“終極能源”會(huì)迎來(lái)應(yīng)用大爆發(fā)嗎？
徐文璞、李智穎、易思琳對(duì)本文亦有貢獻(xiàn)
*本文為甲子光年特約作者莊禾晴獨(dú)家供稿。莊禾晴為前媒體人、前投資人，燃料電池項(xiàng)目創(chuàng)業(yè)者，現(xiàn)在香港大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)碩士在讀。
每一次能源的“脫碳”都會(huì)改變?nèi)祟?lèi)文明的發(fā)展進(jìn)程，每一次能源的轉(zhuǎn)換都伴隨著一個(gè)大國(guó)的復(fù)興或崛起。
19世紀(jì)，工業(yè)革命發(fā)端于大不列顛島，木柴到煤炭的轉(zhuǎn)換讓“日不落帝國(guó)”冉冉升起；20世紀(jì)，油氣對(duì)煤炭的替代揭開(kāi)了電氣時(shí)代的序幕，期間美國(guó)一躍成為世界第一工業(yè)強(qiáng)國(guó)和經(jīng)濟(jì)體，為稱(chēng)霸世界埋下伏筆；21世紀(jì)新能源革命勢(shì)不可擋，中國(guó)也有機(jī)會(huì)憑借光伏和新能源汽車(chē)后來(lái)居上。
但新能源的戰(zhàn)事遠(yuǎn)未結(jié)束。“碳中和”引發(fā)了新一輪能源與材料的革命，成了現(xiàn)階段為數(shù)不多的超車(chē)大機(jī)遇。一場(chǎng)圍繞著碳中和的新能源晉級(jí)賽已經(jīng)拉開(kāi)序幕。中國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)提出“2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和”、歐洲擬將“2050年實(shí)現(xiàn)碳中和”寫(xiě)進(jìn)法案、美國(guó)自拜登上臺(tái)的第一天就重返巴黎協(xié)定，承諾“到2050年，讓美國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和”。
這場(chǎng)新能源革命中國(guó)已走了幾十年，如今每一步腳印都被清晰地串聯(lián)了起來(lái)：從大力發(fā)展光伏到構(gòu)建特高壓網(wǎng)絡(luò)、再到扶持新能源汽車(chē)，一副能源宏圖展現(xiàn)在眼前。但拼接這塊能源版圖時(shí)，兩個(gè)潛在問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)：一個(gè)是大量的可再生能源棄電，一個(gè)是新能源汽車(chē)難以突破的續(xù)航難題。
于是，“氫”能再度被寄予厚望。在近日的中國(guó)發(fā)展高層論壇上，中國(guó)南方科技大學(xué)校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士薛其坤就說(shuō)：“按照熱力學(xué)的物理學(xué)規(guī)律，任何能源使用過(guò)程中都會(huì)造成浪費(fèi)，造成二氧化碳等污染。所以，我們還是要回歸初心，從最基本的愛(ài)因斯坦的核聚變出發(fā)，回到太陽(yáng)，利用地球上人類(lèi)宇宙中最簡(jiǎn)單的元素氫發(fā)展最清潔、最有效、最長(zhǎng)久的太陽(yáng)能光電制氫的氫能源技術(shù)?！?/span>
中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的元年，實(shí)際上是更早的2019年。一直以來(lái)，氫能的商用化都有許多爭(zhēng)議。在支持者眼中，氫燃料電池的能量密度是鋰電池的100多倍，且燃燒后除了水什么都不會(huì)留下；在反對(duì)陣營(yíng)中，馬斯克曾向投資者保證“燃料電池沒(méi)有未來(lái)”，大眾汽車(chē)集團(tuán)CEO赫伯特·迪斯也曾對(duì)媒體說(shuō)：你們不會(huì)看到任何氫能源的乘用車(chē)。
但氫并非真的一無(wú)是處。即使在唱衰聲音集中的乘用車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域，氫燃料電池也能避開(kāi)與鋰電池的正面交鋒，選擇在長(zhǎng)續(xù)航及大功率市場(chǎng)突破，成了物流、重卡、公交車(chē)等商用車(chē)的燃油替代方案。此外，在固定電源及無(wú)人機(jī)等其他應(yīng)用領(lǐng)域中，氫燃料電池的優(yōu)勢(shì)也無(wú)人能敵。實(shí)際上在質(zhì)疑聲中，氫能仍一邊通過(guò)消納棄電及延伸鋰電池的續(xù)航切入新能源產(chǎn)業(yè)鏈，一邊積極探索著電網(wǎng)之外的新型能源世界。
但想要從零開(kāi)始建立一個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)談何容易？氫能產(chǎn)業(yè)鏈比鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈更長(zhǎng)、復(fù)雜度更大、成本更高，讓其迄今難以被大規(guī)模應(yīng)用。氫網(wǎng)的搭建注定是一場(chǎng)持久戰(zhàn)。所幸，目前有兩股強(qiáng)大的力量正從兩個(gè)方向推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈的形成和拓展：在上游，宏觀政策為氫能作指引；在下游，政府及企業(yè)合力探索應(yīng)用場(chǎng)景。
