被冷落的“氢能”,为何掀起了热浪?|7000字深度

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举报 2022-06-14

氢能,不温不火 

 

去年国庆期间,我去了一趟成都,除了感慨于当地的夜市文化外,另一件印象深刻的事情,便是氢能汽车的普及。

 

去青城山景点之前,我们在当地打车平台上,叫了一辆氢能轿车,没有发动机的轰鸣,也不是电动车的蜂鸣声,隐约能听到压缩机工作的声音,但行驶和启动、加速体验,与电动车类似,因为氢能车的基础原理是“氢燃料电池”,即通过燃烧反应,将化学能转化为电能,驱动氢能车行驶,排放的是纯净水。

 

在行驶到半途时,司机拐进了中石化加油站,为氢能车充氢气。不同于燃油车熄火即可,轿车加注氢气时,除了熄火外,车上人员都要下车,与加氢点保持二十米左右的距离。司机打开前车盖,观察氢气瓶的情况,再合上车盖,氢气从充气口充入。大约等了五分钟,充气完成,再上车,司机启动,开走。

 

相较于燃油车的大排长队,氢能源车即来即充,或许这也能看出,氢能车渗透率并不高。曾有媒体统计过一个数据,在北京,汽车加油站大约有1000个,能提供加氢气的站点只有10个,这十个还有不少在冬奥会结束后,就关闭了。

 

放眼国内市场,全国加油站总数超过了12万座。加氢站是多少呢?据国家能源局相关人士透露,全国累积建成加氢站是250座。而即使放大到全球市场,据不完全统计,截至2021年底,全球共有659座加氢站投入运营,中日韩加氢站总和占比64%。

 

全球的加氢站总数,还没有北京市的加油站多。

 

相较于人们将清洁能源的美好愿望,投射到氢能之上,氢能的应用市场却遇冷。

 

 

 A面和B面 

 

2000年,美国小布什总统在国情咨询会上,曾面向全球媒体公布,美国政府将投入12亿美元,全社会预计总投入上千亿美元,砸钱培育氢能源汽车产业,让氢能源汽车开遍美国的大街小巷。

 

今天再回过头来看,当初的雄心,不过是一时口快。

 

作为排在元素周期表第一位的“氢”,其原子质量最小,也是宇宙中含量最多的物质,占宇宙物质总量的75%,太阳核心每秒钟参与核聚变的氢,约有6亿吨。

 

在能量转换上,氢的燃烧热值高,能量密度高,1kg氢燃烧产生的能量,是1kg汽油的3倍,酒精的3.9倍,焦炭的4.5倍。氢燃烧的产物是水,是世界上最干净的能源,资源丰富,可持续发展。

 

所有这些美好,却无法解决现实应用中的问题。

 

特斯拉CEO马斯克曾下场,怒喷丰田、本田和现代坚持的氢燃料电池,就是智商税,“氢燃料电池蠢得让人难以置信”“氢燃料电池不可能成功”“这就是垃圾”等等直白的话,马斯克反复念叨。无独有偶,比亚迪董事长王传福也炮轰:“对于民用新能源汽车,换电和氢能都是扯淡。”

 

之所以是“智商税”,原因不外乎一个字——“”,它体现在三个维度:

 

  • 储氢运氢成本高

 

氢气能量密度高,但其体积能量密度很小,1立方米氢气产生的能量,低于同体积的天然气,更遑论和汽油相比。对于汽车而言,其体积是有限的,体积能量密度更为关键,要提高氢气的单位体积能量,你基本就得靠提高压强。

 

为了让每立方米氢气增加3.2度电的能量,你需要把压强加到350个大气压,汽车轮胎也就5个大气压。一般储氢罐所用材料为碳纤维,防止氢气腐蚀渗透,这也无疑提升了成本。此外,氢燃料电池的催化剂材料是“铂”。没错,就是铂金项链的“铂”,它的材料成本就占到了氢燃料电池的60%。

 

能源专家刘科曾评价道,液体能源体积能量密度高,可陆上管道输送,也可跨海运输,长期储存,而氢气均不具备以上优点。氢气体积能量很低,同时氢气是最小分子的气体,容易发生泄露,存储和运输成本太高。

 

  • 安全成本大

 

氢气爆炸的浓度范围很宽,在4%-74%的浓度之间,遇到火星即爆炸。


 

在开放空间还好,氢气泄漏不大可能造成整车爆炸,若在地下停车场之类的密闭空间里,氢气爆炸会造成巨大的损毁。如若连锁反应,即在密闭空间里,一辆氢能车爆炸,并引爆了其他的氢能车,威力足以摧毁一栋大楼。

 

