氢能源崛起之困

格隆汇研究 2022-06-24 19:06

作者 | 万连山

编辑/校对 | 墨眠、顾树
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本文共计5839字,预计阅读时间15分钟。

美丽越危险


请想象一下。


一种新燃料,不仅能加热制冷,还能以不同规模发电,乃至驱动各种发动机,并广泛应用于家庭、工业和运输等几乎所有领域。


另外,尽管听起来不太真实,这种燃料不会产生任何辐射、颗粒物、大气污染物,且来源无处不在,地球的任何角落都储备丰富。


因为它,世界不再有能源困扰,与之衍生出的贪婪、地缘冲突、战争,都将一去不返。


这样的梦想能实现吗?


1869年,在科幻鼻祖儒勒·凡尔纳笔下,《海底两万里》中可怕的“鹦鹉螺号”潜艇用之不竭的燃料,便是氢气。


也是从彼时开始,氢能源作为最友好、最清洁的终极能源,始终活在人类的幻想中。


2H2+O2=2H2O,这个化学方程式就像巴赫的二部创意曲,简洁却蕴含巨大的能量。当氢以游离气体形式存在时,按重量计算的能量密度,让任何化石燃料都自惭形秽。


时过境迁,150年后的今天,当氢能源再次立于能源变革的风口浪尖,能否从绘本中走出,成为真正的英雄?


原画绘本中的“鹦鹉螺号”潜艇


至少,直到现在,氢仍是我们理想中最完美的燃料。


比如,某种程度上说,只有氢能源车,才是真正的新能源车。


以锂电车为例,存在充能时间长、冬季续航衰减严重、受充电设施制约等等问题。更加之,所谓的电动汽车环保,无非是把城区的污染转移到了郊区,电池污染是一个不能回避的问题。


氢能源则能很好解决这些短板:能量密度远高于锂电池、加氢过程只需3-5分钟续航500km,循环寿命4000次以上,排放的只有净水,没有污染。


去年11月的上海进博会上,当丰田Mirai第二代氢燃料电池乘用车首次在中国亮相,最大续航里程达850km,不少车迷都开了眼界。


书中的情节,这一刻似乎走进了现实。


只是,与传统锂电池相比,氢燃料电池似乎拥有无与伦比的优势。为何这么多年过去,仍没有进入商业推广阶段?



01

成本之困


上帝虽总以完美诱惑世人,但祂并未创造过完美的事物。


氢能源也一样。


首要原因,当然是成本。


比如,在日本市场,Mirai的售价为723.6万日元(约36万元人民币),另可获得200万日元的补贴,终端售价523.6万日元,而Mirai本身并不是什么高级车型。


高昂的价格劝退了很多人。



实际上,地球是个氢元素严重匮乏的星球,远低于整个宇宙75%的氢占比。


在我们这方世界,氢气单质几乎不存在,只有化合物,最常见的是水或碳氢化合物。而所谓的氢能源,即纯度较高的氢气,必须从化合物中分离、经过繁琐的制取过程才能获得。所以,在地球上,氢只能作为二次能源。



这便是第一个逻辑陷阱:所谓取之不尽用之不竭,但对其他燃料的依赖性太强。


由此可引申到第二个逻辑陷阱:氢能源是最清洁的能源,但其所依赖的上一级,却不一定清洁。


目前制氢常见技术有三种,煤制氢,天然气制氢,电解水制氢。按照生产来源划分,分别叫“灰氢”、“蓝氢”和“绿氢”。



如今,消耗的氢气95%,来自两种最常见的方法:煤炭和蒸汽甲烷(天然气)气化,重整生产。


前者耗能小,但制备1公斤氢气会排放约10公斤二氧化碳。如果我们要大力发展氢能源,肯定不是朝这个方向。


后者相对环保一些,但每制取1公斤氢气需耗电约11度。最关键的,碳捕集技术目前并没有完全克服。


而如果用电解水制氢,每制取一公斤氢则要耗电约48度,能耗之高让人不禁发出疑问,氢能产业真的有美好未来?



