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甲醇产氢再发电 爱驰汽车独家另辟蹊径之作
更新时间:2021-12-01

  www.vdcled.com”,这个历史上最长的谥号,其主人是清太祖爱新觉罗·努尔哈赤。而要说目前以我知道,最长的新能源车技术名词,大概要数“

  在开始聊爱驰之前,我想先给大家讲几个故事,有助于各位理解我后面要介绍的技术细节。

  首先说一说目前几个主要汽车品牌选择的新能源技术方向。咱们先说日本,日本最大的汽车企业莫过于丰田,而日本政府在车用新能源探索方面,也基本是委托丰田来进行,所以丰田汽车所坚持的方向,其实就可以视作日本政府希望走的方向。

  丰田不仅在乘用车上猛推氢燃料电池,就连柯斯达这样的中巴车都上了氢燃料电池系统。

  不少人都会有一个错觉,觉得丰田电动车很厉害,这真的是错觉。丰田几乎没有推出过任何一台拿得出手的量产纯电动EV车型,它的优势产品大多是不插电的Hybrid混动。而近几年则“一脑门子”死命推以氢为能源的氢燃料电池。不久前咱们国家的总理去日本访问,都被拉倒丰田看新出的氢燃料电池车。结果,国内众多“不明真相”的群众就开始鼓噪,说什么氢才是正路,中国的纯电是只为骗补的“断头路”,甚至还杜撰“总理觉得自己被骗了”的荒谬言论。

  各位有没有考虑过,为什么日本要强推氢动力?不了解日本国情的人,恐怕不会了解,日本是一个非常缺电的国家,甚至东京是目前国际超一线城市中,唯一一个还要轮流限电的城市,但十几年前的日本可不这样。几个主要城市的夜景举世闻名,甚至为了打造公司业务繁忙的景象,公司夜里下班都不关灯,整栋楼都灯火通明。

  造成这一巨大转变的原因,就是福岛核电站事故。在福岛核电站事故之后,日本关闭了所有本土的核电站,这一下日本从“不缺电”一下子变成“很缺电”。不仅东京的夜景相比之前要“暗淡”许多,甚至还要在用电高峰时段轮流限电。

  日本关闭所有的核电站之后,就连东京都面临“电荒”,曾经昼夜灯火通明的东京湾,现如今也要“节约用电”了。

  日本的石油严重依赖进口,所以如何摆脱对石化燃料的强依赖,一直是日本政府的“案头大事”。对于机动车来说,减少对汽油的依赖,唯一的办法就是寻找替代能源。我们可以大胆的假设,如果没有福岛核电站事故,日本的电能供应充沛,或许现在包括丰田在内的日系车企都在拼命努力搞纯电,碰都不碰氢一下。当然,这是我个人不负责任的癔测。

  所以,既要摆脱对汽油的依赖,也要面临缺电的现状,还要考虑标准严苛的的环保排放法规,那么氢才进入日本车企的视线当中。经过几年的“强推”,虽然小有成就,但其实现状并不理想。

  我们再看一下欧洲,尤其是现在纯电车推广最为激进的几个北欧国家。首先,这几个国家的发电还是很充沛的,有风电、太阳能光伏、地热…再算上税费,电价比石化燃料便宜太多,简直就用电者的乐园;其次就是几近“变态”的环保法规和油耗标准,让传统石化燃料的汽车“寸步难行”;再加上人们居住与办公基本都是“卫星城”,出行方式和路线相对固定,充电补能很有规律。以上这些,简直就是天生为纯电动EV车量身定制的用车环境。

  所以,几个欧洲尤其是北欧小国,就算不出台“燃油车禁售令”,几年之后传统的燃油车也会逐渐失去市场,而被冷落。

  巴黎的路边,就有专门供分时租赁的纯电动小车停放的专用停车位,并且每一个车位对应一个专用充电桩。

  说回中国,目前中国对石油,尤其是进口石油的依赖逐年上升,已经从几年前的50%上涨到近些年的70%,可以说马六甲海峡、中东海湾这些地方稍微有点“动静”,国内的若干企业就一身冷汗。而石油作为一个国家最重要的战略物资来讲,在很多地方是绝不能少的,但是这饭碗就这么大,你多吃一口,我就少吃一口。就好比困难时期,全家就只有这一碗饭,如何让快饿死的,以及需要出门干活给全家赚饭钱的人多吃几口,让留在家里无所事事的人少吃几口,就变的极为重要。