因此,带高压氢罐燃料电池车如若普及,需对已建成的地下停车场进行改造,这是一项巨大的社会成本。

 

  • 加氢站的投资高昂

 

氢气易泄露,易爆炸,加氢站要与居民区保证一定距离,其占地面积一般为5亩地。尤其对于寸土寸金的北上广深杭而言,加氢站的商业化倍受阻碍。

 

据中国氢能联盟数据,我国建设一座日加氢能力500kg、加注压力为35MPa的加氢站投资成本接近1200万元(不含土地费用),约相当于传统加油站的3倍。其中设备成本占投资成本(不含土地费用)的80%以上,但每公斤氢气毛利只有十几元。


 

A面,是氢能的清洁性,高效燃烧“自己”,排出纯净水;B面,是氢气制取、运输和基础设施的成本之踵。

 

 

 三个“五年规划”

 

氢气,像极了一位天才型的选手,发展潜力高,但性格暴躁,桀骜不驯,管理成本很高,氢能的发展,离不开政策层面的扶持。

 

在碳达峰、碳中和的“双碳目标”之下,国内氢能产业发展规划逐步明确。在《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》中,氢能产业在能源体系中的角色定位确立, 氢能是未来国家能源体系的重要组成部分、用能终端实现绿色低碳转型的重要载体、战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。

 

《规划》为氢能产业拟定了三个五年发展计划:

(1)到2025年,初步建成较完整供应链、产业体系,燃料电池车保有量约5万辆(2021年,中国大陆市场出售约320万辆电动车),可再生能源氢量达10万吨-20万吨/年,实现CO₂减排100万吨-200万吨/年;

(2)到2030年,形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系;

(3)到2035年,形成氢能产业体系,构建涵盖交通、储能、发电、工业等领域的多元氢能应用生态。


 

从制氢、储运、加氢网络,到储能、分布式发电和工业领域等应用层面,再到加大对质子交换膜等核心材料技术的研发投入。《规划》从顶层设计上,完善了氢能的发展方向。

 

我国对氢能的重视,离不开两大原因:其一,服务于国家能源安全,我国石油能源并不丰富,以2021年数据为例,中国石油产量为499万桶/日,石油消费量为1527万桶/日,四分之三以上依赖进口;其二,解决环境污染和碳排放问题,当氢在能源中占比越高,排放的碳和其他污染物就越少。

 

要了解一个产业的现状,就需要理解它的全貌,我将从生产、储运和应用三个维度,去拆解分析氢能的现在和将来。

 

 

生产、储运和应用 

 

氢能产业的源头,便是氢气的制取。

 

就像发电一样,氢气制取的过程,也是耗能的过程。

 

作为全球最大的产氢国,中国年产氢量为3300万吨。如果从数字上来看,这是一个庞大的规模。但若换算成能量,3300万吨氢约等于1.5亿吨煤,产氢总量相当于年煤消耗量的4%。

 

在制氢方法当中,最大头是化石能源制氢(如煤制氢、天然气制氢),占比达到的80%,消耗化石能源制取出来的氢气,称作“灰氢”,它无法推动“双碳目标”,后续会被严控;

 

其次是工业副产氢,顾名思义,就是在工业生产中,附带产生的氢气,也被称之为“蓝氢”。相较于会产生碳排放“灰氢”,以及制造成本高昂的“绿氢”,工业副产氢是更契合实际的产氢方式,诸如焦炉煤气、炼厂气和氯碱化工尾气等气体副产氢气资源丰富。

 

在我国的能源结构中,呈现出“贫油少气富煤”,焦炉煤气资源丰富,焦炉煤气年均产量在900亿立方米左右(标准大气压下),其中的氢气含量约为720万吨,占到年总产氢量的21.82%。

 

例如,打造全产业链优势的山西美锦能源,拥有储量丰富的煤炭和煤层气资源,现有煤炭焦化产能715万吨/年。在2021年报及2022一季报中,受益于焦炭价格不断走高,美锦能源2021年营收212.9 亿元,同比增长66%,归母净利润25.7 亿元,同比增长269%。

 

其2022年业绩或将受益于氢能产业发展,目前美锦能源拥有“煤-焦-气-化”一体化的完整产业链。相较于天然气、煤炭制氢等方式,焦炉气副产氢成本更低。美锦能源副产品焦炉煤气,富含55%氢气,因此拥有了目前低成本、大规模制氢的重要途径。美锦能源也正由传统能源,向氢能源转型升级,构成焦化主业与氢能板块协同效应。 

 

此外,在中国的煤炭结构当中,高硫高灰的劣质煤,占总储量比例达40%-50%。这类煤无法直接燃烧,加工成可燃煤的成本过高,却是生产甲醇的重要原材料。

 

