同类内燃机车型中是有一定竞争力的，更不用提在未来制氢成本可能会进一步下降（下文会详细提到）。

最后一条，也是氢能源汽车当前在居民区普及的主要问题­—缺乏基础设施，使得充能十分麻烦。确实，锂电可以依托电力网络进行充能，虽然家用充电桩充电速度较慢，但是考虑到居民车辆使用频率较低，并不会对使用体验造成大的影响。而对于氢能源汽车来说，不但需要铺设加氢站，还需要考虑将氢气从传统高温甲烷制氢的化工厂运送至加氢站。虽然建设氢能源传输网络（类似于天然气网络）也是一个选项，但相较于电气网络，其作用在目前看起来极其单一，缺乏大规模建设的经济激励。

除此之外，马斯克还曾诟病氢能源汽车的零排放的宣传政策。因为传统制氢是通过分解甲烷实现的，所以从全生命周期来考虑的话，氢能源汽车绝对谈不上零排放。

说了这么多，听起来氢能源汽车的未来貌似是个死胡同？其实也不尽然，因为制氢方式的改变正使得氢能源与其他能源网络开始融合起来，所以未来氢能源的适用范围会逐渐变广。

虽然当前制氢的主要方式还是上文所说的化学制氢，但是电解水制氢（下文用electrolyser代指）在欧洲已经逐渐风靡起来，也就是业界常说的”Power-to-Gas”(P2G)，例如 ITM Power与壳牌公司旗下的德国化工厂10MW electrolyser项目[5]和与荷兰天然气网络运营商EnergyStock签署的1.1MW electrolyser项目[6]等。那么电力制氢是否是一种浪费？如果说使用传统的火力发电制氢的话，确实并不划算。但是考虑到只能被动发电的新能源在电力系统内的占比逐渐增加，电力峰谷电价的差额很有可能会越来越大，甚至可能更加频繁的重现之前丹麦系统的“负电价”事件，那么在低谷电价时制氢就显得有利可图了。除此之外，electrolyser一般会配备相应的储氢设备，标准设计容量为一天的加氢需求，所以相较于充电桩，electrolyser的运行可以更加灵活。

再者，相比于容量较小（以千瓦计）且分布过广的充电桩，集中式的electrolyser（以兆瓦计）更适合用来提供电力系统的辅助服务以增加额外收入，尤其是当新能源发电输出过高，系统需要提升用电需求以保持供需平衡。例如ITM参与设计的THÜGA P2G plant就达到了提供二次辅助服务的要求，并在2015年就成功参与到了德国区域调度TenneT的辅助服务池中去。此外，英国国家电网最近也新加入了Demand Turn Up 服务，用于在电量低谷时增加系统需求，以避免切风切光伏。当然提到辅助服务，不得不说的就是价值最高的调频服务(frequency response)。事实上美国的NREL实验室早就证明了electrolyser的调频能力，可以在接收到信号后的一秒内改变自己的运行点以达到调频的效果[7]。

笔者作为欧洲氢能源项目H2ME2的研究员，最近也通过模拟英国电力系统运行，对使用electrolyser提供快速频率响应所带来的经济和减排效应进行了评估，并在IREP 2017和ISGT Europe 2017上发了两篇文章，有兴趣的朋友可以关注作者的Researchgate (https://www.researchgate.net/profile/Lingxi_Zhang)。相信通过提供多样化的辅助服务，电解制氢的成本能够进一步下降，提升其经济性。

当然“吹嘘”了一堆电解制氢的好处，没有普及加氢站的计划也不行。但事实上欧盟区在2015已开展氢能源汽车项目，名为hydrogen mobility Europe (H2ME)，其中一期投资七千一百万欧元，二期投资一亿欧元。下图则标明了欧洲区正在运行或者已经规划的加氢站网络，其中就包括了H2ME项目正在规划或已经建成的49个加氢站。一旦建立起完备的加氢网络，氢能源汽车的使用场景也就可以从区域内通勤扩大到跨国行驶，就像特斯拉所连接美国东西海岸的超级充电站网络一样。