  放到中国的石油分配来看,相对来说给民用汽车加汽、柴油就可以归到“可以稍微少吃一口饭”的行列,所以要尽可能寻找替代汽、柴油的非石化燃料,来承担驱动汽车的任务,这也是目前十分重要的国家战略。

  这里也解释下什么叫“新能源”,所谓“新能源”指的就是可以替代传统石化燃料的意思,正巧“电能”目前是众多“替代品”中的主力,所以也就习惯将纯电或电混动车称为“新能源”,而非将电能本身认作“新能源”。那些嘲笑别人把电叫做“新能源”,还拿百年前就有纯电车来强辩电不是“新能源”的 “大明白”们,真的是贻笑大方了。

  中国之所以将电选做替代能源的主力,主要是因为中国的能源结构是以“多煤、缺油、少气”为特征。煤无法直接驱动汽车,而且由于国内很多煤矿越挖越深,煤炭品质也面临越来越差的趋势。同时,缺油少气(天然气)也造成我们严重依赖进口的现状。

  中国在多能源方面已经进行了超过十年的尝试,无论是氢,还是甲醇还是乙醇,都有过不同程度的试点。比如氢能源,其实很多人不知道,国家给与氢能源行业的补贴,早在十年前就已经开始了,而且补贴力度是纯电动车的数倍。一台氢能源燃料电池的中巴车,政府现金补贴甚至可达50万元,远超所谓“骗补”的纯电动车。但是因为整个氢能源动力行业还处于初级阶段,关键技术和产业全部被外资企业垄断,所以就算有巨额补贴,整个行业也迟迟没有什么大的进展。

  为什么近期氢能源突然好像又有了些“动静”?以我个人之间,有这么几个原因:

  2.纯电的补贴即将全部退坡到底,原先在电动车行业那些“专业骗补”的坏人们要另起炉灶新开黑店。

  3.鸡蛋不能放在一个篮子里,政府在宏观层面给各行各业都创造一些机会,所谓“云尝试”,有枣没枣打三竿子。

  4.丰田等在氢动力方面有先发优势的企业,多些声音好多吸引一些“同道中人”,朋友多了好办事。

  可以说,氢能源最近“上了热搜”,原因有好有坏,有产业助推、有行业尝试,当然也有坏人在里面搅混水,企图浑水摸鱼。

  至于什么氢的制造昂贵、运输储藏风险大、产业链尚不完善、加注等基础设施严重滞后、车辆价格昂贵且危险性高之类被大家早就说烂了的这些事,我就不再重复赘述了。

  除了氢能源之外,LPG/CNG在国内的车用燃料方面,可以说应用的十分广泛。在中国的中西部地区,LPG/CNG甚至超过汽柴油,成了众多车主的第一选择,其原因无非就是使用成本相对低一些。但是加注时的耗时、安全、繁琐也是很大的问题,并且本身中国是一个“缺油、少气”的国家,离开石油产区面向全国大规模推广LPG/CNG并不现实,而且经济上也不划算。

  除此之外还有乙醇,在国内不少城市加油的时候,都会看到E开头的燃油标号,代表“乙醇汽油”,也就是在汽油当中添加一定比例的乙醇,减少纯汽油的用量。目前车用乙醇的主要来源是玉米、高粱、小米、地瓜白薯之类的粮食作物,而这些用作工业原料的粮食作物一部分靠国内种植,同时也有很大一部分比例依靠进口。

  问题来了,如果丰收之年或进出口顺畅,那么乙醇的成本就会较低。但如果粮食歉收,或遇到贸易摩擦进口不畅,那么乙醇的价格反而会超过汽油的价格。而且汽油本身价格其实并不算高,油价里面一半多是各种“搭车征收”的税费,所以当乙醇价格超过油价之后,反而会出现亏损,甚至曾经出现过“油和人抢粮食”的极端情况。

