【科技.未來】首架火車德國啟程 車廠攜手研發 氫燃料電池再臨

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近年Tesla幾乎成為電動車的代名詞,直到近日才被奧迪(Audi)推出的電動車e-tron搶去風頭,暗示傳統車廠正式趕上新時代步伐。

正當這場純電動車(BEV)研發競賽如火如荼,豐田(Toyota)、現代(Hyundai)為首的一些車廠仍未放棄燃料電池汽車(FCEV)。同時,全球首架氫燃料電動火車上周在德國投入服務。

沉寂多年的氫燃料電池,是否有望成為未來交通的重要一員?

全球首架氫燃料電池火車Coradia iLint上周在德國正式投入服務,最高時速可達140公里。(Alstom官方圖片)

在德國的不萊梅港(Bremerhaven)、庫克斯港(Cuxhaven)等北部城鎮之間一段約100公里的鐵路,本來依靠柴油火車連接,但上周一(9月17日)卻被一列嶄新的藍色列車取代——由法國公司阿爾斯通(Alstom)生產的全球首架氫燃料電池(Hydrogen Fuel Cell)火車Coradia iLint於當地正式投入服務,其最高時速可達140公里。阿爾斯通透露,將於2021年或以前陸續在德國下薩克森邦(Lower Saxony)再推出14架氫燃料電池火車。他們還聲稱德國其他邦,以及英國、荷蘭、丹麥、挪威、意大利及加拿大等國家都感興趣。法國政府更表明,希望在2022年推出首架氫燃料火車。

零排放應對污染暖化

現時歐洲仍有大量柴油火車,例如德國仍有四成鐵路網絡未電動化。世界衞生組織(WHO)指出,空氣污染的主要源頭之一是交通,而且交通產生的排放量與引致死亡、呼吸道和心血管疾病有直接關係。據政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,簡稱IPCC)統計,交通產生的溫室氣體佔全球排放量14%,其中超過95%都是由燃燒汽油和柴油而來。

若要達到2015年《巴黎協定》提出,控制全球平均升溫低於攝氏2度,甚至長遠目標為平均升溫在攝氏1.5度以內,應減少交通產生的排放量。

Coradia iLint所使用的氫燃料電池以空氣和氫氣為原料發電,過程只會產生水分,不像柴油、汽油般燃燒時排放大量空氣污染物和溫室氣體,多餘的電能則會儲存於車上的鋰離子(Lithium-ion)電池備用。

阿爾斯通德國分部主管Jorg Nikutta指出,一架柴油火車需要1.2百萬瓦(MW)能量,Coradia iLint則只需一半;後者較柴油火車減少45%至100%碳排放,具體情況視乎氫氣來源稍有不同。

除了追求火車減排之外,荷蘭、挪威、德國、英國及法國等歐洲國家亦將先後於2025至2040年間禁售燃油車,此舉不但令零排放的電動車崛起,亦讓氫燃料電動車成為未來環保汽車的選擇之一。

氫是宇宙中最豐富及最輕的元素,不像鋰離子電池笨重,又不需用到愈趨稀少的鋰和鈷(cobalt),故一直被視為減排的其中一個終極答案。然而,現時氫氣主要從化石燃料如石油、天然氣中提煉,故氫燃料汽車是否算得上零排放,仍存疑問。科學家和業界人士正研究從生物燃料、污水污泥、再生能源電解水中,利用更潔淨的方式提煉氫氣。位於英國威爾斯的史雲斯大學(Swansea University)的團隊近日研究從處理塑膠廢料的過程中抽取氫氣。

通用汽車(GM)研發的首架氫燃料電池車Electrovan。(圖右,Wikimedia Commons)

早在1839年,威爾斯物理學家兼法官William Grove發明了燃料電池。但要到1966年,第一架使用氫燃料電池的汽車才出現,當時通用汽車(General Motors,簡稱GM)希望建造一款「未來汽車」,於是推出一輛重7,100磅、只能坐兩人、在30秒內可加速到60英里的新款汽車Electrovan。然而,在Electrovan誕生後近50年間,不論是投放了超過25億美元(約195億港元)在燃料電池上的GM,又或豐田及其他車廠,都未能令氫燃料汽車普及。

