氫能，不溫不火
去年國慶期間，我去了一趟成都，除了感慨于當?shù)氐囊故形幕?，另一件印象深刻的事情，便是氫能汽車的普及?/p>
去青城山景點之前，我們在當?shù)卮蜍嚻脚_上，叫了一輛氫能轎車，沒有發(fā)動機的轟鳴，也不是電動車的蜂鳴聲，隱約能聽到壓縮機工作的聲音，但行駛和啟動、加速體驗，與電動車類似，因為氫能車的基礎原理是“氫燃料電池”，即通過燃燒反應，將化學能轉化為電能，驅動氫能車行駛，排放的是純凈水。
在行駛到半途時，司機拐進了中石化加油站，為氫能車充氫氣。不同于燃油車熄火即可，轎車加注氫氣時，除了熄火外，車上人員都要下車，與加氫點保持二十米左右的距離。司機打開前車蓋，觀察氫氣瓶的情況，再合上車蓋，氫氣從充氣口充入。大約等了五分鐘，充氣完成，再上車，司機啟動，開走。
相較于燃油車的大排長隊，氫能源車即來即充，或許這也能看出，氫能車滲透率并不高。曾有媒體統(tǒng)計過一個數(shù)據(jù)，在北京，汽車加油站大約有1000個，能提供加氫氣的站點只有10個，這十個還有不少在冬奧會結束后，就關閉了。
放眼國內市場，全國加油站總數(shù)超過了12萬座。加氫站是多少呢？據(jù)國家能源局相關人士透露，全國累積建成加氫站是250座。而即使放大到全球市場，據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2021年底，全球共有659座加氫站投入運營，中日韓加氫站總和占比64%。
全球的加氫站總數(shù)，還沒有北京市的加油站多。
相較于人們將清潔能源的美好愿望，投射到氫能之上，氫能的應用市場卻遇冷。
A面和B面
2000年，美國小布什總統(tǒng)在國情咨詢會上，曾面向全球媒體公布，美國政府將投入12億美元，全社會預計總投入上千億美元，砸錢培育氫能源汽車產業(yè)，讓氫能源汽車開遍美國的大街小巷。
今天再回過頭來看，當初的雄心，不過是一時口快。
作為排在元素周期表第一位的“氫”，其原子質量最小，也是宇宙中含量最多的物質，占宇宙物質總量的75%，太陽核心每秒鐘參與核聚變的氫，約有6億噸。
在能量轉換上，氫的燃燒熱值高，能量密度高，1kg氫燃燒產生的能量，是1kg汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。氫燃燒的產物是水，是世界上最干凈的能源，資源豐富，可持續(xù)發(fā)展。
所有這些美好，卻無法解決現(xiàn)實應用中的問題。
特斯拉CEO馬斯克曾下場，怒噴豐田、本田和現(xiàn)代堅持的氫燃料電池，就是智商稅，“氫燃料電池蠢得讓人難以置信”“氫燃料電池不可能成功”“這就是垃圾”等等直白的話，馬斯克反復念叨。無獨有偶，比亞迪董事長王傳福也炮轟：“對于民用新能源汽車，換電和氫能都是扯淡?！?/p>
之所以是“智商稅”，原因不外乎一個字——“貴”，它體現(xiàn)在三個維度：
儲氫運氫成本高
氫氣能量密度高，但其體積能量密度很小，1立方米氫氣產生的能量，低于同體積的天然氣，更遑論和汽油相比。對于汽車而言，其體積是有限的，體積能量密度更為關鍵，要提高氫氣的單位體積能量，你基本就得靠提高壓強。
為了讓每立方米氫氣增加3.2度電的能量，你需要把壓強加到350個大氣壓，汽車輪胎也就5個大氣壓。一般儲氫罐所用材料為碳纖維，防止氫氣腐蝕滲透，這也無疑提升了成本。此外，氫燃料電池的催化劑材料是“鉑”。沒錯，就是鉑金項鏈的“鉑”，它的材料成本就占到了氫燃料電池的60%。