如今“電能-鋰電池”的發(fā)展格局已經(jīng)明朗，“氫能-氫燃料電池”的前景依然不清晰?，F(xiàn)階段，成為電網(wǎng)及鋰電池的“替補(bǔ)”角色，是氫能明確能走下去的方向。但在更大的未知應(yīng)用領(lǐng)域中，氫能未來(lái)會(huì)有一個(gè)什么樣的格局？這需要有足夠想象力。
1.減碳大機(jī)遇
2019年，“氫能”首次寫(xiě)入了我國(guó)政府工作報(bào)告，報(bào)告提出了“推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”。
這與減碳的大目標(biāo)直接相關(guān)。在中國(guó)向碳中和目標(biāo)邁進(jìn)的過(guò)程中，可再生能源將扮演至關(guān)重要的角色。作為碳排放量位居世界第一的國(guó)家，電力行業(yè)在中國(guó)二氧化碳排放結(jié)構(gòu)中的占比超過(guò)一半，通過(guò)可再生能源替代傳統(tǒng)火力發(fā)電成了最直接的減碳手段。
為了達(dá)到《巴黎協(xié)定》的目標(biāo)，中國(guó)在去年的氣候峰會(huì)上承諾，到2030年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到25%，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12萬(wàn)億千瓦。
在以光伏為代表的可再生能源領(lǐng)域，中國(guó)的實(shí)力幾乎無(wú)人能敵，但過(guò)快的發(fā)展速度也帶來(lái)了相應(yīng)的“后遺癥”。據(jù)全國(guó)新能源消納監(jiān)測(cè)預(yù)警中心數(shù)據(jù)，2020年全國(guó)棄風(fēng)電量166.1億千瓦時(shí)，全國(guó)棄光電量為52.6億千瓦時(shí)。
隨著可再生能源逐漸替代火力發(fā)電，將有大量棄電亟需進(jìn)行儲(chǔ)存，而在電網(wǎng)之外的另一端，氫網(wǎng)也正為電解水制氫的高額成本焦頭爛額。當(dāng)電與氫相遇，電網(wǎng)的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)與氫網(wǎng)的制氫產(chǎn)業(yè)極有可能互助互利，即采用可再生能源發(fā)電進(jìn)行電解制氫。這能解決目前遇到的眾多問(wèn)題。
由于可再生能源的邊際成本接近于零，其定價(jià)低于其他電力的市場(chǎng)定價(jià)，甚至能夠達(dá)到負(fù)定價(jià)，利用可再生能源進(jìn)行制氫將極具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
以大工業(yè)電價(jià)均價(jià)0.61元/kWh計(jì)算，當(dāng)前電解水制氫的成本為3.69元/立方米。當(dāng)用電價(jià)格低于0.50元/kWh時(shí)，電解水制備的氫氣成本可與汽油相當(dāng) [1]。
可再生能源讓氫能產(chǎn)業(yè)鏈上游看到了降低成本的希望。據(jù)中國(guó)氫聯(lián)盟預(yù)測(cè)，到2050年，大約70%的氫將由可再生能源生產(chǎn)。另一方面，氫能也可以反哺“棄電”——無(wú)論是儲(chǔ)能密度還是儲(chǔ)存時(shí)間，氫氣都具備絕佳的儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)。
數(shù)據(jù)來(lái)源：CNKI，國(guó)聯(lián)證券研究所
電網(wǎng)與氫網(wǎng)的交匯給能源體系描繪了一副美好的愿景，雖然距離這一愿景成為現(xiàn)實(shí)仍有很長(zhǎng)的路要走，但在實(shí)現(xiàn)的那一天，中國(guó)基于已形成的新能源體系的優(yōu)勢(shì)，將牢牢掌控氫能價(jià)格的話(huà)語(yǔ)權(quán)及控制權(quán)。
2.“鋰”的困境
而在“可再生能源發(fā)電、特高壓傳電、新能源汽車(chē)用電”為代表的新能源體系中，也藏著隱憂(yōu)。
這一隱憂(yōu)首先出現(xiàn)在鋰電池技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，在飛速奔跑了十余年后，電池的續(xù)航開(kāi)始力不從心。
新能源汽車(chē)的續(xù)航瓶頸主要受電量影響。從表面上看，電量可以歸結(jié)為“量”的問(wèn)題：只要裝了足夠多的電池，就能產(chǎn)生足夠多的電量提升續(xù)航。假設(shè)60kWh的電池能跑400公里，那一塊150kWh的電池豈不是能輕松突破1000公里？
可惜續(xù)航的提升并非簡(jiǎn)單的加減乘除。按目前主流的能量密度計(jì)算，一塊60kWh的動(dòng)力電池組自重大約在400kg～500kg之間，占整車(chē)重量的比重約為30%。隨著重量增加，電池會(huì)面臨邊際收益遞減的問(wèn)題。即增加電池也會(huì)增加電動(dòng)車(chē)的重量及阻力，當(dāng)電池裝載量過(guò)大，大部分電量將會(huì)被用來(lái)拖著笨重的電池組跑，而不是貢獻(xiàn)給電動(dòng)車(chē)的續(xù)航，鋰電池車(chē)?yán)m(xù)航的天花板也因此出現(xiàn)。
