Fuel Cell 電動車的未來真的如馬斯克說的 是個Fool Cell嗎?

(source: ballard.com)

馬斯克是個善於製造市場話題的行銷高手,最近又擠下Bill Gates成為世界二富緊追在首富的亞馬遜Jeff Bezos之後,他"拯救地球"的毅力與能力大家應該都無庸置疑,也因此他最近乾脆關掉公司的公關部門,直接自己在推特上面一人操刀,不時的挑起一些追隨著的情緒與對特斯拉未來產品的預期,看起來效果也相當不錯。只能讚嘆現今的網路,對特斯拉而言,已經取代了傳統汽車銷售的經銷體系與行銷手法。

言歸正傳,最近讀了不少氫燃料電池(Fuel Cell)與鋰離子電池(LIB)的研究文章,簡單的先下個結論,個人認為馬斯克在這方面未必正確,而且很可能是他太快下定論的一個錯誤的判斷。當然這跟特斯拉完全沒有在燃料電池方面著墨有關,尤其前一陣子的燃料電池卡車新創公司Nikola的造假事件,更是讓正在努力起飛的FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle)雪上加霜。

碳排放

首先來釐清,FCEV(燃料電池電動車)與BEV(鋰離子電池電動車)的差異僅在於供電方式的不同,其餘的動力系統基本上都相同。在上次本人舉辦的電動車研討會中有比較特斯拉Model 3與賓士C220d的碳排放分別是:91與260 g/km。Model 3的91中的51部分主要是電池部分製造過程產生。雖然在碳排放的計算上有很多的盲點,有很多環節會被忽略。像是有人會爭論電動車大量電池(還記的特斯拉Model S有7104顆18650鋰電池嗎?)的回收產生的碳排,甚至回收後殘餘物料對環境的危害,無論如何,唯一可以肯定的就是,由於引擎燃燒的超低效率,無論你怎麼計算,燃油車的碳排總是相對高出許多的。

電池回收

2019年開始,隨著電動車被特斯拉帶動而迅速起飛,甚至在特斯拉開始在2020第二季名義獲利,更於第三季實質獲利後,各大傳統車廠已經完全被說服,電動車是個可以獲利的產業,促使相關的鋰電池產業鍊迅速蓬勃發展。依照趨勢,預估2021年的鋰電池產能須達87GWh才足以供應整個電動車的產業需求,這是多少?你會問,答案是大約2.5個特斯拉Gagafactory 1的產能或是大約台灣全島在白天每三個小時的總用電量),這也意味著將有七萬到十萬噸的鋰礦短缺。也就是說必須有更多的採礦業者投入,抑或另一個議題:地球的蘊藏量是否足供開採?這又回到地球資源過度開採的老問題。

另外就是電池回收,如果你現在有錢也想搞個新創,那麼鋰電池回收技術新創是個千載難逢的好機會。隨著水冶技術(hydrometallurgy)的進步,鋰電池的回收效率從早期的5%進展到70%,再甚至到90%,直到前陣子看到一家加拿大電池回收公司(Li-Cycle)宣稱其技術已可達100%回收效率。現在投資,等五到十年後,今天售出的電動車電池過保固或是淘汰後的大量待處理的"高含金量"的廢料,將會使你成為最大的獲利者。

回收與碳排放放在同一個天平去看,個人覺得並不適當。因為回收是避免廢料在我們賴以生存的地球上累積,即使回收過程會產生碳排放,也是一件必須做的事情。我姑且稱這類回收或製造衍生的碳排放為"被動碳排放",由於這類碳排放環節複雜與燃燒產生的"主動碳排放"還是需要分開看。而碳排又可分市區與郊區,工廠與電廠一般在郊區,其碳排對人呼吸道的影響屬間接,而交通工具的主動碳排多在市區人口密集,因此對人的健康有立即直接的嚴重影響。所以當務之急當然是先解決市區的直接碳排影響,電動車當然就是不二的選擇。下一步就是看郊區的間接碳排如何降低,在這一方面,電廠的能量來源可以慢慢轉向綠能(風,水,太陽,潮汐,地熱,生質能源,離峰儲能等)以取代火力(煤,石油,核能)。而綠能的發展,在歐洲已經走得非常的前端。

氫燃料電池

燃料電池雖然叫做電池,但明確的說,它不是想像中的電池(Cell)的形狀或概念,一般稱作Fuel Cell Stack,它應該更像是一座反應爐。透過高壓氫解壓後與空氣中的氧氣結合產生電能與排出唯一的排放:水,過程中還會排出淨化過的空氣對環境還有正面影響。由於過程會產熱,因此需要與燃油車類似的冷卻系統。

(Hyzon Motors’ PEM Fuel Cell Stack with a very high power density of 6 kW/L, abou the size of a typical ICE engine. Source: hyzonmotors.com)

現在電動車市場分兩派:鋰電池與氫燃料電池,而日韓與歐洲在燃料電池有著押寶的趨勢。尤其在歐洲,現在不但在製造上兩類車型已達到成本平價,在氫的供應上也與燃油相抗衡。以美國為例,開500公里的氫燃料約5kg,總里程費用約開燃油車的兩倍,但是在歐洲,尤其是瑞典,同樣距離的費用範圍約在燃油的1/4到與燃油相同,其氫的費用取決於氫的Power to Gas (P2G)製造方式包含離峰綠能電解水與石油分解副產品(此過程的碳回收與否也決定價格高低)。由此可見氫燃料電池電動車的前景相當的可觀,尤其在取代柴油動力火車與大卡車運輸上所佔的明顯優勢。在小客車方面,仍然是雞生蛋蛋生雞的問題,市場一定要有需求,才會有公司投入資源研發或設立加氫站的設備,也許有意願的開發商可以與類似韓國現代汽車的做法,與政府合作先廣設加氫站來刺激消費者購買意願,這樣的做法也可以將現有加油站改成加氫站納入考量。否則我個人認為以台灣這樣龐大的集合式住宅的環境,往往因為管委會的因素無法安裝充電設備而讓人對購買電動車望而卻步的現象,氫燃料電池電動車反而相對還是一個更好的選擇,當然前提是我們的氫售價要能降低到歐洲的水準才有辦法普及。