能源專家劉科曾評價道，液體能源體積能量密度高，可陸上管道輸送，也可跨海運輸，長期儲存，而氫氣均不具備以上優(yōu)點。氫氣體積能量很低，同時氫氣是最小分子的氣體，容易發(fā)生泄露，存儲和運輸成本太高。
安全成本大
氫氣爆炸的濃度范圍很寬，在4%-74%的濃度之間，遇到火星即爆炸。
在開放空間還好，氫氣泄漏不大可能造成整車爆炸，若在地下停車場之類的密閉空間里，氫氣爆炸會造成巨大的損毀。如若連鎖反應，即在密閉空間里，一輛氫能車爆炸，并引爆了其他的氫能車，威力足以摧毀一棟大樓。
因此，帶高壓氫罐燃料電池車如若普及，需對已建成的地下停車場進行改造，這是一項巨大的社會成本。
加氫站的投資高昂
氫氣易泄露，易爆炸，加氫站要與居民區(qū)保證一定距離，其占地面積一般為5畝地。尤其對于寸土寸金的北上廣深杭而言，加氫站的商業(yè)化倍受阻礙。
據(jù)中國氫能聯(lián)盟數(shù)據(jù)，我國建設一座日加氫能力500kg、加注壓力為35MPa的加氫站投資成本接近1200萬元（不含土地費用），約相當于傳統(tǒng)加油站的3倍。其中設備成本占投資成本（不含土地費用）的80%以上，但每公斤氫氣毛利只有十幾元。
A面，是氫能的清潔性，高效燃燒“自己”，排出純凈水；B面，是氫氣制取、運輸和基礎設施的成本之踵。
三個“五年規(guī)劃”
氫氣，像極了一位天才型的選手，發(fā)展?jié)摿Ω撸愿癖┰?，桀驁不馴，管理成本很高，氫能的發(fā)展，離不開政策層面的扶持。
在碳達峰、碳中和的“雙碳目標”之下，國內氫能產業(yè)發(fā)展規(guī)劃逐步明確。在《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》中，氫能產業(yè)在能源體系中的角色定位確立， 氫能是未來國家能源體系的重要組成部分、用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉型的重要載體、戰(zhàn)略性新興產業(yè)和未來產業(yè)重點發(fā)展方向。
（1）到2025年，初步建成較完整供應鏈、產業(yè)體系，燃料電池車保有量約5萬輛（2021年，中國大陸市場出售約320萬輛電動車），可再生能源氫量達10萬噸-20萬噸/年，實現(xiàn)CO?減排100萬噸-200萬噸/年；
（3）到2035年，形成氫能產業(yè)體系，構建涵蓋交通、儲能、發(fā)電、工業(yè)等領域的多元氫能應用生態(tài)。
從制氫、儲運、加氫網絡，到儲能、分布式發(fā)電和工業(yè)領域等應用層面，再到加大對質子交換膜等核心材料技術的研發(fā)投入?！兑?guī)劃》從頂層設計上，完善了氫能的發(fā)展方向。
我國對氫能的重視，離不開兩大原因：其一，服務于國家能源安全，我國石油能源并不豐富，以2021年數(shù)據(jù)為例，中國石油產量為499萬桶/日，石油消費量為1527萬桶/日，四分之三以上依賴進口；其二，解決環(huán)境污染和碳排放問題，當氫在能源中占比越高，排放的碳和其他污染物就越少。
要了解一個產業(yè)的現(xiàn)狀，就需要理解它的全貌，我將從生產、儲運和應用三個維度，去拆解分析氫能的現(xiàn)在和將來。
生產、儲運和應用