甲醇也是目前主流的制氢材料,正如氢能源专家刘科所说:“甲醇在线制氢比汽油制氢都要简单很多。这样做了以后,实际上甲醇和水重整,产生的氢气直接通过电堆发电,电就可以驱动汽车。哪用电的时候哪去制氢,同时发电,这是氢能的未来。”

 

除了“灰氢”和“蓝氢”之外,剩下的就是“绿氢”,即通过风光等可再生能源,来电解水制取氢气。这一过程不会产生碳排放,也是最清洁的氢气生产方式。正如上文所述,绿氢制取很高。在当下制氢组成结构上,绿氢占3300万吨的总量比例,不到5%。只有当太阳能、风能发电便宜之后,电解水制氢才有商业化的可能。


 

作为全球最大的太阳能制绿氢企业,宝丰能源在2019年首次尝试规模化生产绿氢,即利用太阳能光伏电站,电解水来制取氢气,单台电解槽产氢量达到1000m³/小时(标准大气压),当前总制氢规模达30000m³/小时(标准大气压),并沿着氢能交通和氢能全产业链的两大方向,不断深入发展氢能产业,构建起“制氢、补氢、储氢、运氢、加氢、用氢”于一体的绿氢全产业链。

 

因此,在双碳目标之下,中国氢能产业短期靠“蓝氢”,中长期靠“绿氢”。诚然,绿氢的发展,还遇到很多现实问题,例如绿氢发电是直流电,若要上网,则需要转化成交流电,而当企业需要用电时,又需要将交流电,变成直流电。转化过程无疑会产生能量的损耗,能否将绿氢发电,直接应用于企业用电,减少上网带来的损耗,这需要政策层面的配合。


 

回溯氢气在中国的发展历史,在很长一段时间里,氢气主要承担着工业生产原料的角色,例如在化工产业中,氢气是合成氨和甲醇的重要原料,在石油中加注氢气提升油的品质,尼龙塑料、农药化肥和冶金中都有氢的身影。

 

当下,国家对氢能产业的规范和扶持,将氢推到了能源载体的属性上来。业内人士预测道,到2030年,国内市场对氢能的需求,将接近4000万吨,到了2050年,若煤炭发电占比降到20%以下,我们对氢能的需求超过6000万吨,市场空间很大。


 

相较于制氢,氢气的储运成本更高。

 

以加氢站为例,业内人士估测,氢气制取成本约为20元/kg,但加氢站终端售价达80元/kg,储运成本占绝对的大头,这限制了氢能的大规模普及。

 

据国联证券分析,氢能发展初期,氢用量及半径相对较小,此时高压气态储运更具性价比;氢能发展中期,氢气需求半径将逐步提升,将以气态和低温液态为主;远期来看,高密度、高安全管道输氢将被实现。

 

总体而言,氢能储运将按照“低压到高压”“气态到多相态”的方向发展,由此逐步提高氢气储存和运输的能力。

 

当下,氢能储运有三类主流的尝试。

 

其一,在太阳能、风能和水能充沛的地区,建立示范区,围绕氢能生产建立配套产业,将弃风、弃光和弃水的能量利用起来,实现“当地开发,当地利用”。

 

例如四川丰水期的水电、东部海上风电和西北部的太阳能等,都可因地制宜。在张家口示范区,弃风发电的电价,控制在0.15元/度-0.2元/度,而电费占制氢成本的比例超过70%,这极大降低了氢气的制取成本。张家口也围绕氢能,将物流货运车辆,置换为氢能汽车,并搭建了一个产业生态,由点及面地发展氢能产业。

 

让能源产地和用能市场合为一处的示范区模式,能加速双碳目标的实现。在我国碳排放的组成上,工业生产的碳排放占比70%,而大众关注度更高的交通领域,实际占比只有10%左右。宁夏省宁东工业区正是利用当地丰富的太阳能资源,布局光电制氢,年绿氢需求量达124万吨,二氧化碳排放量减少了3000万吨。


 

其二,氢气不像液体能源,难以从西部拉到东部,因此将氢能液态化,成为一种提升使用半径的方式。

 

氢气液态化有两种方式,一是,低温高压制成液氢,进行远距离运输,这一模式尚在尝试阶段。日本川崎重工已试验了液氢跨海运输技术,通过全球第一艘液化氢运输船,历时三周半的时间,将澳大利亚的液氢海上运输到日本;

 

更经济的液化方式,还有将氢气和氧气混合,并加入一点碳源,通过化学反应将氢气变成液体,比如说绿色甲醇,它可在常温常压下储运,需要用氢气时,再释放出氢气即可;