欧洲加氢站分布图，图片来源：H2ME官网[8]

最后想要真正发展壮大氢能源产业，将氢能源融入到居民的日常生活中来是极其重要的。对此，英国就在考虑如何在未来将其坚实的天然气网络转化成氢能源网络，以实现其2050年的80%碳减排的目标。当前各国最直接的碳减排手段就是增加可再生能源发电在电力系统中的渗透比例，但是长期来看，即便将电力系统完全无碳化，也很难达到发达国家国制定的长期减排目标。根据英国政府的数据，电力只占了当前英国终端能耗的17.5%，而天然气和汽油的终端能耗占比则分别为29.1%和42.3%。想要达到未来80%的减排目标，一方面需要将交通工具的燃料来源清洁化（比如锂电或是氢能源），另外一方面还要找寻天然气的替代品，毕竟当前85%的英国居民正在使用燃烧天然气供暖。

为了减排，英国政府已经规划了各类供暖电气化项目，例如大规模普及分布式电热泵技术，并为此提供了大量的资金补助。但是天然气管网的运营商恐怕不会坐以待毙，看着被电网蚕食自己的客户。上文提到的THÜGA P2G 项目就已经尝试在其天然气管网中混入最高2%比例的氢气。北英格兰的天然气管网运营商(Northern Gas Networks)也宣布了由政府资助两千五百万镑的H21 project [9]，用于分析如何将现有天然气管网在未来升级成纯氢气管网。

另外，负责连接英国近一半天然气用户的Cadent公司（原英国国网下属天然气公司），也从政府争取到了总价近六亿英镑的氢能源利用项目，并在利物浦和曼彻斯特进行了试点，前期主攻工商业用户的燃气替换。当然纯氢化的道路还很长，走起来也很贵。不光现有的天然气管网可能无法兼容纯氢传输，居民家中的天然气热水器也要因此被更换。当然一旦氢能源管网建立起来，在未来给燃料电池汽车加氢就不再局限于大型的加氢站了，居民用户也可以方便的为自己的燃料电池汽车充氢。

综上，虽然在未来十几二十年内，燃料电池汽车还很难与锂电汽车相抗衡，但是考虑到中长期的减排目标，氢能源的应用范围很有可能会变广并接入居民区，锂电汽车能够依托电网方便充能的优势也就不复存在了。到那时，谁又敢下定论说氢能源汽车不能与锂电汽车相抗衡呢？

当然，最后的最后，笔者还是想在撒哈拉沙漠里尝试开开这辆车。开到口渴了？去车后面接杯纯净水喝就是了。

作者Lingxi Zhang来自曼彻斯特大学Research Associate, 专注于多能互补方向的研究

参考资料:

[1] https://spectrum.ieee.org/green-tech/fuel-cells/why-the-automotive-future-will-be-dominated-by-fuel-cells

[2]  http://www.teslarati.com/tesla-shuts-down-battery-swap-program-for-superchargers/

[3] http://www.reuters.com/article/us-toyota-recall-fuelcells/toyota-to-recall-all-2800-mirai-fuel-cell-cars-on-the-road-idUSKBN15U0F1

[3] http://www.windpowermonthly.com/article/1431450/road-wind-powered-car

 [5] http://www.itm-power.com/news-item/10mw-refinery-hydrogen-project-with-shell

[6] http://www.proactiveinvestors.co.uk/companies/news/184200/itm-power-to-supply-hydrogen-electrolyser-to-dutch-gas-grid-operator-energystock-184200.html

[7] https://www.nrel.gov/docs/fy12osti/54658.pdf

[8] http://h2me.eu/

[9] https://www.northerngasnetworks.co.uk/2017/04/27/northern-gas-networks-hydrogen-project-takes-step-forward-as-25-million-fund-announced-for-hydrogen-in-homes/

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