氫能源崛起之困

 

請想象一下。

一種新燃料，不僅能加熱製冷，還能以不同規模發電，乃至驅動各種發動機，並廣泛應用於家庭、工業和運輸等幾乎所有領域。

另外，儘管聽起來不太真實，這種燃料不會產生任何輻射、顆粒物、大氣污染物，且來源無處不在，地球的任何角落都儲備豐富。

因為它，世界不再有能源困擾，與之衍生出的貪婪、地緣衝突、戰爭，都將一去不返。

這樣的夢想能實現嗎？

1869年，在科幻鼻祖儒勒·凡爾納筆下，《海底兩萬里》中可怕的「鸚鵡螺號」潛艇用之不竭的燃料，便是氫氣。

也是從彼時開始，氫能源作為最友好、最清潔的終極能源，始終活在人類的幻想中。

2H2+O2=2H2O，這個化學方程式就像巴赫的二部創意曲，簡潔卻藴含巨大的能量。當氫以遊離氣體形式存在時，按重量計算的能量密度，讓任何化石燃料都自慚形穢。

時過境遷，150年后的今天，當氫能源再次立於能源變革的風口浪尖，能否從繪本中走出，成為真正的英雄？

 

 

原畫繪本中的「鸚鵡螺號」潛艇

至少，直到現在，氫仍是我們理想中最完美的燃料。

比如，某種程度上説，只有氫能源車，纔是真正的新能源車。

以鋰電車為例，存在充能時間長、冬季續航衰減嚴重、受充電設施制約等等問題。更加之，所謂的電動汽車環保，無非是把城區的污染轉移到了郊區，電池污染是一個不能迴避的問題。

氫能源則能很好解決這些短板：能量密度遠高於鋰電池、加氫過程只需3-5分鍾續航500km，循環壽命4000次以上，排放的只有淨水，沒有污染。

去年11月的上海進博會上，當豐田Mirai第二代氫燃料電池乘用車首次在中國亮相，最大續航里程達850km，不少車迷都開了眼界。

書中的情節，這一刻似乎走進了現實。

只是，與傳統鋰電池相比，氫燃料電池似乎擁有無與倫比的優勢。為何這麼多年過去，仍沒有進入商業推廣階段？

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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成本之困

 

上帝雖總以完美誘惑世人，但祂並未創造過完美的事物。

氫能源也一樣。

首要原因，當然是成本。

比如，在日本市場，Mirai的售價爲723.6萬日元（約36萬元人民幣），另可獲得200萬日元的補貼，終端售價523.6萬日元，而Mirai本身並不是什麼高級車型。

高昂的價格勸退了很多人。

 

 

實際上，地球是個氫元素嚴重匱乏的星球，遠低於整個宇宙75%的氫佔比。

在我們這方世界，氫氣單質幾乎不存在，只有化合物，最常見的是水或碳氫化合物。而所謂的氫能源，即純度較高的氫氣，必須從化合物中分離、經過繁瑣的製取過程才能獲得。所以，在地球上，氫只能作為二次能源。

 

 

這便是第一個邏輯陷阱：所謂取之不盡用之不竭，但對其他燃料的依賴性太強。

由此可引申到第二個邏輯陷阱：氫能源是最清潔的能源，但其所依賴的上一級，卻不一定清潔。

目前制氫常見技術有三種，煤制氫，天然氣制氫，電解水制氫。按照生產來源劃分，分別叫「灰氫」、「藍氫」和「綠氫」。

 

 

如今，消耗的氫氣95%，來自兩種最常見的方法：煤炭和蒸汽甲烷（天然氣）氣化，重整生產。

前者耗能小，但製備1公斤氫氣會排放約10公斤二氧化碳。如果我們要大力發展氫能源，肯定不是朝這個方向。

后者相對環保一些，但每製取1公斤氫氣需耗電約11度。最關鍵的，碳捕集技術目前並沒有完全克服。

而如果用電解水制氫，每製取一公斤氫則要耗電約48度，能耗之高讓人不禁發出疑問，氫能產業真的有美好未來？

 

 

目前我國，雖然決心大力發展氫能源，但在現階段，因為富煤的能源結構，仍以煤炭制氫為主。

 

 