想要從電量上提高目前電動(dòng)車(chē)的續(xù)航，從“堆量”下手已經(jīng)行不通了，只剩下“提高能量密度”這一條路能走了。具體來(lái)說(shuō)，目前主要有四個(gè)提升途徑，分別為正極提升、負(fù)極提升、電解液體系提升及封裝技術(shù)提升。
上述四個(gè)途徑基本覆蓋了鋰電池充放電所涉及的所有環(huán)節(jié)。電子通過(guò)電解液在正負(fù)極之間反復(fù)“穿梭”，達(dá)到儲(chǔ)能和充放電的目的，再用封裝技術(shù)把多個(gè)電池裝在一起成為電池組，把多個(gè)電池組裝在一起成為電池系統(tǒng)。
對(duì)于正極材料來(lái)說(shuō)，能量密度和安全性就像是蹺蹺板的兩端，不可兼得。常用的正極材料有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元鋰等，每一種材料都要在能量密度和安全性之間做取舍。
磷酸鐵鋰因?yàn)橛蟹€(wěn)定卻笨重的鐵元素的加入，電池安全性最強(qiáng)，但也嚴(yán)重影響了電動(dòng)車(chē)的續(xù)航；最成熟的正極材料是鈷酸鋰，但對(duì)應(yīng)的能量密度和安全性又平平無(wú)奇；“激進(jìn)派”三元鋰擁有最好的能量密度和最長(zhǎng)的續(xù)航，但頻發(fā)的安全事故也讓消費(fèi)者望而退步。
目前正極材料的研發(fā)進(jìn)度仍止步于高鎳三元鋰方案，更高能量密度的技術(shù)方案還待在實(shí)驗(yàn)室里。
負(fù)極材料的瓶頸與正極材料類(lèi)似，至今未找到可替代現(xiàn)有材料的優(yōu)化方案。鋰電池的負(fù)極材料是石墨，目前最有潛力代替石墨的材料為硅材料，但后者卻存在著膨脹系數(shù)大等致命問(wèn)題。
電解液體系則專(zhuān)注于將電池從液態(tài)轉(zhuǎn)向固態(tài)，這一技術(shù)能夠兼顧電池的能量密度及安全性，是最受造車(chē)新勢(shì)力歡迎的方案之一。今年1月份，蔚來(lái)汽車(chē)發(fā)布了搭載“固態(tài)電池”的概念車(chē)，續(xù)航里程接近1000km。遺憾的是，固態(tài)電池仍是一項(xiàng)非常不成熟的技術(shù)，應(yīng)用范圍也只限于概念車(chē)。
封裝方案是鋰電池最后一個(gè)可以?xún)?yōu)化的環(huán)節(jié)，電池企業(yè)優(yōu)化封裝方案的迄今也只有一個(gè)：用更安全的方法，裝更多的電池。
比亞迪的刀片電池方案是比較典型的代表，通過(guò)刀片式的封裝盡可能優(yōu)化電池組設(shè)計(jì)，以提高電池組的能量密度。但封裝技術(shù)可以壓榨的剩余空間非常有限，還需要配合更好的電池管理才能發(fā)揮作用。
3.“氫”都能解決
鋰電池的續(xù)航瓶頸，使得長(zhǎng)續(xù)航市場(chǎng)對(duì)氫燃料電池的呼聲高漲，因?yàn)殇囯姵厮媾R的“電量”和“能量密度”的難題，對(duì)氫燃料電池來(lái)說(shuō)根本不是問(wèn)題。它集齊了“極高的能量密度、無(wú)限種可能的系統(tǒng)容量、無(wú)需充電”這三種特征。
氫的能量密度是傳統(tǒng)燃料無(wú)法比擬的：氫氣的熱值約是石油的3倍、煤炭的4.5倍，每1kg氫氣相當(dāng)于2.5kg天然氣、2.8kg汽油、33.70kWh電力（1kWh就是俗稱(chēng)的1度電）[2]。
目前鋰電池的能量密度最多能達(dá)300Wh/Kg，磷酸鐵鋰則不足200Wh/Kg，而氫燃料電池系統(tǒng)能量密度超過(guò)350wh/kg，輕松超越鋰電池。現(xiàn)階段儲(chǔ)氫技術(shù)不夠成熟，氣瓶所攜帶的氫氣量不夠多，能量也依然大幅領(lǐng)先鋰電池。隨著加壓技術(shù)的優(yōu)化升級(jí)，后者的能量密度更是讓鋰電池望塵莫及。
鋰已經(jīng)是地球上最輕的金屬元素，但在元素周期表第一個(gè)元素氫的眼中，鋰還是太重了。盡管目前氫氣還不能以液態(tài)儲(chǔ)存，而且電堆及輔助系統(tǒng)也會(huì)有一定重量，但無(wú)論如何在一單位體積內(nèi)氫燃料所包含的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他電池，即能量密度高。因此目前鋰電池車(chē)?yán)m(xù)航極限難以突破500km，而氫燃料電池車(chē)的續(xù)航里程則可以輕松從500km起步。
系統(tǒng)容量方面，與發(fā)動(dòng)機(jī)相似的屬性讓氫燃料電池的容量具備無(wú)限種可能。在氫燃料電池發(fā)電的過(guò)程中，氫氣會(huì)源源不斷從氫氣罐進(jìn)入電池系統(tǒng)，再生成水不斷排出。在電池系統(tǒng)大小不變的情況下，只要儲(chǔ)存氫氣的容器足夠大、氫氣能裝得足夠多，氫燃料電池的系統(tǒng)容量也就能不斷擴(kuò)大。
充能方面，由于氫燃料電池不需要把電儲(chǔ)存在電池里，因此不需要進(jìn)行充電。其充能原理更像是傳統(tǒng)燃油車(chē)，3~5分鐘充滿(mǎn)氫燃料后，單次行駛里程就能達(dá)到400~700公里。此外，氫燃料電池的另一大好處是不存在機(jī)械傳動(dòng)部件，在整個(gè)發(fā)電的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何噪聲。
氫燃料電池還有天時(shí)和地利：氫原子構(gòu)成了宇宙的90%，只要太陽(yáng)照常升起，它就能夠無(wú)限再生。