目前我国,虽然决心大力发展氢能源,但在现阶段,因为富煤的能源结构,仍以煤炭制氢为主。



除了上游制氢难、贵,中游的运输也是个大问题。


没错,除去核燃料,等质量氢的发热值是所有燃料中最高的,约为煤炭的6倍,乙醇的4倍,汽油的3倍。


但作为质量最轻的元素,氢气的密度太低。常温下,氢气的能量密度仅为天然气的三分之一。所以,氢气基本可以从任何容器中逸出,如何封装、储存,就成了老大难。最常见的方法有两种。


一是低温储氢,当将氢气放在-253摄氏度时,气氢变身成功,成为液氢。除了降温,要维持储氢罐体内的温度,这样就需要巨大能耗,也就是说相当于用直升飞机运输一筐廉价水果,根本得不偿失。


二种储氢方式是高压气态储氢,目前其质量储氢密度大约为4.0~5.7%。从技术成熟方面来看,高压气态储氢最成熟、成本最低,也是现阶段主要应用的储氢技术,基本能与传统加油方式相媲美。尽管这种储氢方式比较稳妥,但是对于更高的车载储氢要求如储氢量、安全性等问题,尚未有合适的解决方案。


目前国内在储氢瓶布局的企业并不多,毕竟技术难、成本高就算了,更关键的是在上下游都难有话语权,属于典型的脏活累活。


此外,目前在氢燃料电池的生产中还有一个很大的资源限制:


当然,也不仅是氢燃料电池,其他燃料电池的催化剂也用铂。


铂矿在全世界的分布却极不均衡,南非占世界铂的总储量的90%,产量也是遥遥领先。中国的铂资源只占0.58%,也就是说,我们想大规模发展氢燃料电池,就需要大量进口金属铂。



如果制氢催化剂技术不变革,可以想象得到,我们原来依赖石油,以后换成了铂,那氢燃料汽车可以说就是移动的“奢侈品”。


最后,氢能源车全面普及的另一个必要条件,要大量兴建加氢站。


加氢站有三个类型,分别是外供氢高压氢加氢站、外供氢液氢加氢站、站内水电解制氢加氢站。


我国加氢站以高压氢气加氢站为主。比如,去年11月18日,全国首座高速服务区加氢站正式落户山东,占地1640平米,耗资1160万元。


由于氢的物理特性,储运困难,氢能的基建设施尤其昂贵。设备成本在当中占百分之80左右,其中绝大多数又是花在了氢气的压缩、储存和冷却、加注系统上。


这种高投入,最终落到消费者身上,就是一笔沉重的负担。


有人测算过,将产能到耗能的全过程纳入成本测量后,氢能的消费价格远高于电能。也就是说,仅基建等方面导致的非能源成本,氢能消费者就需要比电能支付2倍以上的价钱。



总而言之,氢能产业如今的现状就是制氢贵、储氢贵、加氢贵、用氢也贵。归根结底,在于“贵”字。


甚至,贵也不是全部。



02

技术枷锁


氢作为汽车能源,首次被摆到国际舞台上,还得追溯到70年代。


第一次石油危机结束后,美国马上成立了国际氢能协会,探索燃料电池技术的开发。当年,通用汽车最早提出“氢经济”概念,希望利用氢的化学性质实现清洁能源的循环利用。


到90年代,《联合国气候变化框架公约》面世,引起了全球对气候变暖的关注,发达国家开始耗费重金寻求氢燃料电池车技术突破。


只是,随着后来国际油价回落,关于温室效应的课题关注日少,各方对氢能的热情也渐渐冷却。


所以,一晃眼半个世纪过去,氢能源仍然处在商业化前夜。


在氢能源汽车领域始终保持当初热情者,也只剩下日本。


2017年4月,在“氢能源阁僚会议”上,安倍晋三郑重宣布:“我们要领先全世界,创造一个氢能源社会!”