昂貴不便乏人問津

豐田在四年前發布的氫燃料電池車「未來」(Mirai)已是一眾氫燃料電池車中賣得最好的一架。即使如此,售價5.9萬美元(約46萬港元)的Mirai至今在日本、美國加州及部分歐洲國家僅售出約6,700輛。現代汽車廠的銷情更慘淡,Tucson/ix35及NEXO等氫燃料電池車合共只售出1,100多輛。相比下,純電動車Tesla光是每月平均銷量已達約一萬輛。

氫能發展多年來停滯不前,源於一個「貴」字。對於買車人士而言,現時的氫燃料電池車是「麻煩」的代名詞。單就充電方面比較,燃料電池車的加氣站,遠不如電動車充電網絡般稠密,電動車即使續航力稍遜,駕駛者亦較容易找到充電點。最主要原因是氫燃料補給站需要使用昂貴的加壓氣缸,加上要用貨車運送燃料,光是安裝費用就達100萬英鎊(約1,000萬港元)。以韓國為例,該國現時每個充氣站的成本高達30億韓圜(約2,140萬港元)。相較之下,建造電動車的充電站簡單方便得多,難怪現時全球的氫燃料補給站數目極少。據歐洲替代燃料觀察(European Alternative Fuels Observatory,簡稱EAFO)統計,現時整個歐洲只有約80個氫燃料補給站,而電動車充電站則有約15萬個。

成本高昂,氣站不足,是氫燃料一直無法普及以來的「死穴」。(視覺中國)

此外,氫氣的安全問題亦令不少人擔心,1937年就曾發生興登堡號(Hindenburg)氫氣飛船爆炸空難。負責管理荷蘭皇家蜆殼(Royal Dutch Shell)在德國的氫燃料加氣站的Thomas Bystry表示,人們對於氫氣有太多誤解,並指氫氣不會比汽油更危險。

現時生產商為確保氫氣安全,往往犧牲了生產速度。生產氫氣缸和電池幾乎不容許出現任何錯誤,每組氮氣缸都需要氦氣來測試引到電池的微細管道有否洩漏。豐田Mirai氫氣缸的厚壁由碳纖維強化熱塑性塑膠(CFRP)製成,以加強防撞功能,而且碰撞或損毀時會關閉氣閥。

生產過程中,工人會使用藍芽扭力扳手(torque wrench),把數據傳送到電腦監測,確保每顆螺絲都安裝妥當,感應器更會檢測有否氣體洩漏情況。豐田生產Mirai的元町工廠經理Akifumi Karasawa表示:「氫氣不太可能着火。」他解釋,美國的測試員需要用槍射擊氫氣缸,氫氣會飄散到大氣之中,而不會像汽油般流到地上。

Toyota Mirai生產時間較長而昂貴,至今售出約6,700輛,已是銷情最佳的氫燃料汽車。圖為生產Mirai的元町工廠。(視覺中國)

Mirai的生產過程複雜,每架氫氣燃料電池車需時四天組裝,是一般汽車的兩倍時間,因此售價亦較昂貴。近年,業界投放大量資金於鋰離子電池技術,故純電動車的價格下降,例如一輛Tesla Model 3售價約3.5萬美元(約27萬港元),但現代的氫能燃料電池車ix35則售約6.5萬歐元(約60萬港元)。Mirai首席工程師田中良和說:「我想做兩件事:確立氫燃料電動車的技術,以及提升生產能力……我們必須把生產能力擴大十倍。

純電動車Tesla創辦人馬斯克(Elon Musk)曾批評氫燃料電池的想法愚蠢,惟一些傳統車廠仍認為值得投資研發。(視覺中國;資料圖片)

這些支持氫能的企業互相合作,嘗試降低生產成本。今年6月,現代宣布與奧迪合作,共同發展氫燃料電池車,並共享專利技術。現代汽車燃料電池部門主管Kim Sae-hoon指出,希望與奧迪的合作能增加政策制訂者對氫能的興趣,引起廣泛注意,以及增加對基礎建設的投資。奧迪技術開發部的Peter Mertens說:「為了令這項可持續的科技有所突破,合作是比較聰明的方法。」