氫能產業(yè)的源頭，便是氫氣的制取。
就像發(fā)電一樣，氫氣制取的過程，也是耗能的過程。
作為全球最大的產氫國，中國年產氫量為3300萬噸。如果從數(shù)字上來看，這是一個龐大的規(guī)模。但若換算成能量，3300萬噸氫約等于1.5億噸煤，產氫總量相當于年煤消耗量的4%。
在制氫方法當中，最大頭是化石能源制氫（如煤制氫、天然氣制氫），占比達到的80%，消耗化石能源制取出來的氫氣，稱作“灰氫”，它無法推動“雙碳目標”，后續(xù)會被嚴控；
其次是工業(yè)副產氫，顧名思義，就是在工業(yè)生產中，附帶產生的氫氣，也被稱之為“藍氫”。相較于會產生碳排放“灰氫”，以及制造成本高昂的“綠氫”，工業(yè)副產氫是更契合實際的產氫方式，諸如焦爐煤氣、煉廠氣和氯堿化工尾氣等氣體副產氫氣資源豐富。
在我國的能源結構中，呈現(xiàn)出“貧油少氣富煤”，焦爐煤氣資源豐富，焦爐煤氣年均產量在900億立方米左右（標準大氣壓下），其中的氫氣含量約為720萬噸，占到年總產氫量的21.82%。
例如，打造全產業(yè)鏈優(yōu)勢的山西美錦能源，擁有儲量豐富的煤炭和煤層氣資源，現(xiàn)有煤炭焦化產能715萬噸/年。在2021年報及2022一季報中，受益于焦炭價格不斷走高，美錦能源2021年營收212.9 億元，同比增長66%，歸母凈利潤25.7 億元，同比增長269%。
其2022年業(yè)績或將受益于氫能產業(yè)發(fā)展，目前美錦能源擁有“煤-焦-氣-化”一體化的完整產業(yè)鏈。相較于天然氣、煤炭制氫等方式，焦爐氣副產氫成本更低。美錦能源副產品焦爐煤氣，富含55%氫氣，因此擁有了目前低成本、大規(guī)模制氫的重要途徑。美錦能源也正由傳統(tǒng)能源，向氫能源轉型升級，構成焦化主業(yè)與氫能板塊協(xié)同效應。
此外，在中國的煤炭結構當中，高硫高灰的劣質煤，占總儲量比例達40%-50%。這類煤無法直接燃燒，加工成可燃煤的成本過高，卻是生產甲醇的重要原材料。
甲醇也是目前主流的制氫材料，正如氫能源專家劉科所說：“甲醇在線制氫比汽油制氫都要簡單很多。這樣做了以后，實際上甲醇和水重整，產生的氫氣直接通過電堆發(fā)電，電就可以驅動汽車。哪用電的時候哪去制氫，同時發(fā)電，這是氫能的未來?！?/p>
除了“灰氫”和“藍氫”之外，剩下的就是“綠氫”，即通過風光等可再生能源，來電解水制取氫氣。這一過程不會產生碳排放，也是最清潔的氫氣生產方式。正如上文所述，綠氫制取很高。在當下制氫組成結構上，綠氫占3300萬噸的總量比例，不到5%。只有當太陽能、風能發(fā)電便宜之后，電解水制氫才有商業(yè)化的可能。
作為全球最大的太陽能制綠氫企業(yè)，寶豐能源在2019年首次嘗試規(guī)模化生產綠氫，即利用太陽能光伏電站，電解水來制取氫氣，單臺電解槽產氫量達到1000m3/小時（標準大氣壓），當前總制氫規(guī)模達30000m3/小時（標準大氣壓），并沿著氫能交通和氫能全產業(yè)鏈的兩大方向，不斷深入發(fā)展氫能產業(yè)，構建起“制氫、補氫、儲氫、運氫、加氫、用氫”于一體的綠氫全產業(yè)鏈。