  至于消费者感知层面,在乙醇油的试点区域内,所有加油站全都仅销售乙醇油,几乎找不到供应纯汽油的加油站,所以消费者很难感受到乙醇油比纯汽油稍微低那么几分钱的好处,不太恰当地形容就是“身在福中不知福”。再加上“要彻底清洗油箱、不如纯汽油有劲儿,橡胶部分加速老化”之类的负面传闻,让乙醇汽油的推广暂时动力还不足,止步于目前几个试点地区,没有再扩大的迹象。

  最后说道甲醇。对中国能源管理比较熟悉的朋友会了解,甲醇目前还主要被当做工业品来对待,尚未正式完全划分到车用燃料管理的范畴。尽管有一个《车用燃料甲醇》(GB/T23510-2009)的国家标准,但是在实际生产中,却还是处于“五代十国”的状态。

  我先把关于甲醇试点地区的各地标准列个小清单,各位恐怕就能大概明白我的意思:

  每一地区的标准,都是由所在地的主要企业牵头并起草的,比如浙江省于2009年由浙江赛孚能源科技有限公司起草制订《车用甲醇汽油(M15)》、《车用甲醇汽油(M30)》、《车用甲醇汽油(M50)》三个行业标准;山东省则由济南苏势能源科技有限公司起草《车用甲醇汽油(M30)》企业标准;然后,山东省质监部门又以济南苏势能源企业标准为蓝本,出台山东省《车用甲醇汽油(M30)》地方标准。总之,目前“各有各的家规”,亟待秦始皇“一统华夏”。

  各位看到这里面又是M15,又是M85的,到底是啥意思啊?有几个地方政府曾在几年前试点过甲醇汽油,冠以M字样开头,比如M85/M15/M10等。M可以看做甲醇Methanol的开头字母,也可以理解为摩尔体积比,M后面就是多少百分比的甲醇。比如M85就是在85%的甲醇,M15就是15%的甲醇,数字越高甲醇越多。总结起来,甲醇汽油通常按照甲醇的含量分为三类:低醇汽油(M3-M5)、中醇汽油(M15-M30)和高醇汽油(M85-M100)。

  尽管甲醇汽油有很多好处,但是由于诸多自身和客观条件的因素,也一直没有推广开,甚至在部分地区停止试点。由于甲醇汽油不是我们今天讨论的重点,所以说到这里也就打住了。

  那么我们今天到底要聊什么呢?嘿嘿,我们今天就来聊一个几乎将以上所有能量方式,全部串联起来的一个方案,也就是爱驰汽车这次推出的“甲醇重整制氢高温燃料电池电堆重整增程器”。

  首先是电,采用电机作为驱动的车辆,具有完全超越燃油车的优势。低耗、控制精度高、平稳、相对结构简单、可拓展性强、NVH具有先天优势等等;但缺点是电池储能有限,目前电池技术尚待突破,成为整车的瓶颈。

  然后是氢,如今氢气直接进入发动机燃烧的方案几乎全部被废,目前所谓的氢能源都是通过氢燃料电池(氢堆,也有称电堆),将氢转化成电能,然后利用与纯电EV车型一致的电机驱动方式,推动车辆前进。这样就是我一直说,做不好纯电车,就不可能做得好氢清源车的原因。有点是解决了电池的瓶颈,并且排放环保。

  但缺点也很明显,目前氢的制取和储运成本高昂,并且储藏压缩氢的气罐成本高(丰田目前使用的一个气罐,目前成本4万元人民币),而且失压爆炸的风险很高,比较危险。同时,就中国本土来说,氢燃料的日常加注可能性几乎为0,先不说加氢站数量这个老掉牙的话题,单说压力。目前国内屈指可数的几个新建的加氢站,最大加注压力也达不到目前丰田目前所要求的70兆帕。