Tesla創辦人馬斯克(Elon Musk)數年前曾指出,氫燃料電動車是「極度愚蠢」的想法:「很難在汽車儲存和使用氫能。如果用太陽能板,充完電就可以直接使用。從水分子拆開氫氣和氧氣,還要加壓,效率可能只有一半……氫氣素來被視為未來能源,而它將永遠處於未來。」

長途運輸更顯優勢

但是,支持氫燃料電池的業者仍堅持,續航距離和充電(氣)時間是此項技術的一大優勢。氫燃料電池車入氣就如汽車入油,只需三至五分鐘,一般可行駛約500、600公里,入滿整列Coradia iLint氫能火車亦只需15分鐘。但一般純電動車充電時間動輒數小時,即使使用快速充電裝置,例如行駛最多400公里的奧迪 e-tron,以150千瓦(kW)充電仍需要30分鐘,才可充滿八成電量。

氫燃料電池車在貨車上較具優勢,Hyundai早前宣佈將於瑞士推出1,000架氫燃料貨車。圖為豐田上月中在美國三藩市展示其氫燃料電池貨車。(視覺中國)

當然,這種續航力已足夠純電動私家車日常使用,而且電動車的車主通常會在晚間充電日間使用。但車主需要長途駕駛的話,便顯得不夠。現代汽車商業車輛總監Mark Freymueller便指出,在長途駕駛方面,氫能貨車比純電動車更有優勢,因為電動車厚重的電池會令載貨量減少,而且充電時間更長。因此,比起私家車,氫燃料電池車更適用於長途運輸如貨車或火車。

豐田與7 Eleven合作,以氫燃料貨車送貨。(視覺中國)

現代在上周三宣布與瑞士氫能商H2 Energy合作,將於2019年底推出全球首輛商用氫能貨車,並且預計生產1,000輛,比Tesla和戴姆勒(Daimler AG)分別預計於2020和2021年推出純電動貨車還早。豐田則在6月與7-Eleven達成合作協議,明年起以燃料電池冷櫃貨車送貨。

各類汽車銷售比例預測(來源:European Climate Foundation)

正因為潛力無限,即使現時氫能的發展未如理想,一些環保機構及汽車業者仍對前景樂觀。歐洲氣候基金會(European Climate Foundation,簡稱ECF)預期,雖然氫能車的汽車銷售市場份額預料在2030年仍停留於不足2%,但到2035年及2050年可望分別達到10%和26%。 

正因為潛力無限,即使現時氫能的發展未如理想,一些環保機構及汽車業者仍對前景樂觀。歐洲氣候基金會(European Climate Foundation,簡稱ECF)預期,雖然氫能車的汽車銷售市場份額預料在2030年仍停留於不足2%,但到2035年及2050年可望分別達到10%和26%。

氫氣需求估算(來源:Hydrogen Council)

國際氫能委員會(Hydrogen Council)則預計2030年將會是轉捩點,屆時會有150萬架自動駕駛的士及360萬架貨車,以及其他諸如自動駕駛巴士、飛天的士等靠氫能推動,加上為數據中心提供後備能源等,估計需要640萬組燃料電池。

該委員會又預計在2050年,全球有18%能源將由氫能供應,料有助達到《巴黎協定》控制全球升溫低於攝氏2度的目標。

據KPMG調查,汽車高管認為燃料電池將是電動車真正突破。

會計事務所畢馬威(KPMG)本年初訪問了1,000名汽車業高級管理人員,逾七成人亦看好氫能車。

不過,光靠車廠的努力還不足以成事,請見另文《【科技.未來】氫燃料漸成國策 多元能源為未來趨勢》。

上文節錄自第130期《香港01》周報(2018年9月24日)《續航力和充電時間佔優勢 氫燃料電池車再臨?》

更多周報文章︰【01周報專頁】
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