因此，在雙碳目標之下，中國氫能產業(yè)短期靠“藍氫”，中長期靠“綠氫”。誠然，綠氫的發(fā)展，還遇到很多現(xiàn)實問題，例如綠氫發(fā)電是直流電，若要上網，則需要轉化成交流電，而當企業(yè)需要用電時，又需要將交流電，變成直流電。轉化過程無疑會產生能量的損耗，能否將綠氫發(fā)電，直接應用于企業(yè)用電，減少上網帶來的損耗，這需要政策層面的配合。
回溯氫氣在中國的發(fā)展歷史，在很長一段時間里，氫氣主要承擔著工業(yè)生產原料的角色，例如在化工產業(yè)中，氫氣是合成氨和甲醇的重要原料，在石油中加注氫氣提升油的品質，尼龍塑料、農藥化肥和冶金中都有氫的身影。
當下，國家對氫能產業(yè)的規(guī)范和扶持，將氫推到了能源載體的屬性上來。業(yè)內人士預測道，到2030年，國內市場對氫能的需求，將接近4000萬噸，到了2050年，若煤炭發(fā)電占比降到20%以下，我們對氫能的需求超過6000萬噸，市場空間很大。
相較于制氫，氫氣的儲運成本更高。
以加氫站為例，業(yè)內人士估測，氫氣制取成本約為20元/kg，但加氫站終端售價達80元/kg，儲運成本占絕對的大頭，這限制了氫能的大規(guī)模普及。
據(jù)國聯(lián)證券分析，氫能發(fā)展初期，氫用量及半徑相對較小，此時高壓氣態(tài)儲運更具性價比；氫能發(fā)展中期，氫氣需求半徑將逐步提升，將以氣態(tài)和低溫液態(tài)為主；遠期來看，高密度、高安全管道輸氫將被實現(xiàn)。
總體而言，氫能儲運將按照“低壓到高壓”“氣態(tài)到多相態(tài)”的方向發(fā)展，由此逐步提高氫氣儲存和運輸?shù)哪芰Α?/p>
當下，氫能儲運有三類主流的嘗試。
其一，在太陽能、風能和水能充沛的地區(qū)，建立示范區(qū)，圍繞氫能生產建立配套產業(yè)，將棄風、棄光和棄水的能量利用起來，實現(xiàn)“當?shù)亻_發(fā)，當?shù)乩谩薄?/strong>
例如四川豐水期的水電、東部海上風電和西北部的太陽能等，都可因地制宜。在張家口示范區(qū)，棄風發(fā)電的電價，控制在0.15元/度-0.2元/度，而電費占制氫成本的比例超過70%，這極大降低了氫氣的制取成本。張家口也圍繞氫能，將物流貨運車輛，置換為氫能汽車，并搭建了一個產業(yè)生態(tài)，由點及面地發(fā)展氫能產業(yè)。
讓能源產地和用能市場合為一處的示范區(qū)模式，能加速雙碳目標的實現(xiàn)。在我國碳排放的組成上，工業(yè)生產的碳排放占比70%，而大眾關注度更高的交通領域，實際占比只有10%左右。寧夏省寧東工業(yè)區(qū)正是利用當?shù)刎S富的太陽能資源，布局光電制氫，年綠氫需求量達124萬噸，二氧化碳排放量減少了3000萬噸。
其二，氫氣不像液體能源，難以從西部拉到東部，因此將氫能液態(tài)化，成為一種提升使用半徑的方式。
氫氣液態(tài)化有兩種方式，一是，低溫高壓制成液氫，進行遠距離運輸，這一模式尚在嘗試階段。日本川崎重工已試驗了液氫跨海運輸技術，通過全球第一艘液化氫運輸船，歷時三周半的時間，將澳大利亞的液氫海上運輸?shù)饺毡荆?/p>
更經濟的液化方式，還有將氫氣和氧氣混合，并加入一點碳源，通過化學反應將氫氣變成液體，比如說綠色甲醇，它可在常溫常壓下儲運，需要用氫氣時，再釋放出氫氣即可；
其三，便是管道運輸，這也是最便宜的輸氫方式之一，有“混氫管道”和“純氫管道”兩種方式。