中國(guó)是全世界最大的氫氣生產(chǎn)及消費(fèi)市場(chǎng)，工業(yè)用氫氣產(chǎn)能2019年就達(dá)到了2500萬(wàn)噸/年 [3]。光氯堿工業(yè)每年以點(diǎn)天燈的形式釋放的氫氣就夠1240萬(wàn)輛車(chē)行駛，四川省每年棄水電用來(lái)制氫可以滿(mǎn)足275萬(wàn)輛氫燃料電池汽車(chē)，2017年風(fēng)電和光伏棄電量可供2000萬(wàn)輛以上氫能源汽車(chē)使用 [4]。
中國(guó)手握著開(kāi)啟萬(wàn)億氫能市場(chǎng)規(guī)模的鑰匙，在巨頭眼中這是一片尚未開(kāi)發(fā)完的沃土，而對(duì)中小企業(yè)來(lái)說(shuō)，這也同樣是一片能成長(zhǎng)為龍頭級(jí)企業(yè)的土壤。
4.仍然在“替補(bǔ)”
然而，自2014年豐田推出全球第一輛商業(yè)化的氫燃料電池車(chē)、歐美日韓氫燃料電池車(chē)在商業(yè)化領(lǐng)域齊頭并進(jìn)之時(shí)，中國(guó)的氫燃料電池車(chē)市場(chǎng)才步入探索階段。
20世紀(jì)70年代石油危機(jī)中孕育的氫燃料電池技術(shù)，讓其在汽車(chē)上找到了應(yīng)用的突破口。
德國(guó)在這場(chǎng)賽事中拔得頭籌，1994年戴姆勒推出了第一代現(xiàn)代燃料電池乘用車(chē)-NECAR 1，雖然2020年戴姆勒終止了相關(guān)計(jì)劃，但其帶燃料電池汽車(chē)實(shí)現(xiàn)了從0到1的突破。
在隨后漫長(zhǎng)的十余年里，其他國(guó)家也在加緊試驗(yàn)、爭(zhēng)分奪秒地?fù)寠Z氫燃料電池車(chē)商業(yè)化的里程碑。
2014年，氫燃料電池車(chē)發(fā)展歷史上的重要里程碑在日本誕生。2014年12月，豐田推出了全球第一輛商業(yè)化的氫燃料電池車(chē)Miria。這件事的里程碑意義在于，氫燃料電池車(chē)成了變革交通技術(shù)的解決方案之一，而不再是一個(gè)只存在于實(shí)驗(yàn)室中的概念。
同一時(shí)間，各國(guó)氫燃料電池汽車(chē)開(kāi)始走出實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始各自商業(yè)化落地的實(shí)踐。美國(guó)鎖定了物流運(yùn)輸領(lǐng)域，截至2015年，共有34家企業(yè)、8000多輛氫燃料電池叉車(chē)投入運(yùn)行；韓國(guó)和日本則聚焦于乘用車(chē)市場(chǎng)，現(xiàn)代TucsonFCEV、豐田Mirai等也紛紛推出相關(guān)產(chǎn)品。
期間中國(guó)選擇了另一條路，即在商業(yè)化前，先在示范階段進(jìn)行小范圍測(cè)試。在這個(gè)背景下，世界上最大規(guī)模的燃料電池汽車(chē)示范運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目出現(xiàn)在了2008年北京奧運(yùn)會(huì)及2010年上海世博會(huì)上：100輛氫燃料電池觀光車(chē)?yán)塾?jì)接待游客2230475人次，總運(yùn)營(yíng)里程578655km [5]。
各國(guó)對(duì)氫能不同的布局力度，很大程度上取決于各自不同的能源結(jié)構(gòu)。
目前日本是最積極打造氫能網(wǎng)絡(luò)的國(guó)家。受地理位置及能源環(huán)境的限制，以及核能戰(zhàn)略所導(dǎo)致的核泄漏事故的影響，日本如今希望押注氫能實(shí)現(xiàn)可再生能源戰(zhàn)略。早在2014年，日本就制定了氫氣的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和應(yīng)用的戰(zhàn)略路線(xiàn)圖，如今氫能已被確立為日本的“國(guó)家能源”。
對(duì)美國(guó)來(lái)說(shuō)，更加需要發(fā)展可再生能源防范石油危機(jī)。20世紀(jì)70年代開(kāi)始，美國(guó)政府就對(duì)氫能研究進(jìn)行了大量資助；1990年，美國(guó)就制定了氫能源發(fā)展的5年計(jì)劃；如今，美國(guó)氫能相關(guān)政策幾乎覆蓋了氫能全產(chǎn)業(yè)鏈。
中國(guó)在可再生能源賽道上，選擇了多點(diǎn)齊發(fā)的戰(zhàn)略。氫能并不是唯一被關(guān)注的可再生能源，與氫燃料電池車(chē)同步發(fā)展的還有鋰電池汽車(chē)。
光伏與特高壓領(lǐng)域的強(qiáng)勢(shì)讓電動(dòng)車(chē)先于氫燃料電池車(chē)脫穎而出。以2009年的“十城千輛”為起點(diǎn)，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展進(jìn)入了萌芽期，氫燃料電池汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)同時(shí)被列入補(bǔ)貼政策；2014年，電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入成長(zhǎng)期，氫燃料電池汽車(chē)也設(shè)定了“千輛級(jí)”規(guī)模的目標(biāo)，在隨后的幾年里，電動(dòng)汽車(chē)的年銷(xiāo)量從18萬(wàn)一路突破100萬(wàn)輛；反觀氫燃料電池汽車(chē)，累計(jì)銷(xiāo)量甚至還未達(dá)到1萬(wàn)輛。
