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氢燃料电池: 解答您的所有问题

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关于氢能以及它未来是否会取代柴油的讨论非常多。 但是这项技术的工作原理是什么? 氢有哪些优缺点? 它与电动卡车相比如何? 本文给出了有关氢燃料电池的一些最常见问题的答案。

什么是氢?为什么它如此令人兴奋?

氢是一种化学元素,是许多天然化合物的一部分,包括水。 汽车中使用的氢(H2)是一种无味气体,通常是从水或天然气中提取氢元素生产而成。

尽管如今相关宣传铺天盖地,但氢技术并不是新鲜事。 事实上,航天器长期以来一直使用氢提供动力。 但是,由于运输行业推动去碳化、可再生能源成本下降而且全球各地政府为进一步开发该技术制定了更详细的战略,我们看到氢重新燃起人们的兴趣。
 

如何生产氢燃料?

甲烷水蒸气转化(SMR)是大规模工业化生产氢的最常用方法。 在此工艺中,天然气中的甲烷与水蒸气发生反应,生成氢气和一氧化碳。 一氧化碳继续发生反应,产生更多氢气。 氢气也可以通过电解工艺获取,水通过电分解为氢和氧。

氢还有其它来源,例如生物质气化(植物物质加热和反应,产生氢和二氧化碳)和发酵(某些类型的细菌在新陈代谢的过程中产生氢)。 将太阳能电池浸入水中分解水,也可以产生氢。
 

氢燃料如何输送?

虽然氢气可以通过天然气输送管道来运输,但今天用作燃料的大部分氢气是在大型工厂中生产,然后用专用液氢挂车运输。 氢气也可以在加油站通过SMR或电解生产。 但这种方法通常效率较低且成本高。
 

氢燃料电池是如何工作的?

燃料电池汽车的工作原理有点像内燃机,不同之处在于该系统不会燃烧从加压罐中抽取的氢,而是将其与氧融合以产生电力,为电动机提供动力。 该过程发生在PEM(聚合物电解质膜)燃料电池中,这种电池由用膜隔开的多组薄板组成。

卡车中如何使用氢?

氢可以在类似压缩天然气(CNG)发动机的内燃机中用作燃料。 另一种解决方案是在燃料电池中使用氢,由此产生电力来驱动车辆。 氢还可以用作辅助燃料电池,以延长电池供电的电动汽车的行驶里程。
 

氢燃料有哪些优点?

使用氢为燃料电池供电时,唯一的副产品是水和热,而没有污染物或温室气体。 根据氢的生产方式,它可以成为极其清洁的柴油替代品。 氢也有着强大的威力: 80公斤氢产生的能量足以让一辆卡车行驶800公里! 氢能汽车的加注过程也非常快捷。

氢燃料电池汽车的推进系统是电动的。 这意味着驾驶体验类似于驾驶电动卡车;没有发动机噪音、启动快速而且可回收制动能量。
 

氢燃料有哪些缺点?

氢的反应性很强,因此它往往会腐蚀其它材料,而且还高度易燃,这些因素使得氢的运输难度大且成本高。 另一个主要问题是氢基础设施不足而且建设成本高。 如今全世界只有337个加氢站,大部分都在德国和日本。 尽管事实表明现有CNG基础设施可用于运输和储存氢,但对于必须依赖非常清洁的氢运行的燃料电池来说并非是好的解决方案。

由于氢的生产规模仍然很小并且需要手动过程,因此氢燃料电池的制造成本也很高。 另一个关键的成本要素是氢气罐,它很大,占据大量空间。 最后,氢燃料的成本明显高于柴油。
 

氢有多环保?

当氢在燃料电池中与氧反应时,唯一的产出是水。 因此,当卡车由燃料电池驱动时,不会产生有害的尾气排放。 但氢的生产过程需要大量的能源,因此还必须考虑所有气候影响指标。 如今的大多数氢是使用煤或天然气生产的。 但是,如果生产用电来自可再生能源,则氢燃料的碳足迹可能接近平衡(这叫做“绿色氢”)。 另一种减少氢足迹的方法是碳捕获储存(CCS),这是从SMR中捕获、运输CO2排放物并永久深度封存到地下的过程。
 

氢能卡车与电动卡车相比较如何?

任何柴油替代品要想取得成功,必须在成本、续航里程和基础设施可用性方面具备明显的优势。  以下是氢燃料电池汽车与电动汽车的对比:

成本: 氢燃料电池和锂离子蓄电池都比柴油价格高。 然而,锂离子蓄电池的成本正在迅速下降。 Bloomberg预测交叉点(当电动汽车比同等内燃机汽车更便宜时)最早可能出现于2022年。由于氢能汽车的开发和推广受到限制,因此很难衡量类似的收益。

续航里程: 氢燃料电池比蓄电池的能量密度更高,因此延长了车辆的续航里程。 事实上,一个700巴的氢气罐的能量重量比是蓄电池的十倍。 氢燃料电池也比蓄电池更轻,这意味着氢能汽车可以承受更高的有效载荷。

基础设施:锂离子蓄电池的开发和生产远超过氢燃料电池。 电动卡车的商业可行性已得到证明,尤其是在城市运输中。 电动汽车的加注基础设施也取得了长足的进步。 例如,美国在2018年有20,000个充电站,而加氢站只有不到45个。
 

氢能卡车会取代柴油或电动卡车吗?

氢能的发展势头正劲。 大多数的大型汽车和卡车公司(包括沃尔沃卡车)都在研究、开发相关解决方案并建立合作伙伴关系来开发这项技术。 但不仅是汽车行业开始意识到氢能的潜力。

随着人们日益关注气候变化并要求从新冠疫情中“绿色复苏”,各国政府对氢能表现出更大的兴趣(并投入更多资金!)。 就在刚过去的5月,欧盟公布了7,500亿欧元的复苏计划,为绿色交通和工业提供资金。 该计划以欧洲绿色协议为核心,强调氢能是重点事务,并计划通过氢能的投资议程和自由跨境贸易来开发该技术。 今年早些时候还公布成立了欧洲清洁氢联盟,将投资者与政府、机构和工业合作伙伴聚集起来。

尽管这些进展都充分说明了氢能在卡车运输中的广阔前景,但要做出有意义的气候或经济贡献仍然存在许多障碍。 氢能大有可为的一个领域是重负荷、高要求的长途运输,可使用它为电动传动系统提供燃料。 这意味着,氢能卡车不是要取代更适合配送和区域运输的电动卡车,而是两种技术相结合,共同构建更加可持续的运输系统。

在氢能是否可能取代柴油发动机的问题上,推动运输可持续性提高意味着氢能可能会取代一些柴油车。 特别是当这样做有明确的商业案例和竞争优势时。
 

可替代燃料: 评估优缺点

氢燃料电池、电动卡车、生物燃料、生物液化天然气……各种不同的柴油替代品种类似乎越来越多。 运输经营业主可能难以全面了解和掌握可替代燃料。 为了帮助您,我准备了一份指南,概述了每种技术的工作原理和优缺点。 

Lars Mårtensson

Lars Mårtensson works as Environment and Innovation Director at Volvo Trucks.

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