混氫管道，即借助西氣東輸管道，在天然氣中摻入25%的氫氣，運輸?shù)綎|部直接燃燒，也可以分離出氫氣，供燃料電池使用。純氫管道運輸?shù)膰L試中，中石油在內蒙古自治區(qū)包頭市建了一條202公里的純氫管道，其運輸成本比特高壓送電還要低，特高壓送電的運輸成本是7分錢一度電，氫是三分錢一度電。
無論通過燃料電池發(fā)電上網，還是液體氫能的管網、氫氣的氣網，三網融合構建氫能輸送體系，才能高效地實現(xiàn)清潔能源的利用。
儲運之后，還有加氫網絡的建設。
當下加氫網絡的設計思路，是優(yōu)先利用現(xiàn)有加油加氣站的場地設施，改擴建加氫站，嘗試站內制氫、儲氫和加氫一體化。到2035年，中國大陸市場的加氫站建設目標，至少達到5000座，2020-2035年的年復合增長率達28%。
可預見的是，隨著氫能布局的深入，必將拉動一波基建的規(guī)模投入。
在終端的應用層面，氫能有四大塊應用場景：交通、儲能、發(fā)電和工業(yè)。
若要普及氫能的應用，需要找到一定適合的場景先發(fā)展起來，形成規(guī)模化應用后，再倒推產業(yè)升級提效，進而降低氫氣的制造成本。而氫能汽車無疑是備受期待的應用場景。
要讓氫能汽車普及開來，離不開兩個靈魂拷問：買車成本、用車成本。
氫能源汽車行業(yè)尚處早期發(fā)展階段，遠未達到電動汽車的普及率，沒有形成規(guī)模效應，意味著買車成本高昂。其中，氫燃料電池及儲氫系統(tǒng)占據(jù)了氫能車總成本的65%，對比來看，鋰電池占電動汽車總成本的40%，并有望在2024年降低到10%。
若要降低氫能汽車購置門檻，除了規(guī)?；瘧靡酝?，國產化率也不可或缺。在儲氫瓶上，國際主流燃料電池乘用車批量使用的，是70MPaI V型儲氫瓶。此前，乘用車用儲氫瓶是塊小蛋糕，在國內處于空白期，而隨著燃料電池汽車站上了風口，國內企業(yè)也逐步攻克了儲氫瓶技術，例如沈陽斯林達安科、北京京城股份都已經在推進量產準備。
相較于國內市場的“破冰期”，國際企業(yè)已然形成了一條成熟的產業(yè)鏈，挪威Hexagon、日本豐田、法國佛吉亞等企業(yè)已實現(xiàn)量產，并應用在不同車型之上。此外在消費端，70MPa IV型儲氫瓶也受到質疑，在傳統(tǒng)認知當中，氣壓越高越危險，國內目前車載儲氫系統(tǒng)基本采用35MPa III型瓶，要發(fā)展70MPa儲氫瓶，還需要國家標準進一步明確，以及氫能汽車的加速普及。
在氫燃料電池上，其原理是通過氫氣和空氣中氧氣混合，在90°C左右的溫度下，將化學能轉化電能，進而驅動汽車運轉。雖然名字里帶“燃料”二字，但它是化學反應轉化為電能，轉化效率達到60-80%，為內燃機的2-3倍。
此外，氫能車核心材料大多數(shù)為二次材料、有機材料，隨著氫能車的逐漸普及，材料成本會下降，而非像電動汽車，受困于鈷鎳鋰等原材料價格上漲，而在回收方面，氫能車雖然也用貴金屬，但回收技術要求比電動汽車更低。
在燃料電池分型上，有七種類型，氫燃料電池汽車所采用的主要是質子交換膜燃料電池，這其中包含了十一項關鍵技術——電堆、膜電極、質子交換膜、催化劑、氣體擴散層、雙極板、燃料電池系統(tǒng)、空壓機、氫氣循環(huán)泵、DC/DC、加濕器。在下圖中可以清晰地看到，氫燃料電池技術裝備國產化，還有很長的一段路要走。
以質子交換膜技術為例，目前主流的材料為全氟質子交換膜。截至2020年，美國的科慕、比利時索爾維、日本旭化成三家，就壟斷了全球 90%以上的產能，國內對全氟磺酸樹脂進口依賴度高達99%。