除了上游制氫難、貴，中游的運輸也是個大問題。

沒錯，除去核燃料，等質量氫的發熱值是所有燃料中最高的，約為煤炭的6倍，乙醇的4倍，汽油的3倍。

但作為質量最輕的元素，氫氣的密度太低。常温下，氫氣的能量密度僅為天然氣的三分之一。所以，氫氣基本可以從任何容器中逸出，如何封裝、儲存，就成了老大難。最常見的方法有兩種。

一是低温儲氫，當將氫氣放在-253攝氏度時，氣氫變身成功，成為液氫。除了降温，要維持儲氫罐體內的温度，這樣就需要巨大能耗，也就是説相當於用直升飛機運輸一筐廉價水果，根本得不償失。

二種儲氫方式是高壓氣態儲氫，目前其質量儲氫密度大約為4.0～5.7%。從技術成熟方面來看，高壓氣態儲氫最成熟、成本最低，也是現階段主要應用的儲氫技術，基本能與傳統加油方式相媲美。儘管這種儲氫方式比較穩妥，但是對於更高的車載儲氫要求如儲氫量、安全性等問題，尚未有合適的解決方案。

目前國內在儲氫瓶佈局的企業並不多，畢竟技術難、成本高就算了，更關鍵的是在上下游都難有話語權，屬於典型的髒活累活。

此外，目前在氫燃料電池的生產中還有一個很大的資源限制：鉑。

當然，也不僅是氫燃料電池，其他燃料電池的催化劑也用鉑。

鉑礦在全世界的分佈卻極不均衡，南非佔世界鉑的總儲量的90%，產量也是遙遙領先。中國的鉑資源只佔0.58%，也就是説，我們想大規模發展氫燃料電池，就需要大量進口金屬鉑。

 

 

如果制氫催化劑技術不變革，可以想象得到，我們原來依賴石油，以后換成了鉑，那氫燃料汽車可以説就是移動的「奢侈品」。

最后，氫能源車全面普及的另一個必要條件，要大量興建加氫站。

加氫站有三個類型，分別是外供氫高壓氫加氫站、外供氫液氫加氫站、站內水電解制氫加氫站。

我國加氫站以高壓氫氣加氫站為主。比如，去年11月18日，全國首座高速服務區加氫站正式落户山東，佔地1640平米，耗資1160萬元。

由於氫的物理特性，儲運困難，氫能的基建設施尤其昂貴。設備成本在當中佔百分之80左右，其中絕大多數又是花在了氫氣的壓縮、儲存和冷卻、加註系統上。

這種高投入，最終落到消費者身上，就是一筆沉重的負擔。

有人測算過，將產能到耗能的全過程納入成本測量后，氫能的消費價格遠高於電能。也就是説，僅基建等方面導致的非能源成本，氫能消費者就需要比電能支付2倍以上的價錢。

 

 

總而言之，氫能產業如今的現狀就是制氫貴、儲氫貴、加氫貴、用氫也貴。歸根結底，在於「貴」字。

甚至，貴也不是全部。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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技術枷鎖

 

氫作為汽車能源，首次被擺到國際舞臺上，還得追溯到70年代。

第一次石油危機結束后，美國馬上成立了國際氫能協會，探索燃料電池技術的開發。當年，通用汽車最早提出「氫經濟」概念，希望利用氫的化學性質實現清潔能源的循環利用。

到90年代，《聯合國氣候變化框架公約》面世，引起了全球對氣候變暖的關注，發達國家開始耗費重金尋求氫燃料電池車技術突破。

只是，隨着后來國際油價回落，關於温室效應的課題關注日少，各方對氫能的熱情也漸漸冷卻。

所以，一晃眼半個世紀過去，氫能源仍然處在商業化前夜。

在氫能源汽車領域始終保持當初熱情者，也只剩下日本。

2017年4月，在「氫能源閣僚會議」上，安倍晉三鄭重宣佈：「我們要領先全世界，創造一個氫能源社會！」

日本也是首個以此為目標的經濟體。

只是在建設的步伐上，近乎龜速。

2021年7月，日本經濟產業省（即商務部）公佈的能源政策中提到，計劃到2030年，要讓氫、氨等新燃料的發電量佔到總量的1%。

這與安倍豪情萬丈的「氫能源社會」目標，相差可謂十萬八千里。

 

 