  就是这样的车载储氢罐,先不说单个超过4万元的成本,就说其需要适配的70兆帕注氢压力,国内就没有加氢站可以满足。

  我曾经去过广东省境内一个新建的加氢站,其实际加注压力仅为25兆帕,最大不超过30兆帕。简单的来说,加氢站的枪没有车上罐子的压力大,撑死了只能加一半就进不去了。据说这个最新建的加氢站,加注压力在国内已经算头几名了。所以,氢的制取、储运、加注以及相关设施需要全部重建,与现有的加油站完全是平行两条线,所以这种天量的投资和基建,我个人觉得几乎是难以解决的问题。

  然后是乙醇以及LPG/CNG,目前这些能源方式已经初具规模,但是各自都仍然属于相对“传统”的能源。从摆脱石化燃料的角度出发,以上几种能源形式,要么是依附在传统的石化能源上,要么干脆就是石化能源本身或副产品,区域属性极强,难以在全国范围内普及,更无法根治中国“缺油、少气”的难题。所以,如果没有特殊原因强推的话,不温不火地活着恐怕是大概率结果。

  最后聊一聊甲醇。首先我们先来看一下甲醇的来源。最早是在馏木材中首次发现,故又称“木醇”或“木精”。之后,甲醇的制备方法也不断革新,目前国内主要的方式是通过煤炭来制备。看到这里,有没有眼前一亮的感觉?还记得刚才咱们说过,中国的能源现状的那三个词么?“多煤、缺油、少气”,既然可以通过煤炭进行制备,那么作为多煤的中国来说,也就可以认为是多甲醇。

  更何况煤如果用作燃烧,那么对品质就会有各种要求,对于越挖越深的中国现有煤矿来说,也就意味着煤的品质也就越来越差。但恰恰制备甲醇的用煤几乎对品质没有什么要求,所以简直就是“王八看绿豆,太对眼儿了”。

  所以甲醇在中国具有得天独厚的优势,也难怪之前要试点甲醇汽油,放着这么好的优势资源无法充分利用,看着都心疼。

  要说中国本土储量最丰富的的能源,莫过于煤炭了。这也是“多煤、缺油、少气”这一说法的来历。

  看过如上介绍,各位有没有产生一个想法:“能不能把上面这些不同能源的优势结合起来,把劣势都改掉,岂不完美”。不错,如今这个想法已经得以实现,并且经过实际车辆的测试,验证这个“大综合”的方案是成功的。这个“大综合”方案,就是爱驰汽车的“甲醇重整制氢高温燃料电池电堆重整增程器”。

  我在这里要先明确一下,目前这个技术方案虽然已经“试车成功”,并且装备在爱驰的那台小跑车“Gumpert Nathalie”上跑了近5万公里的测试。但是仍然处于“技术验证”的阶段,很多数据和标定都肯定要有所变化,太多就纠结目前某个部件的数据其实没什么意义。所以虽然我手里有这套系统各部分的大致数据,但本文并不会重点讨论这些数据,而是将重点放在整体技术的解读和分析上。

  我们先把这套系统的大概情况介绍一下,这套系统的目的是为了解决纯电、氢动力、甲醇这三个能源各自的缺点,并集成各自的优点,现在看来是已经成功做到了。

  首先,这套系统的运作方式看似复杂,但其实说起来也很简单。车辆拥有一个类似燃油车一样的油箱,但是加注的不是汽油,而是液态甲醇。甲醇标号是M100的高纯甲醇,不需要兑汽油。

  液态甲醇高温气化后进入甲醇重整器内,与泵入的空气及少量水反应,生成氢、一氧化碳和二氧化碳。之后提纯的氢气进入氢燃料电池(也叫氢堆或电堆),燃料电池内部反应产生电流,电流推动电机驱动车辆行进。

  我们看到这套系统都被封装到一个壳体里,而这个壳体的尺寸与纯电动汽车底部的电池PACK一样,完全不需要单独改造。

  这亮亮的两根管子,就是由丹麦公司提供的甲醇重整器,液态甲醇高温气化后,就是在这里与少量水和泵入的空气反应生成氢、二氧化碳和一氧化碳。

  中间这部分就是氢燃料电池,也叫氢堆或电堆。由甲醇重整器生成的氢在这里生成电、和少量的水。生成的这部分水会返回到甲醇重整器,用来提供甲醇生成氢气所需要的水。所以甲醇重整器都不需要单独加水即可持续反应。