因此，氫燃料電池核心技術攻關，國家會進行大力扶持，在形成逐步國產替代之后，氫燃料電池成本也會逐步下降。億華通公司常務副總經理于民曾對外闡述道，從2015年以來，氫能發(fā)動機成本每年都下降約30%
在最終的應用層面，目前先行推進的是氫能重型車輛，延伸到新能源客、貨汽車，以及在船舶、航空器等領域的應用，提升氫能在交通行業(yè)的應用。
以《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0》的發(fā)展規(guī)劃為參考，2020-2030年，氫燃料電池汽車的保有量的增長空間達十年百倍?，F(xiàn)階段燃料電池成本較高，其推廣應用依賴政策和補貼。
正如中國電動車產業(yè)崛起的背后，是國家自2010年開始的補貼政策，前后投入了上萬億元。截止2021年10月，中國成為全球新能源汽車第一大技術來源國，專利申請量占全球總量的66.79%。
氫能車的發(fā)展，是中國氫能產業(yè)的縮影，這是從0到1的過程，而任何一個新生產業(yè)，脫離了補貼，就難以發(fā)展起來。
氫能的第四波浪潮
1969年，美國的“阿波羅11號”宇宙飛船，載著三名宇航員登上月球，當阿姆斯特朗踏上月球表面，留下了那段流傳至今的名句——這只是我一個人的一小步，但卻是整個人類的一大步。
或許，這也像是一聲啼哭，代表著氫能產業(yè)呱呱墜地。阿波羅飛船登月時，攜帶的正是液氫液氧，氫能發(fā)電供飛船儀器使用，化學反應產生的純凈水，供宇航員飲用，這是氫能的第一波浪潮。
時間來到70年代，以阿戰(zhàn)爭和雙伊戰(zhàn)爭爆發(fā)，國際原油市場產生劇烈波動，隨之而來的兩次能源危機，沖擊著歐美經濟，也推動了氫能的第二波浪潮。美國在70年代首次提出“氫經濟”概念，將氫氣作為可能取代石油的未來能源，燃料電池技術快速發(fā)展，并在交通、航空航天和發(fā)電等領域推廣開來。
當環(huán)保意識和綠色經濟成為共識，始于90年代至今的氣候變化問題，推動了包含氫能在內的清潔能源的發(fā)展，這也是氫能的第三波浪潮。但這一波浪潮在頁巖氣技術突破，油價下行的背景下，偃旗息鼓。
隨著碳交易市場的建立，以及“雙碳”的游戲規(guī)則下，第四波氫能浪潮已鼓起大帆。它不僅是出于地球公民角色的踐行，更是未來企業(yè)競爭力的關鍵。2020 年，特斯拉公司實現(xiàn)盈利，年凈利潤為7.21 億美元，當年其電動汽車業(yè)務仍在虧損，但通過“賣碳”賺取了15.8 億美元，也就是在國際碳交易市場，賣出了用不完的碳排放額度。
第四波氫能浪潮已至，這一次浪潮的中心，來到了中國，無論是市場規(guī)模，還是“雙碳目標”下的能源轉型決心，中國氫能產業(yè)道阻且長，但也必將拉起一波主升浪。
部分內容參考自：
國際氫能戰(zhàn)略回顧分析｜海南省綠色金融研究院
氫能時代還有多遠？｜央視財經《對話》欄目
氫能及燃料電池專題研究｜天風證券
為什么氫能不是人類終極能源？｜能源專家劉科
氫能源市場發(fā)展藍圖｜國際能源署
中國氫能及燃料電池產業(yè)手冊｜中國氫能聯(lián)盟
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編輯：Mark