在過(guò)去的十余年里，氫燃料電池汽車(chē)始終沒(méi)能擺脫電動(dòng)汽車(chē)的“替補(bǔ)”角色。每當(dāng)鋰電池技術(shù)的進(jìn)步放緩時(shí)，燃料電池技術(shù)就會(huì)出現(xiàn)在市面上。如今電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航碰到了天花板，氫燃料電池車(chē)的發(fā)展又被提上了日程，但與以往不同的是，燃料電池技術(shù)已經(jīng)逐漸從示范階段過(guò)度到商用化階段，已具備接手部分鋰電池細(xì)分市場(chǎng)的能力。
5.成本的困局
從替補(bǔ)席走向正賽的路，氫能也不會(huì)走得很順利。
業(yè)界的爭(zhēng)議，一部分來(lái)源于氫燃料電池過(guò)于緩慢的成長(zhǎng)速度。背后的原因，則是發(fā)展氫能是個(gè)又長(zhǎng)又復(fù)雜的鏈條。迪斯曾在其社交媒體上解釋過(guò)不進(jìn)入氫燃料車(chē)市場(chǎng)的原因：因?yàn)闅浞浅０嘿F且效率低下，因此無(wú)法確?；A(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，以及保證氫氣在運(yùn)輸過(guò)程中的穩(wěn)定性。
發(fā)展氫燃料電池車(chē)，需要討論的不僅僅是一輛行駛的汽車(chē)，還有一個(gè)從制氫-運(yùn)輸-加氫站-氫燃料電池車(chē)疊加而成的復(fù)雜能源系統(tǒng)。
站在市場(chǎng)的角度上，圍繞氫燃料電池的復(fù)雜議題也可以簡(jiǎn)單總結(jié)為兩個(gè)問(wèn)題：是否好用，是否便宜。其優(yōu)異的續(xù)航能力，已經(jīng)證明了氫燃料電池足夠好用。但第二個(gè)問(wèn)題“是否便宜”仍需要進(jìn)一步探索。
氫能體系的搭建成本極其昂貴。不論是上游制氫運(yùn)氫、中游加氫還是下游用氫，目前整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈沒(méi)有一環(huán)是便宜的，也沒(méi)有哪一方可以脫離產(chǎn)業(yè)鏈單獨(dú)降低成本。
1.上游：制氫、運(yùn)輸都很貴
產(chǎn)業(yè)鏈上游的主要環(huán)節(jié)為制氫和運(yùn)輸，二者居高不下的成本是制約我國(guó)氫能網(wǎng)絡(luò)建立的主要因素。
現(xiàn)階段的制氫技術(shù)主要有四種，分別為化石原料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫、化工原料制氫及電解水制氫。每一種制氫方式的成本都受到相應(yīng)能源資源價(jià)格的影響。
化石原料的低成本，使得其成為目前最主要的制氫來(lái)源。全球大部分國(guó)家主要用天然氣制氫，而我國(guó)由于煤炭資源比較豐富，煤氣制氫更具成本優(yōu)勢(shì)，煤氣制氫占全國(guó)制氫量的60%以上，每立方米的制氫成本大約為0.869元 [6]。
但煤氣制氫，每生產(chǎn)一公斤氫氣就會(huì)產(chǎn)生約30.2kg的二氧化碳，制氫過(guò)程完全與碳中和的目標(biāo)背道而馳。并非長(zhǎng)久之計(jì)。工業(yè)副產(chǎn)氫和甲醇制氫也都有同樣問(wèn)題。
在目前的所有制氫方法中，僅有電解水制氫可以做到完全無(wú)污染。然而現(xiàn)有技術(shù)之下，電解水制氫的成本是所有制氫技術(shù)路線(xiàn)中最高的，單位制氫成本是煤制氫的4~5倍 [7]，且制氫量一般小于200立方米/h，非常不經(jīng)濟(jì)。
除了“制氫”第一關(guān)，上游還有“儲(chǔ)存-運(yùn)輸”這第二關(guān)。氫氣液化及固化的難度，使得其目前主要以高壓氣態(tài)的形式儲(chǔ)存，單位體積儲(chǔ)氫的容量低，更無(wú)法像石油那樣方便運(yùn)輸。
高壓氣態(tài)的氫氣主要通過(guò)長(zhǎng)管拖車(chē)和管道進(jìn)行輸運(yùn)，前者是氫氣近距離輸運(yùn)最主要和最便宜的方式。一臺(tái)長(zhǎng)管拖車(chē)的成本約為160萬(wàn)元，當(dāng)運(yùn)輸距離100km時(shí)，運(yùn)輸成本為8.66元/kg [6]。
長(zhǎng)管拖車(chē)或輪船已經(jīng)足夠應(yīng)付產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的早期階段了，目前我國(guó)氫能示范應(yīng)用主要圍繞小于200公里的制氫地布局，長(zhǎng)管拖車(chē)基本可以覆蓋。至于液態(tài)輸氫和固態(tài)輸氫，大概率會(huì)留到下一個(gè)階段再進(jìn)行探索。
但如果想要大規(guī)模、長(zhǎng)距離運(yùn)輸氫氣，管道運(yùn)輸是繞不開(kāi)的解決方案，只是這一方案實(shí)施起來(lái)過(guò)于困難。
首先，氫氣管道的造價(jià)成本非常高，參考目前已有的濟(jì)源-洛陽(yáng)氫氣管道，建設(shè)長(zhǎng)度25km的管道耗資1.46億元，則單位長(zhǎng)度投資額為584萬(wàn)元/km；其次，假設(shè)把氫氣摻入現(xiàn)有的天然氣管道中運(yùn)輸，則有無(wú)數(shù)個(gè)問(wèn)題撲面而來(lái)：氫氣摻多少、通過(guò)哪些管道運(yùn)輸、如何運(yùn)營(yíng)、如何調(diào)節(jié)各管網(wǎng)方的利益......
