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博世和戴姆勒押宝的「氢燃料电池」究竟是何“宝藏”?

几何四驱

作者|王晓峰  来源|几何四驱 (ID: GeometryAWD)

以来源广泛的氢气或液态氢为主要燃料,通过电化学反应,为交通运输和生产物流的过程提供节能高效,洁净环保(主要排放为水)的电能输出。

在欧盟环保主旋律和排放检测新规的双重压力衬托下,这项可以大幅减少汽车在生产和行驶过程中碳排放量的潜力技术就是德国戴姆勒和博世两大汽车行业巨头选择押宝「氢燃料电池」的主要原因么? 

伴随着全球汽车产业“纯电动化”浪潮的汹涌澎湃,随之而来的是大量的传统机械加工零部件被逐步淘汰,这令德国工业界引以为傲的传统机械加工制造产业正遭受着巨大的生存和发展压力。

难道,只有“纯电动”储能电池的技术路线才是全球汽车行业的唯一出路么?

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德国博世集团首席执行官沃尔克马尔·邓纳尔博士(Volkmar Denner)曾在接受媒体采访时强调:

“技术发展的多样化至关重要!”

“实现可持续“绿色”交通出行,不仅仅只有电动化这一条路,我们还应当重视高效的内燃机技术,以及可再生合成燃料和燃料电池技术。”

基础研发和技术出口一直是德国机械产业和汽车产业的“制胜之道”。在丢失动力电池”关键阵地“的当下,德国乃至欧洲都急迫着想要开辟一条新的,具备发展潜力的能源技术路线,以此来摆脱能源和产业链依赖,重新找回制高点。

2020年6月,德国联邦内阁在经过长达半年的内部辩论后终于达成共识,批准并出台了具有里程碑意义的《德国国家氢能战略》(Die Nationale Wasswestoffstrategie)。

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该项战略中的三十八项具体措施为德国的氢能源技术转型做出了重要的指引,它凸显了德国政府大力支持和发展洁净二次能源的壮志雄心,同时也预示着曾经制约氢燃料电池技术的氢能产业链或即将迎来变革。

《德国国家氢能战略》的出台,可谓意义深远,这一战略不但进一步确保了德国在氢能源技术的开发和出口方面可以继续发挥国际先驱的领导作用,同时也为德国本土氢能市场的建设与欧盟的经济复苏计划之间找到平衡。

长久以来,在德国这样的工业国家,气态和液态能源是能源系统的重要组成部分。面向未来,在某些工业和运输领域中,气态和液态能源仍将是必不可少的。而氢作为能量转换的重要关键元素,充满着无限潜力。

从长远来看,德国政府认为只有以可再生能源为基础的氢气(绿氢)才能维持能源转型的可持续发展。德国的目标是使用绿氢以支持快速的市场扩张,并建立相应的价值链。

作为德国本土的经济支柱,《德国国家氢能战略》也针对德国汽车产业做出了重要的战略部署,其中包括:

1. 扩大可替代燃料汽车、卡车、公交的补贴力度;

2. 补贴汽车清洁能源的研发;

3. 继续推广德国氢能示范区项目;

4. 加大加氢站在内的基础设施建设和相关标准建立;

5. 支持建立有竞争力的燃料电池系统供应链以及相关验证研发机构;

6. 城镇交通中清洁能源的目标导向;

7. 施行以碳排放为基础的卡车税费;

8. 促进氢燃料电池汽车相关标准国际统一(如充氢标准,氢气质量,校准,氢燃料汽车准入等)

对此,欧洲范围内的车企和供应商巨头们也开始纷纷布局,选择积极面对采用燃料电池为动力能源的重型卡车的研发方向。

对此,德国博世集团燃料电池移动解决方案制造部门(Manufacturing Fuel Cell Mobility Solutions)副总裁亚历山大·克龙琴斯基(Alexander Klonczynski)在接受德国媒体采访时曾表示:

“从我们的角度来看,燃料电池不但可以为实现公共物流运输产业的“碳中和”目标做出重大贡献。与此同时,凭借我们目前所积累的专业知识和核心技术,我们有信心使得燃料电池技术也可以在未来被更加广泛地成功应用在其他对电力需求强烈的工业和自动化领域里。” 

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众所周知,一套完整有效的燃料电池系统通常则包括电堆、供氢系统、进气系统、冷却系统、加注系统和控制系统等等。

同目前的储能电池驱动系统相比,燃料电池的整体系统更类似于拥有阀门,气泵和其他诸多传动组件的内燃机系统。

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在汽车技术领域拥有诸多核心研发KnowHow的博世集团,毫无疑问拥有着极强的工业化能力和天然的“技术转型”优势。而作为博世集团“多元化动力总成解决方案”的重要战略组成部分,可再生合成燃料和燃料电池技术也被寄予厚望。

当被媒体问到博世集团投入重金研发商用车重卡氢燃料电池技术和相关系统的战略布局时,亚历山大·克龙琴斯基表示:

“博世集团目前正在全力开发基于PEMFC燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,即质子交换膜燃料电池)的燃料电池系统。

与此同时,基于特定应用对于燃料电池使用寿命的更高要求,博世集团同时也正在开发另一种燃料电池技术 —— SOFC(Solid Oxide Fuel Cell),即固体氧化物燃料电池技术。”

#四驱备注#:根据电解质的不同,燃料电池大致可被分为五大类,它们分别为

碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell,简称AFC)

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,简称PEMFC)

熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell,简称MCFC)

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)

磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell,简称PAFC)

其中,PEMFC燃料电池采用极薄的水基酸性聚合物膜作为其电解质,而SOFC燃料电池则采用氧化锆或氧化钇等固态氧化物为电解质。

2019年,德国博世集团投资千万欧元,宣布与瑞典燃料电池电堆及系统开发制造商PowerCell Sweden达成战略合作协议,双方将联手共同开发一款基于聚合物电解质膜技术的燃料电池电堆。

众所周知,电堆是的燃料电池的核心技术部件,也是最昂贵的部件,占燃料电池总成本的三分之二。因此,双方的合作目标在于快速实现低成本、高性能、基于质子交换膜(PEM)燃料电池技术的批量生产解决方案。

根据博世集团的分析预测,如果燃料电池可以按计划实现大规模生产,届时,随着产能的扩大、可再生能源发电价格的降低,氢能源的成本将大幅下降。到2025年,德国范围内每公斤氢的价格可以降至5欧元。而到了2030年,绿色氢的价格或将有可能低于3欧元每公斤。到那时,采用绿氢为主要原料的燃料电池的车型或将占到整个商用车市场份额的15%左右。

对此,博世动力总成解决方案事业部总裁乌韦·加克施塔特(Uwe Gackstatter)博士表示:

“从中期来看,燃料电池汽车不会比传统动力总成汽车的价格更昂贵。”

博世集团CEO 沃尔克马尔·邓纳尔博士甚至在媒体上公开呼吁相关行业在此次新冠病毒风波散去后,应该大胆进军氢经济市场,以及投入可再生合成燃料的生产。

在他看来,氢能源应用需要尽快脱离测试阶段,并真正进入实体经济领域,或将是欧洲到2050年实现气候中和的唯一途径。

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选择押宝氢能源燃料电池技术的行业巨头不光只有博世集团,德国戴姆勒卡车公司(Daimler Truck AG)管理委员会主席兼戴姆勒公司管理委员会成员马丁·道姆(Martin Daum)在2020年对外公布其全新的卡车电气化技术战略时曾表示:

“我们始终遵循实现“碳中和”运输的愿景,储能电池的动力将可用于轻载货物重量和短距离运输。但对于重载和长距离行驶的卡车,燃料电池动力将会成为我们未来首选的唯一可行的解决方案。”

总部位于德国斯图加特的梅赛德斯-奔驰燃料电池有限公司(Mercedes-Benz Fuel Cell GmbH)首席执行官克里斯蒂安·莫尔迪耶克(Christian Mohrdieck)认为:

“重型卡车是全球物流的中坚力量,而重卡的碳排放占到全球二氧化碳排放量的5%。因此,燃料电池将在未来以实现碳中和为目标的公共交通物流领域中扮演关键的角色。”

“与纯电动卡车相比,氢燃料电池卡车在环保性、续航里程、抗低温性能、车辆自重等方面具有绝对优势。”

德国联邦运输和数字基础设施部长安德烈亚斯·舒尔(Andreas Scheuer)对此也曾发表看法称:

“我们的道路上需要零碳货车,例如氢燃料电池卡车。氢能源具有固有的巨大潜力,可以保护我们的环境和强大的经济。这就是为什么我们十年来一直在为氢作为运输燃料提供资金补贴的原因–当前的一个例子就是今天提出的概念卡车。我们将继续为在德国以及为德国开发气候友好型动力传动系统和创新提供强有力的支持。这将包括但不局限于增加新型动力车辆研发资金的投入。”

然而,除去上诉原因之外,似乎还有一个重要的原因让这家世界知名整车厂选择坚定地发展氢燃料电池技术:燃料电池发动机系统和内燃机系统在技术构成上有着惊人的“重叠性”!

“燃料电池系统的构造和组装过程与内燃机系统非常相似。我们甚至在燃料电池的进气和排气系统中都大量使用了来自内燃机的核心零部件,例如涡轮增压器。虽然它是电动的,但在机械原理和构造上却与传统的涡轮增压器非常相似。”

“燃料电池系统和内燃机系统之间存在着令人惊讶的相似性,因为两者的能量转换和能量存储是分开的。在这两种情况下,内燃机中有热燃烧,燃料电池中有冷燃烧。”

“在供气系统方面,我们有很多现成的核心零部件可以使用。与此同时,燃料电池系统中包含有大约1000多个组成零部件,它们几乎全部来自于我们现有的上下游供应链网络!”

“让我们倍感兴奋的是,世界范围内越来越多的大型供应商企业选择同我们一起携手同行。他们拥有超强的研发能力和业务能力,这使得我们可以对上下游产业链省去大量不必要的调整和维护!”

在弃核弃煤,石油能源匮乏的德国和欧盟,欧洲的民众却对“改善环境”这件事儿的认真程度堪比信仰自由。

生物燃料难扛大旗,而光伏,风电,水力转化出来的电能作为一种看不见摸不着的能量媒介是很脆弱的,电能的存储和运输相比实实在在的化石燃料更加难以实现。将不可控制的电能,转化为一种像化石燃料一样易于存储和运输的化学能量载体,就成为了一个迫切的需求。

氢能源被看作是一条最佳的出路:氢能源可以通过太阳能和风能等可再生能源制造,使用时也不生成二氧化碳。同时,它并不依托于自然资源或自然环境,只要有富余的电力,它几乎是取之不尽用之不竭的。更重要的是,氢能作为一种灵活的二次能源,可以同时跨越电力网(再次转化为电能,实现电网的调峰调频),热力管网(以一定比例混入燃气管网,实现与热力管网的耦合),燃料(作为家庭和汽车用户的终端燃料)使用三大领域,在工业和建筑业,汽车行业中发挥重要作用。

德国《国家氢能战略》,《欧盟氢能战略》和《欧盟能源系统整合战略》的相继出台,无疑为氢能在德国和欧洲的可持续发展提供了方向和有力保证, 被视为欧盟未来能源领域重要蓝图之一,也是欧盟在新冠疫情后经济刺激计划中的重要一环。

然而,仅有氢能源战略的计划是不够的!

如果要想使氢能源成为脱碳战略的核心组成部分,“我们”还需要去打破它残留在材料成本,技术研发,批量生产,存储运输以及基础设施方面的诸多障碍和壁垒。

除此之外,能源的利用形式,并不应该是孤立的,或许横向的耦合和综合利用才是真正的出路。电池技术,结合氢能源,加上可再生能源和天然气的合理利用,或许会带来极佳的综合效益。

编者按:本文转载自微信公众号:几何四驱 (ID: GeometryAWD),作者:王晓峰


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