日本也是首个以此为目标的经济体。


只是在建设的步伐上,近乎龟速。


2021年7月,日本经济产业省(即商务部)公布的能源政策中提到,计划到2030年,要让氢、氨等新燃料的发电量占到总量的1%。


这与安倍豪情万丈的“氢能源社会”目标,相差可谓十万八千里。



在全球化的时代,一个产业要发展起来,需要各个国家在生产、运输、应用至消费各个环节通力合作,才能打造出一套完美闭环。


这就是最大的问题,日本自己一厢情愿地扎进氢能源汽车,最重要的中美市场却不跟进。


先不说一亿多人口的市场能不能玩得转。单看日本的人口结构,平均岁数在45岁以上的国民,整体上早已过了尝试新消费的劲头,更不会有冒险的狼性精神,对新产业的发展自然而然就钝化了。


这样的市场是撑不起氢能源发展的。


所以,纵使从上游的制氢技术,到中游的运输、储存,再到下游的加氢站、电池制造等全产业链,日本都牢牢把握着先发优势,但也做不大。


这也是为什么,丰田会在2015年公开5680件非核心专利,供全世界厂家无偿使用。为的就是活跃市场。


和当初马斯克的意图类似。


但无论如何,时至今天,日本的氢能技术说是独步天下,也并不夸张。全球接近70%的氢燃料汽车专利都掌握在其手中。


仅丰田一家公司,就拥有超过2.5万件专利,在系统控制、高压氢气罐、电解质膜、发动机电池装置等方面,都占据着垄断地位。



可以这样说,目前氢气电池燃料FCV的核心技术专利几乎百分百掌握在日本、德国和美国的车企手中,我们想要弯道超车,其实并不容易。


至少在现阶段,国内厂商的核心零部件基本依赖进口,做的大多是些集成组装工作,面临被卡脖子的困境。


比如莫过于气体扩散层材料——碳纤维纸。


在燃料电池进行化学反应供能的过程中,氢燃料电池气体扩散层(GDL)起到了极为重要的作用——它不仅是气相反应物和液体水的运输通道,也是反应后生成的热能和电能的传导通道。


但这种至关重要的材料,核心技术在日企东丽公司手中,其产量高达5.37万吨。而中国的该技术,尽管在2020年实现了突破,但如江苏恒神、中复神鹰等龙头企业,产量也只达到5000吨、8000吨,与之根本不在一个量级。


再具体来看。


上游。我国是世界第一制氢大国,尽管大多是灰氢和蓝氢,但技术目前相对成熟,不存在卡脖子问题。



中游。有分子态、液态和固态技术等储运,目前较成熟的是气态,液态主要用于航空航天领域,固态则是最有潜力的方向,也是未来燃料电池和储运的终极答案。日本在这个领域全面领先,我们目前加氢站的关键设备基本都依赖进口。


貌似只有惠普股份在加氢机和氢气压缩机等方面,打破了垄断。


厚普股份70MPa加氢机,来源:公司官网


下游是最卡脖子最严重的,主要有电堆、双极板、膜电极、质子交换膜、扩散层,以及汽车里必需的氢循环泵、空气压缩机等八项技术。


总体而言,当前的氢燃料电池,基本与5年前的电动汽车相似。



就目前看来,尽管入局其中的企业很多,但真正颠覆式创新的技术很少,更多仍是在应用中迭代,在成熟理论上做应用创新,比发力底层技术的收益更大。


简而言之,这些公司看似进入了一个新兴行业,实际上依赖的仍是传统行业的经验技术。


如果仍只是单纯追求整车生产的组装厂的投产,并急于达成在2030年生产100万台的氢能源汽车的目标,很可能就会重复当年的“拿市场换不了技术”的弯路。


当然,对于这种未来技术,到底行不行,主要取决于国家意志,取决于国家需要的进度。


就像当年一样。


03

势在必行


有人说,并不是比亚迪在新能源领域比丰田强,只是因为比亚迪背后是中国。


这是有道理的。


1992年,已是耄耋老人的钱学森先生给时任国务院总理邹家华写了一封信,建议大力发展电动车,“要组织力量,中国有能力跳过一个台阶,直接进入汽车的新时代。”


