邀请讨论主题:氢燃料电池的能量转换效率有价值吗?

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应网友要求,讨论一下氢燃料电池的能量转换效率,并和燃油车、电动车进行比较。

原问题如下:

氢燃料电池如果按照以下链条进行计算,能量转换效率只有30%。能量转换效率是否太低了,以致于这种模式没有价值。

电解氢☞压缩☞运输☞加氢站☞燃料电池☞驱动

但我的分析思路有所不同,我认为电解+压缩才是必要的耗电项,运输的耗能不该算入。就如同汽油一样,难道要从中东运出原油开始算起吗?

提供以下数据信息:

1、电解水制氢能量转换效率为80-90%,每立方氢最低耗电3.8度。(这是我掌握的行业最先进技术水平,隆基也是如此说的。)每公斤氢气耗电41KWh。

2、燃料电池转换效率目前行业平均水平是60%。1公斤氢气的热值约当于33KW h(度)电,60%效率能发电19.8度。

氢燃料理论最大转换率——按液态水计算,氢燃料电池转化为电能的最大效率为83%,如果按照水蒸气计算,则是94.5%。

3、1公斤氢气压缩到35Mpa所需的能耗是5度电,液化1公斤氢耗电13度。

所以在不考虑运输的情况下,氢燃料制备+压缩耗电40+5=45度,燃料电池转化后输出大约20度,能量转化效率为44%。

考虑到氢燃料电池技术正处于加速发展阶段,未来还有提升空间,估计能达到50%的效率。

至于60%以上,我觉得十年之内是看不到的吧。

作为对比,我们先看燃油发动机的热效率是多少。燃油发动机的热效率,就是指引擎燃烧室内燃烧释放出的热量,有多少能转换为机械能的比例。

传统蒸汽机的热效率普遍为4%-8%,汽油机的热效率普遍在30%-40%之间,柴油机的热效率普遍在35%-45%,喷气发动机的热效率普遍在50%-60%之间。

氢燃料电池和传统燃油发动机的效率差不多。

下面我们再研究一下电动汽车吧。

我们可以查到,现在电动车的锂电池充放电效率很高,有说90%,还有说95%以上的。我们就按照最好的95%来算,意味着充进去100度电,放电时可以放出95度电来用。

可是别忘了,还有充电器充电设备有个充电效率,就是说要实际消耗掉多少度电,才能给电池充进去100度电。因为充电设备会耗能,还会发热,对吧。

同样,充电设备的效率也很高,普通说都可以90%以上,有说95%的。那就按照95%来计算吧。

那么在充电这件事上,电动车锂电的效率就是95%*95%=90.25%了。

高达90%的效率,锂电池确实很不错,如果放在那当储电设备当然最好了。

可是,我们却要拿它来开车,这就产生了一个新的问题。锂电池自重太重了,放到车上搬来搬去,可是需要很多能量的。

特斯拉 model-3为例,长续航超过600公里,车重1.8吨,配备LG的三元锂电80KWh的电池,电池密度为160kw/kg,电池系统重量高达550公斤,占车身全重的30.6%。也就是说,这个电池输出80度电,有70%的电能是给车消耗的,有超过30%是给自己消耗的。

相当于实际能量输出效率应该是70%!

我们也可以说,其他的解决方案没有系统自重吗?好,我们和氢燃料电池汽车进行比较吧。

与氢燃料电池相比,80KW的燃料电池系统重量100公斤,再加两个氢气瓶(续航可达到700-800公里),合计130公斤左右。

也就是说,特斯拉汽车驾驶的时候要多搬运来自电池420公斤的额外重量,占整车重的23.3%。实际有效运输效率只有76.7%。

因此,电动车的锂电解决方案的能量效率应该是充放电效率90.25%*扣额外重量效率76.7%=71%。

所以,锂电动力汽车的能量利用效率我们可以最终定格在71%。

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结论:

从能量利用效率来看,锂电汽车的电能利用效率高达71%,确实要比氢氢燃料电池目前的44%,未来的50%都要优秀。

但是,这不代表氢燃料电池就没有生存空间。

1、锂电自重占比太大,如果要求续航越长,功率越大的应用场景,利用效率就会更低。比如说例子中的特斯拉电动汽车,如果现在续航要达到1000公里,那么电池重量就要增加近1000公斤,占车重将近一半,能量真实效率就会降到50%的水平。而换成氢燃料电池汽车,或许只需要增加一个20公斤的储氢瓶而已。

2、锂电只能利用眼前的电,不能消耗远方的电。而我国风光水发电多在上千公里外的省份,每年有超过2000亿度电量因电网无法消纳而被弃用。如果指望锂电池去充满电之后运回来用,那简直是个笑话,电池装的电根本不足以把自己运回来,半路还得额外倒贴充电呢。而指望新建高压电网输送回来,那投资也太大,数千亿的投资,根本不划算。

所以用绿电就地制氢,就是非常好的解决方案。可以就近用于氢化工,也可以运输后用于开车,按照氢能发展规划,是非常有经济效益的。

你别管氢燃料电池效率只有44%,因为那些电如果不这样用,就白白损失上千亿。用了氢能开车,起码挽回440亿的损失,这就是价值。

3、低温条件下,锂电池开车就是一场灾难,原来的70%的效率,只能发挥出30%。而氢燃料电池汽车就独占优势了,可以风雪无阻。

4、氢电锂电各有利弊,不是谁取代谁,而是互为补充。氢电目前的定位很明确,就是未来新能源车的版图里,八成锂电,1-2成氢电。

欢迎大家来参与讨论,发表不同观点。本文可以随时更新。

全部讨论

2022-11-29 12:36

电动车的效率要从发电端算起。煤发电的效率。燃料电池从电解水算起。

2022-11-29 11:50

这么好的文章没人看吗

2022-12-03 00:16

在重卡,公交,定线物流车,船舶等方面,氢能优势明显,没必要和锂电争夺普通乘用车市场,目前也确实争不过

2022-11-29 21:10

从西北运氢到沿海不考虑运费简直是笑话!

2022-11-29 13:55

都是大聪明