在種種條件的制約下，何時(shí)能搭建起氫氣運(yùn)輸管道仍是個(gè)未知數(shù)。對(duì)比目前美國(guó)已有的2500公里輸氫管道、歐洲的1598公里輸氫管道，我國(guó)的輸氫管道僅有100公里，和油氣管道差了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
2.中游：難以商業(yè)化的加氫站
昂貴的“制氫-儲(chǔ)氫-輸氫”成本被進(jìn)一步帶入了產(chǎn)業(yè)鏈的中游——加氫站。
目前國(guó)內(nèi)加氫站需要外部供氫，即用長(zhǎng)管拖車(chē)往返于加氫站與氫源地之間，大部分加氫站不具備在站內(nèi)通過(guò)電解水制氫的技術(shù)。因此，上游氫氣的制作及運(yùn)輸成本很大程度上決定了加氫站的氫氣成本。
與發(fā)展較為成熟的日本加氫站對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，氫氣成本占日本氫氣售價(jià)的占比為38%，而這一比例在中國(guó)的氫氣成本結(jié)構(gòu)中高達(dá)65%。另一個(gè)成本占比大頭為壓縮機(jī)，占成本比例為30%，該生產(chǎn)技術(shù)目前依賴(lài)于進(jìn)口，采購(gòu)成本在短期內(nèi)難以降低。
整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈都逃不開(kāi)的“成本”問(wèn)題，也成了現(xiàn)階段建設(shè)加氫站的最大阻礙。據(jù)交能網(wǎng)數(shù)據(jù)，目前我國(guó)一個(gè)日加氫能力為200kg的加氫站成本約為1000萬(wàn)元，已建成的加氫站都尚未盈利。
加氫站是產(chǎn)業(yè)鏈中游的核心，也是連接上游制氫和下游應(yīng)用的樞紐，加氫站的布局和普及在很大程度上決定了氫燃料電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，但現(xiàn)在它卡住了整條產(chǎn)業(yè)鏈的脖子。
上游的氫氣成本會(huì)通過(guò)加氫站傳導(dǎo)至下游，使氫氣的售價(jià)遠(yuǎn)大于同等能量水平下的汽柴油價(jià)格。目前每百公里的汽油成本為39~49元，而國(guó)內(nèi)加氫站的氫氣零售價(jià)格普遍為60~70元/kg，以每100公里平均消耗8kg氫氣計(jì)算，氫燃料電池汽車(chē)的百公里燃料成本高達(dá)560元 [8]。
氫氣售價(jià)高，市場(chǎng)不愿意消費(fèi)氫燃料電池，車(chē)廠也沒(méi)有動(dòng)力研發(fā)燃料電池車(chē)。一環(huán)套著一環(huán)，最后整個(gè)行業(yè)都難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化運(yùn)營(yíng)。
反過(guò)來(lái)又使得加氫站陷入了無(wú)法盈利的惡性循環(huán)中，加氫站的推廣也成了難題。截至2019年，我國(guó)已建成且在運(yùn)營(yíng)的加氫站僅有52座，真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的加氫站不超過(guò)10個(gè)。
3.電池：需要規(guī)?；?、國(guó)產(chǎn)化
氫燃料電池現(xiàn)階段的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋰電池及一般的燃油車(chē)，且大部分核心材料的技術(shù)仍掌握在其他國(guó)家的手里。所幸，氫燃料電池的成本下降潛力比較大。
在氫燃料電池的成本結(jié)構(gòu)中，比例最大的是電池電堆，占比高達(dá)30%，其他成分包括空氣供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、及氫氣檢測(cè)供給系統(tǒng)等。其中，大部分與成本相關(guān)的問(wèn)題都可以通過(guò)規(guī)?；瘉?lái)解決。
數(shù)據(jù)來(lái)源：廣證恒生
據(jù)美國(guó)能源部測(cè)算，當(dāng)電池系統(tǒng)年產(chǎn)量由1千套增加到1萬(wàn)套時(shí)，電堆成本可降低65%；當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模增長(zhǎng)突破1萬(wàn)套時(shí)，部分組件的規(guī)?；当究臻g已開(kāi)始減?。划?dāng)生產(chǎn)規(guī)模由1萬(wàn)套增長(zhǎng)至50萬(wàn)套時(shí)，決定電堆成本的主要因素只有催化劑，后者占整個(gè)電堆成本的36%。
與鋰電池受制于鋰和鈷等稀有元素類(lèi)似，氫燃料電池的催化劑也需要稀有金屬——鉑，是目前研發(fā)氫燃料電池?zé)o法繞開(kāi)的重要材料。不過(guò)氫燃料電池電堆中其他材料均為石墨、聚合物膜、鋼等常見(jiàn)材料，供應(yīng)沒(méi)有明顯限制。
從目前看，鉑有充分的供應(yīng)。從2014年到2019年，鉑的供應(yīng)端復(fù)合年增長(zhǎng)率為2.9%，而需求端則處于下降趨勢(shì)。也不排除氫燃料電池發(fā)展會(huì)帶動(dòng)鉑需求量持續(xù)攀升，導(dǎo)致鉑的供應(yīng)也要面臨不確定性。