这个新时代,也就是我们现在看到的电动车时代。



从某种程度而言,只有新能源转型成功后,中国经济才可能摆脱对房地产的重度依赖。


今天回首再看,这个目标已经接近实现,产业中涌现出多家十倍大牛股。


我们的汽车产业也终于弯道超车,取得了难得的地位,此时肯定要乘胜追击,扩大我国市场的影响力。


氢能源是未来确定的增量方向。


毕竟,从终极方向看,锂电池属于过渡产品,为的是应对石油问题,就好像5G一样。而氢能源即便成本再高,也必须跟上,没得选择。



日本人发明了锂电池,韩国人把它做大,中国人把它做到世界第一。假如我们不是世界第一,我们没有存在的价值。


曾毓群道出了中国在锂电产业上的野心和骄傲,而对于氢能源产业,中国同样是雄心勃勃。


2019年,氢能源被首次写入《政府工作报告》,随后便出台了《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》,根据规划,力争到2030年实现加氢站数量1000座,燃料电池车200万辆。


传统能源企业和新能源企业纷纷响应,中石化和隆基分别为两大阵营中的先锋。


比如隆基,从2018年就开始关注和布局可再生能源电解制氢,近三年来都在持续研究,在电解制氢装备、光伏制氢等领域已经形成了技术积累。


而在碳中和的趋势下,可再生能源电解制氢有望成为最主要的制氢方式,市场需求和发展空间也进一步打开。


今年以来,国内的氢能产业,突然走上快车道,一路狂奔。


3月,《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》重磅出台,给整个行业带来期盼多年的顶层设计。



伴随近期国家和地方对氢能的政策鼓励,江苏神通、亿华通、上汽集团、长城汽车、海马汽车等多家产业链上市公司加速驶入氢能赛道。


这个时候,恰逢俄乌打得不可开交,化石能源的供需格局陷入动荡,本就在双碳议题中被捧红的氢能,热度再次飙升。


所以,在未能攻克成本问题的当下,氢能源的魅力,并不在于其是否廉价,而在于打开了真正进入清洁能源的数字电气化科技时代。


这种能源科技普及,也许并不亚于当年蒸汽轮机的蒸汽革命。



04

结语


把大象关进冰箱需要分几步?这是一个经典笑话。


然而在今天,我们不得不对着能源产业问,把氢能送进汽车里需要分几步?


当笑话成为现实,便不那么好笑了。


氢能产业,很简单也很复杂。上文介绍得很清楚了,从制取到使用的每一个环节,都是高山仰止。


当然,难题也代表着机遇,谁能率先解决产业痛点,谁就能先一步踏上新时代的游轮。

丰田章男泽不止一次强调氢能才是终极能源。只是在马斯克眼里,氢动力汽车是一个“愚蠢得令人难以置信”的想法。


站在商业竞争角度,出现这两种极端的理念并不奇怪。但从客观现实来看,两人的观点其实都是错的。


在未来,氢能源必然是新能源大家庭的重要补充,前提是完成有效降本。尽管有政策的支持,但行业目前的能见度和确定性都不高。


前途是光明的,但道路也一定是曲折的。用投资的话来说就是,氢能源是风口,但现在还不是炒作的时候。


正如火箭科学家罗伯特祖布林,曾在《能源的胜利》一书中谈到后石油时代的未来:氢只有在最坏的情况下,才可能成为汽车的能源”。


最后,送大家一句话:


等不起三年五年,别买氢能源。



全文完,感谢阅读。


 END 


参考资料

REFERENCE MATERIAL


[1] 氢舟已过万重山,《中国远洋海运》2022

[2] 瓶颈不除,氢重不得,《中国石油石化》2021

[3] 日本寻求打造全球化氢能源供应链,《新华每日电讯》2011

[4] 氢能新世界——我国氢能产业发展现状、困境和对策,《中国石油企业》2021

[5] 日本“氢能社会”建设经验及对我国的启示,《日本研究》2021

[6] 日本半导体产业发展得失以及对中国的启示,《中国经贸导刊》2018

[7] 氢基站备电产业困境,《能源》2014

[8] 运用智慧能源破解5G基站高耗能难题,《国际融资》2019

[9] 氢能源替代石油能源产业的可能性探讨,《节能与环保》2018

[10] 《氢的未来》——国际能源署发布重磅报告,《化工时刊》2019


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