優劣比較

以現階段鋰電池電動車(BEV)而言,最為人詬病的就是充電時間太長。即使已高壓直流快充方式,以小車四百多公里里程而言,充滿也是要個一頓飯的時間。這速度在可預見的將來(五年之內),電池(例如固態電池或是其他高能量密度的電池)與快速充電技術的提升,應該可以降到十分鐘以內,但即使是十分鐘仍然稍嫌長了點,最好是與現行加油時間相當(約五分鐘以內),以今天電動車驚人的研發速度,這點在未來十年以內我相信也是可以實現的。但是無論如何提升,電池的重量永遠與電池的容量成比例增加。而氫燃料電池則沒有這問題,燃料電池反應器(fuel cell stack+儲氫桶+氫燃料)重量約200~300kg (相較於一般電動小客車電池約500kg,或是燃油小客車滿載油箱約90kg),再者氫燃料的重量極輕(週期表上最輕的元素),只需要5kg的氫就可跑500公里。另外在回收方面,氫燃料電池電動車(FCEV)沒有電池回收的問題,所以這點也比BEV有優勢。只要增加FCEV的儲氫筒尺寸,即可增加里程,所以在可擴充性也具有優勢。這個里程優勢在遠距貨運與火車上的應用又更為明顯。

說了這麼多FCEV的優勢,談談它目前面臨的挑戰。目前最大的挑戰仍然是價格,FCEV車輛的生產價格雖然已達理論的成本平價,但是在數量提升之前仍然是一個門檻,同樣的氫的價格並非每個國家都可以像歐洲這樣的前衛親民。但是,回想本世紀初電動車草創初期,特斯拉的馬斯克以他第一原則的思維可以將困難度極高鋰電池的價格降到今天的水平,我相信十年之內,FCEV的價位(車子與氫)肯定可以降到今天電動車的水準,到時候我認為市場上會是持續二分天下的局面,因為這兩個技術可以互補不足,BEV的機構畢竟簡單許多且工作溫度低,適合用於小客車,而FCEV在大型長途貨卡運輸與火車甚至小型飛機與船舶的應用上有其難以取代的優勢。另一個FCEV的爭論點就是FCEV反應器的能量轉換效率目前約40%~60%,而鋰電池可高達99%。同時FCEV迂迴的氫能源路徑,需先經由P2G製造過程,也就是在氫製造廠先由電轉氫後(效率約50~75%),在FCEV上再次由氫轉電力(效率約40~60%,Toyota Mirai FCEV號稱達60%),這樣形成二次轉換的浪費,不像BEV可以直接利用電網的供電充電後直接使用電能,這也大概是馬斯克很直接簡單的比擬稱Fuel Cell為Fool Cell的原因,但是他可能沒有考慮到開採與冶煉鋰礦最後製成鋰電池的效率。但是電轉氫的過程卻使得氫成為綠能離峰儲能的絕佳選擇,相較於鋰電池儲能則需要龐大的鋰電池組才能夠達到大量儲能的目的。畢竟馬斯克在燃料電池一鬆口,他的特斯拉王國(包含電動車、鋰電池、與Powerwall)將受到極大的威脅。

發表者:李麥克 (Limac)

興趣廣泛,希望一天是48小時。自幼喜歡拆解家電零件安裝到其他可用的電器上面,興趣廣泛永遠有學習新知的渴望。一輩子都充滿對英文閱讀與各種工程科學 (STEM) 學習的渴望。 小時候閉起眼睛模擬雙手正在控制方向盤並加油或踩離合器換檔的快感成了我的免費虛擬電玩,年輕時迷上電視影集霹靂遊俠後 (仍熟悉的"老哥"稱呼?),更開始對汽車產生了各種幻想。有幸此生見證了電動車的崛起與可預見的自駕車的未來並親歷其中,即使是在人生的下半場。在讀了來自克羅埃西亞電動超跑Rimac C_Two的故事,後產生了取個李麥克 (Limac) 筆名的靈感,既有自己的姓又與Rimac諧音同時又可將自己投射到霹靂遊俠中的主角。 自2012年特斯拉推出Model S後即開始累積電動車方面的學養。更於2018年在浸淫軟體工程領域二十餘年與後期的3D感測與自駕車應用新創公司數年後,因著對電動車的狂熱開始對特斯拉(Tesla)是如何成功的好奇而"誤入歧途"一頭栽進對電動車的研究。於是在同年前往英國攻讀英國第一屆電動車工程碩士學程並於次年取得人生繼台灣與美國碩士學位後的第三個電動車工程碩士(MSc with distinction in Electrical Automotive Engineering)。目前開設電動車相關技術與各類電腦資訊教學課程(程式設計等),電動車專長領域為動力系統(Electric Drive)。 嗜好:英語閱讀、電動車、程式設計、顧問、教學、網球、小號、爵士鼓、吉他

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