為了提前應(yīng)對(duì)這一可能，氫燃料電池啟動(dòng)了“低鉑”革命，鉑負(fù)載量已從10年前的0.8~1g/kW降低到目前的0.1~0.4g/kW，未來(lái)仍有繼續(xù)下降的空間，直至達(dá)到與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)貴金屬用量相當(dāng)?shù)乃?/span>（<0.05g/kW）[9]。
氫燃料電池發(fā)展的前期可以通過(guò)規(guī)?；档统杀?，但“國(guó)產(chǎn)化”始終是未來(lái)需要邁過(guò)的坎。目前氫燃料電池的核心部件中，質(zhì)子交換膜、雙極板、高壓氣瓶基本依賴(lài)進(jìn)口，國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)能力有限，產(chǎn)品質(zhì)量也難以滿(mǎn)足要求。
6.變革已在發(fā)生
如何推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)鏈降成本？十二年鋰電池市場(chǎng)化的探索經(jīng)驗(yàn)，中國(guó)現(xiàn)在也在拿來(lái)推動(dòng)氫能市場(chǎng)的變革。
首先是在“碳中和”戰(zhàn)略和補(bǔ)貼政策的加持下降低產(chǎn)業(yè)鏈的成本，自上往下推動(dòng)氫能的延伸和對(duì)電網(wǎng)的補(bǔ)充。
雖然目前暫未出臺(tái)相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和支持政策，但“碳中和”的大戰(zhàn)略已經(jīng)給出了較為清晰的指引。補(bǔ)貼政策又吹響了氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的“沖鋒號(hào)”。2019年前，中國(guó)的氫能產(chǎn)業(yè)就已經(jīng)走過(guò)了長(zhǎng)達(dá)十八年的研發(fā)期和推廣期。經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的政策籌劃，中國(guó)現(xiàn)在采用補(bǔ)貼手段推動(dòng)行業(yè)進(jìn)行商業(yè)化。
補(bǔ)貼主要在三個(gè)方面：消費(fèi)者購(gòu)車(chē)補(bǔ)貼、加氫站補(bǔ)貼及氫氣補(bǔ)貼。除了針對(duì)氫氣補(bǔ)貼還在討論中，前兩項(xiàng)補(bǔ)貼已經(jīng)陸續(xù)開(kāi)始落實(shí)。
部分補(bǔ)貼政策
盡管新能源汽車(chē)補(bǔ)貼正處在退坡過(guò)渡期，看得見(jiàn)的手正逐漸退出干預(yù)，但國(guó)家政策依然保留了氫燃料電池汽車(chē)對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)0.8倍的補(bǔ)貼。預(yù)計(jì)針對(duì)消費(fèi)者的補(bǔ)貼會(huì)持續(xù)到2025年。
針對(duì)加氫站建設(shè)的補(bǔ)貼則主要由地方政府主導(dǎo)。我國(guó)目前政策補(bǔ)貼更加針對(duì)于≥500kg/d加注能力的加氫站，建設(shè)一座該類(lèi)加氫站能獲得300~500萬(wàn)不等的補(bǔ)貼，不過(guò)目前，這類(lèi)加氫站仍要每天加注約400輛氫燃料汽車(chē)才有可能實(shí)現(xiàn)收支平衡 [10]。
另一股推動(dòng)力則是消費(fèi)端的改革。目前，多股力量在合力探索氫燃料電池的應(yīng)用場(chǎng)景，從需求端向上推動(dòng)變革，進(jìn)而帶動(dòng)加氫站等配套設(shè)施的建設(shè)。
氫燃料電池在交通領(lǐng)域的增長(zhǎng)潛力最強(qiáng)，主要應(yīng)用在重卡、客車(chē)、叉車(chē)等商用車(chē)場(chǎng)景。至于乘用車(chē)領(lǐng)域，中科院院士歐陽(yáng)明高認(rèn)為，“純電動(dòng)已經(jīng)完全能滿(mǎn)足要求了”。
商用車(chē)造車(chē)新勢(shì)力介入較少，這也成為氫能技術(shù)革命的重要試驗(yàn)場(chǎng)。2019年，氫能接力賽的第一棒被交給了公交車(chē)行業(yè)。當(dāng)年全國(guó)有21個(gè)城市開(kāi)辟運(yùn)行了氫燃料電池公交線(xiàn)路。
氫燃料電池+公交車(chē)是當(dāng)前我國(guó)最普遍的組合，因?yàn)楣卉?chē)具有“有規(guī)律、可預(yù)測(cè)的路線(xiàn)”的典型特征，具有非常穩(wěn)定且可預(yù)測(cè)的運(yùn)營(yíng)模式，只需要在沿線(xiàn)建立很少的加氫站。
據(jù)工信部發(fā)布的《新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用推薦車(chē)型目錄》，燃料電池商用車(chē)推薦名錄中70%為氫燃料電池客車(chē)，大多為政府采購(gòu)。這起到了一定的社會(huì)推廣效果。
對(duì)于同樣具備“中長(zhǎng)途運(yùn)輸、固定線(xiàn)路”特征的商用車(chē)來(lái)說(shuō)，氫能幾乎是替代柴油的完美方案，也是國(guó)內(nèi)車(chē)企最容易發(fā)力的商業(yè)化戰(zhàn)地，上海申龍、中通客車(chē)、福田汽車(chē)、宇通客車(chē)、廈門(mén)金旅等眾多汽車(chē)品牌已開(kāi)始布局氫燃料電池商用車(chē)。