在全球化的時代，一個產業要發展起來，需要各個國家在生產、運輸、應用至消費各個環節通力合作，才能打造出一套完美閉環。

這就是最大的問題，日本自己一廂情願地扎進氫能源汽車，最重要的中美市場卻不跟進。

先不説一億多人口的市場能不能玩得轉。單看日本的人口結構，平均歲數在45歲以上的國民，整體上早已過了嘗試新消費的勁頭，更不會有冒險的狼性精神，對新產業的發展自然而然就鈍化了。

這樣的市場是撐不起氫能源發展的。

所以，縱使從上游的制氫技術，到中游的運輸、儲存，再到下游的加氫站、電池製造等全產業鏈，日本都牢牢把握着先發優勢，但也做不大。

這也是為什麼，豐田會在2015年公開5680件非核心專利，供全世界廠家無償使用。為的就是活躍市場。

和當初馬斯克的意圖類似。

但無論如何，時至今天，日本的氫能技術説是獨步天下，也並不誇張。全球接近70%的氫燃料汽車專利都掌握在其手中。

僅豐田一家公司，就擁有超過2.5萬件專利，在系統控制、高壓氫氣罐、電解質膜、發動機電池裝置等方面，都佔據着壟斷地位。

 

 

可以這樣説，目前氫氣電池燃料FCV的核心技術專利幾乎百分百掌握在日本、德國和美國的車企手中，我們想要彎道超車，其實並不容易。

至少在現階段，國內廠商的核心零部件基本依賴進口，做的大多是些集成組裝工作，面臨被卡脖子的困境。

比如莫過於氣體擴散層材料——碳纖維紙。

在燃料電池進行化學反應供能的過程中，氫燃料電池氣體擴散層（GDL）起到了極為重要的作用——它不僅是氣相反應物和液體水的運輸通道，也是反應后生成的熱能和電能的傳導通道。

但這種至關重要的材料，核心技術在日企東麗公司手中，其產量高達5.37萬噸。而中國的該技術，儘管在2020年實現了突破，但如江蘇恆神、中復神鷹等龍頭企業，產量也只達到5000噸、8000噸，與之根本不在一個量級。

再具體來看。

上游。我國是世界第一制氫大國，儘管大多是灰氫和藍氫，但技術目前相對成熟，不存在卡脖子問題。

 

 

中游。有分子態、液態和固態技術等儲運，目前較成熟的是氣態，液態主要用於航空航天領域，固態則是最有潛力的方向，也是未來燃料電池和儲運的終極答案。日本在這個領域全面領先，我們目前加氫站的關鍵設備基本都依賴進口。

貌似只有惠普股份在加氫機和氫氣壓縮機等方面，打破了壟斷。

 

 

厚普股份70MPa加氫機，來源：公司官網

下游是最卡脖子最嚴重的，主要有電堆、雙極板、膜電極、質子交換膜、擴散層，以及汽車里必需的氫循環泵、空氣壓縮機等八項技術。

總體而言，當前的氫燃料電池，基本與5年前的電動汽車相似。

 

 

就目前看來，儘管入局其中的企業很多，但真正顛覆式創新的技術很少，更多仍是在應用中迭代，在成熟理論上做應用創新，比發力底層技術的收益更大。

簡而言之，這些公司看似進入了一個新興行業，實際上依賴的仍是傳統行業的經驗技術。

如果仍只是單純追求整車生產的組裝廠的投產，並急於達成在2030年生產100萬台的氫能源汽車的目標，很可能就會重複當年的「拿市場換不了技術」的彎路。

當然，對於這種未來技術，到底行不行，主要取決於國家意志，取決於國家需要的進度。

就像當年一樣。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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勢在必行

 

有人説，並不是比亞迪在新能源領域比豐田強，只是因為比亞迪背后是中國。

這是有道理的。

1992年，已是耄耋老人的錢學森先生給時任國務院總理鄒家華寫了一封信，建議大力發展電動車，「要組織力量，中國有能力跳過一個臺階，直接進入汽車的新時代。」

這個新時代，也就是我們現在看到的電動車時代。

 

 