  这是爱驰纯电动U5车型使用的动力电池包,是不是看起来和上面那套系统的外型一模一样。不错,爱驰就是用同规格来打造甲醇增程系统。

  也就是说,整套系统是在一个纯电动车基础上实现的,任何一台电机驱动的车型,就都具备装配这套系统的可能。所以在车辆设计和工业生产方面,几乎不需要增加特别的成本。

  从展具可以看到,使用甲醇增程系统的车辆底盘,使用的就是现成的纯电动车底盘,由于电池包封装的尺寸一致,甚至连底盘结构和布局都不需要修改。

  由于加注的是普通液态甲醇,可以直接通过改造现有加油站,成本在7-15万元以内,就可能将加油站的一个储油罐及多个加油枪,改为甲醇专用。完全避免氢燃料加注需要单独建站、高压存储及加注的弊端。而甲醇目前一吨的售价在1700-1800元,而汽油的批发价各位可以网上去查,由于地区和标号不同平均8500-9500元/吨,柴油略低但也在7000元/吨上下。

  同时甲醇可以使用煤炭来制取,并且运输环节甚至比成品汽油还安全,汽油易燃易爆而甲醇易燃不易爆,所以从制取来说利用了中国“多煤”的优势,同时充分利用现有汽、柴油运输的网络,升级改造所付出的成本极少,运营后分分钟回本。

  而通过甲醇在车上制氢,之后再通过氢燃料电池发电,解决甲醇至燃的各种弊病,同时做到几乎无害化排放。更何况电驱动的效率要大于甲醇和氢燃料直燃,对于研发来讲,整体驱动系统也更好控制。

  而爱驰这套系统本身,还配置了18度的功率型三元锂电池,车辆至少拥有80公里以上的纯电续航里程。这套系统除了直接发电推动车辆电机之外,还可以给这18度电池充电,弥补高速及重载时即时发电的不足。所以,这套系统也可以看做是一套增程式,只不过不是汽油发动机发电,而是通过甲醇变氢,氢再发电。

  针对这套系统的本身,其实是由2个重要的部分组成。正如前文介绍中,液态甲醇生成氢的甲醇重整器是一部分,而通过氢反应发电的氢燃料电池则是另一个部分。所有技术都是现成的,而爱驰使用的这两个关键部分的供应商,也通过参股和间接控股成为“自己人”。同时,在上海召开的第二届进博会上,也和山西高平政府和当地企业签订协议,获得稳定和可靠的甲醇供应。要知道山西高平一年的甲醇产量为30万吨,已经足够满足目前全国的甲醇用量。随着后续合作的深入,甲醇有望从现在每吨1700-1800元的售价,降低到700元/吨的售价,几乎是目前汽油批发价的十分之一。

  说到这里,不得不提一嘴石化企业,比如中石化、中石油等。可能看到这里,不少朋友都会觉得石化企业一定非常抗拒,甚至抵制甲醇这件事。但其实恰恰相反,石化企业异常积极地参与到这件事情上来,你能猜到是为啥么?

  首先,目前公共加油站业务在整体中国石化类企业的体系中,仅占7%左右的份额,并不是牵一发而动全身的看家业务。并且,中国汽车市场逐渐从石化燃料,向“新能源”转型已经是十分明朗的趋势,因此作为运营传统汽、柴油业务的石化企业,虽然还算不上“伤筋动骨”,但7%的份额,放在自身庞大的业务量上来说,也是肥的流油的一大块肉。已经吃进去的,现在要吐出来,无论如何心里是不痛快的 。

  试想一下,当纯电动车在神州大地上普及开来,而燃油车所剩无几的时候,传统的加油站岂不就变成“门可罗雀”的境地?