在物流領(lǐng)域，氫燃料電池被認(rèn)為是最強(qiáng)有力的搭檔。除續(xù)航能力外，還能滿(mǎn)足城市中嚴(yán)格的環(huán)境要求和噪音法規(guī)，此外，加氫所需時(shí)間短也可以大大提高物流車(chē)隊(duì)的作業(yè)效率。
在重型卡車(chē)市場(chǎng)，氫燃料電池重卡的續(xù)航和充能能力已經(jīng)接近傳統(tǒng)燃油車(chē)，其零排放的特點(diǎn)在“柴轉(zhuǎn)氫”趨勢(shì)中也為替代燃油卡車(chē)創(chuàng)造了巨大的機(jī)會(huì)。
氫燃料電池技術(shù)用在叉車(chē)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)更加明顯。首先，叉車(chē)主要在倉(cāng)庫(kù)等小范圍區(qū)域作業(yè)，對(duì)加氫站數(shù)量需求不高；其次氫燃料電池叉車(chē)不存在持續(xù)放電、電壓下降導(dǎo)致速度減慢的問(wèn)題，可以保證叉車(chē)穩(wěn)定的工作效率。
在需求端的倒逼之下，政府和車(chē)企合力孵化出了一批產(chǎn)業(yè)鏈上的“黑馬”：國(guó)鴻、億華通發(fā)力客車(chē)和專(zhuān)用車(chē)行業(yè)，新源動(dòng)力及上海重塑科技則押注客車(chē)和箱式運(yùn)輸車(chē)，明天氫能自主研發(fā)的產(chǎn)業(yè)鏈已搭建完成，雄韜氫雄的氫能源電池產(chǎn)能已經(jīng)全國(guó)第一，物流車(chē)運(yùn)營(yíng)商中已經(jīng)有實(shí)現(xiàn)盈利的。
2019前，氫燃料電池的新生力量們幾乎只能做政府生意；僅僅兩年后，傳統(tǒng)車(chē)企產(chǎn)業(yè)鏈上已經(jīng)有了他們的身影。
甚至部分生力軍已對(duì)接二級(jí)市場(chǎng)。2020年8月，億華通作為“氫能汽車(chē)第一股”登陸科創(chuàng)板；今年3月，上海重塑科技也提交了科創(chuàng)板上市申請(qǐng)。
7.氫能，還能怎么想象？
氫燃料電池的未來(lái)，應(yīng)該不止汽車(chē)行業(yè)。據(jù)國(guó)際氫能委員會(huì)的預(yù)測(cè)，到2050年全球氫能源消費(fèi)將占總能源需求的18%，市場(chǎng)規(guī)模超2萬(wàn)億。
已經(jīng)有不少玩家另辟蹊徑，在固定電源、便攜式電源、無(wú)人機(jī)、工程機(jī)械等領(lǐng)域中大展身手。這些領(lǐng)域沒(méi)了加氫站布局的困擾，反而更有機(jī)會(huì)先一步跑進(jìn)商業(yè)化。
盡管眼下氫能的應(yīng)用仍然有限，但探究這一“終極能源”的未來(lái)時(shí)，最不該缺少想象。
想象在未來(lái)的某一天，由遠(yuǎn)處風(fēng)電和水電場(chǎng)發(fā)出的電力直接當(dāng)?shù)仉娊廪D(zhuǎn)化為氫氣，氫氣通過(guò)管道輸送到周邊城市的氫能網(wǎng)絡(luò)中，再給各種燃料電池設(shè)備提供源源不斷的能量。加一次氫氣，就能讓氫能自行車(chē)行駛數(shù)百公里、氫能筆記本電腦一周不用充電、氫能移動(dòng)電源給戶(hù)外旅行供電一整天，甚至可以給每家每戶(hù)提供不間斷的電力和熱水。
想象當(dāng)空中交通成為現(xiàn)實(shí)，氫燃料電池輕松升起無(wú)人機(jī)，將人或者貨物平穩(wěn)送至另一座城市的角落。在20世紀(jì)中期，太空計(jì)劃就已證明在載人航天領(lǐng)域，燃料電池是唯一選擇。
氫能網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)，可能會(huì)像今天的石油網(wǎng)絡(luò)一樣，從生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)浇⒓佑驼句侀_(kāi)，燃料電池車(chē)也能提供與傳統(tǒng)燃油車(chē)類(lèi)似的加油體驗(yàn)。
*參考材料：
[1] 《氫氣成本能降到幾何？——制氫篇》，廣證恒生
[2] 《“氫”潔世界，“能”創(chuàng)未來(lái)》，國(guó)聯(lián)證券
[3] 《氫能源及燃料電池交通解決方案白皮書(shū)系列》，德勤中國(guó)
[4] 《盤(pán)點(diǎn)國(guó)內(nèi)主流燃料電池商：都在做政府生意》，阿爾法工場(chǎng)研究院
[5] 《國(guó)內(nèi)外燃料電池汽車(chē)發(fā)展》，電動(dòng)汽車(chē)工程手冊(cè)
[6] 《氫氣成本能降到幾何？——制氫篇》，廣證恒生
[7] 《“氫”潔世界，“能”創(chuàng)未來(lái)》，國(guó)聯(lián)證券
[8] 《2020-2025年中國(guó)加氫站行業(yè)市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)及投資方向研究報(bào)告》，華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院
[9] 《國(guó)內(nèi)外燃料電池產(chǎn)業(yè)知多少》，安信證券
[10] 《制氫加氫 氫能社會(huì)》，方正證券
END.
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