從某種程度而言，只有新能源轉型成功后，中國經濟纔可能擺脫對房地產的重度依賴。

今天回首再看，這個目標已經接近實現，產業中涌現出多家十倍大牛股。

我們的汽車產業也終於彎道超車，取得了難得的地位，此時肯定要乘勝追擊，擴大我國市場的影響力。

氫能源是未來確定的增量方向。

畢竟，從終極方向看，鋰電池屬於過渡產品，為的是應對石油問題，就好像5G一樣。而氫能源即便成本再高，也必須跟上，沒得選擇。

 

 

「日本人發明了鋰電池，韓國人把它做大，中國人把它做到世界第一。假如我們不是世界第一，我們沒有存在的價值。」

曾毓羣道出了中國在鋰電產業上的野心和驕傲，而對於氫能源產業，中國同樣是雄心勃勃。

2019年，氫能源被首次寫入《政府工作報告》，隨后便出臺了《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書》，根據規劃，力爭到2030年實現加氫站數量1000座，燃料電池車200萬輛。

傳統能源企業和新能源企業紛紛響應，中石化和隆基分別為兩大陣營中的先鋒。

比如隆基，從2018年就開始關注和佈局可再生能源電解制氫，近三年來都在持續研究，在電解制氫裝備、光伏制氫等領域已經形成了技術積累。

而在碳中和的趨勢下，可再生能源電解制氫有望成為最主要的制氫方式，市場需求和發展空間也進一步打開。

今年以來，國內的氫能產業，突然走上快車道，一路狂奔。

3月，《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》重磅出臺，給整個行業帶來期盼多年的頂層設計。

 

 

伴隨近期國家和地方對氫能的政策鼓勵，江蘇神通、億華通、上汽集團、長城汽車、海馬汽車等多家產業鏈上市公司加速駛入氫能賽道。

這個時候，恰逢俄烏打得不可開交，化石能源的供需格局陷入動盪，本就在雙碳議題中被捧紅的氫能，熱度再次飆升。

所以，在未能攻克成本問題的當下，氫能源的魅力，並不在於其是否廉價，而在於打開了真正進入清潔能源的數字電氣化科技時代。

這種能源科技普及，也許並不亞於當年蒸汽輪機的蒸汽革命。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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結語

 

把大象關進冰箱需要分幾步？這是一個經典笑話。

然而在今天，我們不得不對着能源產業問，把氫能送進汽車里需要分幾步？

當笑話成為現實，便不那麼好笑了。

氫能產業，很簡單也很複雜。上文介紹得很清楚了，從製取到使用的每一個環節，都是高山仰止。

當然，難題也代表着機遇，誰能率先解決產業痛點，誰就能先一步踏上新時代的遊輪。

豐田章男澤不止一次強調氫能纔是終極能源。只是在馬斯克眼里，氫動力汽車是一個「愚蠢得令人難以置信」的想法。

站在商業競爭角度，出現這兩種極端的理念並不奇怪。但從客觀現實來看，兩人的觀點其實都是錯的。

在未來，氫能源必然是新能源大家庭的重要補充，前提是完成有效降本。儘管有政策的支持，但行業目前的能見度和確定性都不高。

前途是光明的，但道路也一定是曲折的。用投資的話來説就是，氫能源是風口，但現在還不是炒作的時候。

正如火箭科學家羅伯特祖布林，曾在《能源的勝利》一書中談到后石油時代的未來：「氫只有在最壞的情況下，纔可能成為汽車的能源」。

最后，送大家一句話：

等不起三年五年，別買氫能源。

 

全文完，感謝閲讀。

 

 

 

 

 

 

END 

 

參考資料

REFERENCE MATERIAL

[1] 氫舟已過萬重山，《中國遠洋海運》2022

[2] 瓶頸不除,氫重不得，《中國石油石化》2021

[3] 日本尋求打造全球化氫能源供應鏈，《新華每日電訊》2011

[4] 氫能新世界——我國氫能產業發展現狀、困境和對策，《中國石油企業》2021

[5] 日本「氫能社會」建設經驗及對我國的啟示，《日本研究》2021

[6] 日本半導體產業發展得失以及對中國的啟示，《中國經貿導刊》2018

[7] 氫基站備電產業困境，《能源》2014

[8] 運用智慧能源破解5G基站高耗能難題，《國際融資》2019

[9] 氫能源替代石油能源產業的可能性探討，《節能與環保》2018

[10] 《氫的未來》——國際能源署發佈重磅報告，《化工時刊》2019