  但是中国的国有企业都分工明确,电的业务归“国家电网”负责,几家石化企业不是没想过“越界踩一脚”,但无奈术业有专攻,且隔行如隔山。早期建在加油站院里数量本就不多的充电桩和零星几个奥动换电站,如今早就草长莺飞了。虽然目前纯电车还不足以构成威胁,但数年后充电车越来越多,加油的车越来越少,死坑着走下去岂不是死路一条。

  不仅是充电桩,中石化还尝试与奥动合作修建了换电站,可供北汽新能源的EU换电版车型使用,也迟迟没有投入运营。

  想掺和充电没能力,想建加氢站成本又高难度也大,这可怎么办呢?就在众多石化企业挠头发愁的时候,甲醇出现了。目前,每个加油站都会在地下埋好几个储油罐,每个储油罐通过管路连接到加油枪。随着来加油的车变少,那储油罐就会空出来一部分,同时路上运输汽油的运油车也会空置下来不少。而甲醇的运输和储藏几乎和汽油没什么差别,只需要将空置下来的运油车和储油罐清洗干净,内部镀一层防腐的塑料膜,将橡胶连接件换成耐酸耐腐蚀的品种,加油站就瞬间变身成为加甲醇站,而同时又可以继续兼营汽、柴油的加油业务。也就是说,有可能因“新能源车”增多,而减少的汽、柴油业务量,有可能会被甲醇业务补上,典型的“开源节流”。

  前文也说过,目前改造一个加油站的储油罐,成本仅为7-15万元,运营后分分钟回本。同时对于加油站最关注的安全性来讲过,甲醇的安全性又比汽油高,因为甲醇仅易燃却不易爆,目前加油站现有的安全防护措施几乎不用任何改动,就可以满足加甲醇站的需求,安全生产和消防安检也能容易过关,不用额外投入就增加了一个重点业务,作为加油站的运营者也有很大的吸引力。

  只要用很低的成本清理出一个储油罐用作甲醇罐,就能将现在的加油站升级为加油/加甲醇的双燃料站,既能增加收入,又不用担心在“电动车时代”失业,一举两得。

  至于有朋友提出甲醇“毒性”的问题,其实真的不难回应。汽油有没有毒?能不能挥发?还易爆呢。如果只是当做燃料加注,甲醇有毒又如何?如果你非要举着油枪往嘴里灌,那就不是甲醇有毒的问题,那是你脑子有问题。就算不是甲醇换成汽油,你非要喝那也有毒啊。

  我没有把甲醇重整器、氢燃料电池的化学反应、构成、分子式等技术细节作为这篇文章的重点,因为我不觉得写出来有多少人能看得懂;也不觉得在产品雏形的初期阶段,花精力讨论这些肯定会有变化的事情有多大意义;同时,如果不能理解这个技术产生的背景和原因,各位读者也未必能接受这个技术路线,估计也会给出“脱裤子放屁”的结论,考虑甲醇生氢再发电,然后再电传的繁复,估计还会有人会喊出“简直就是脱裤子再脱裤衩后放屁”的改编梗。

  所以,这篇超过七千九百字的长文,并不是要让各位成为电化学家,而是能够理解爱驰汽车这套“甲醇重整制氢高温燃料电池电堆重整增程器”,当然如果能接受那就更好的。

  至于我本人,首先认同的还是纯电路径,如果能随时随地方便地充电,那么就算电池存在瓶颈,也不耽误用车。何况充电这种补能的方式,彻底改变百年燃油车“三规”的补能方式,也就是燃油车必须“在规定时间,去规定地点,加规定燃料”的“三规”。纯电车只要有根电线就解决了,甚至只要带上足够的太阳能发电光伏板,身陷无人区里也能补能(一位比亚迪唐的车主已经成功实现了)。

  按照目前的进度,这套系统计划2021年推出商品化,并量产装车。所以,对于爱驰汽车来说,眼下最重要的是做好那台纯电动U5,而作为“鸡蛋不能放在同一个篮子里”的战略储备,同时也作为初创这个量级的企业,在技术上不随大流,寻找可能成功的突破方向,那么这个甲醇技术增程器作为“秘密武器”,也是非常不错的选择。

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