 

其三,便是管道运输,这也是最便宜的输氢方式之一,有“混氢管道”和“纯氢管道”两种方式。

 

混氢管道,即借助西气东输管道,在天然气中掺入25%的氢气,运输到东部直接燃烧,也可以分离出氢气,供燃料电池使用。纯氢管道运输的尝试中,中石油在内蒙古自治区包头市建了一条202公里的纯氢管道,其运输成本比特高压送电还要低,特高压送电的运输成本是7分钱一度电,氢是三分钱一度电。


 

无论通过燃料电池发电上网,还是液体氢能的管网、氢气的气网,三网融合构建氢能输送体系,才能高效地实现清洁能源的利用。

 

储运之后,还有加氢网络的建设。

 

当下加氢网络的设计思路,是优先利用现有加油加气站的场地设施,改扩建加氢站,尝试站内制氢、储氢和加氢一体化。到2035年,中国大陆市场的加氢站建设目标,至少达到5000座,2020-2035年的年复合增长率达28%。


 

可预见的是,随着氢能布局的深入,必将拉动一波基建的规模投入。

 

在终端的应用层面,氢能有四大块应用场景:交通、储能、发电和工业。

 

若要普及氢能的应用,需要找到一定适合的场景先发展起来,形成规模化应用后,再倒推产业升级提效,进而降低氢气的制造成本。而氢能汽车无疑是备受期待的应用场景。


 

要让氢能汽车普及开来,离不开两个灵魂拷问:买车成本、用车成本。

 

氢能源汽车行业尚处早期发展阶段,远未达到电动汽车的普及率,没有形成规模效应,意味着买车成本高昂。其中,氢燃料电池及储氢系统占据了氢能车总成本的65%,对比来看,锂电池占电动汽车总成本的40%,并有望在2024年降低到10%。

 

若要降低氢能汽车购置门槛,除了规模化应用以外,国产化率也不可或缺。在储氢瓶上,国际主流燃料电池乘用车批量使用的,是70MPaI V型储氢瓶。此前,乘用车用储氢瓶是块小蛋糕,在国内处于空白期,而随着燃料电池汽车站上了风口,国内企业也逐步攻克了储氢瓶技术,例如沈阳斯林达安科、北京京城股份都已经在推进量产准备。


 

相较于国内市场的“破冰期”,国际企业已然形成了一条成熟的产业链,挪威Hexagon、日本丰田、法国佛吉亚等企业已实现量产,并应用在不同车型之上。此外在消费端,70MPa IV型储氢瓶也受到质疑,在传统认知当中,气压越高越危险,国内目前车载储氢系统基本采用35MPa III型瓶,要发展70MPa储氢瓶,还需要国家标准进一步明确,以及氢能汽车的加速普及。

 

在氢燃料电池上,其原理是通过氢气和空气中氧气混合,在90°C左右的温度下,将化学能转化电能,进而驱动汽车运转。虽然名字里带“燃料”二字,但它是化学反应转化为电能,转化效率达到60-80%,为内燃机的2-3倍。

 

此外,氢能车核心材料大多数为二次材料、有机材料,随着氢能车的逐渐普及,材料成本会下降,而非像电动汽车,受困于钴镍锂等原材料价格上涨,而在回收方面,氢能车虽然也用贵金属,但回收技术要求比电动汽车更低。


 

在燃料电池分型上,有七种类型,氢燃料电池汽车所采用的主要是质子交换膜燃料电池,这其中包含了十一项关键技术——电堆、膜电极、质子交换膜、催化剂、气体扩散层、双极板、燃料电池系统、空压机、氢气循环泵、DC/DC、加湿器。在下图中可以清晰地看到,氢燃料电池技术装备国产化,还有很长的一段路要走。


 

以质子交换膜技术为例,目前主流的材料为全氟质子交换膜。截至2020年,美国的科慕、比利时索尔维、日本旭化成三家,就垄断了全球 90%以上的产能,国内对全氟磺酸树脂进口依赖度高达99%。

 

因此,氢燃料电池核心技术攻关,国家会进行大力扶持,在形成逐步国产替代之后,氢燃料电池成本也会逐步下降。亿华通公司常务副总经理于民曾对外阐述道,从2015年以来,氢能发动机成本每年都下降约30%

 

在最终的应用层面,目前先行推进的是氢能重型车辆,延伸到新能源客、货汽车,以及在船舶、航空器等领域的应用,提升氢能在交通行业的应用。


 

以《节能与新能源汽车技术路线图2.0》的发展规划为参考,2020-2030年,氢燃料电池汽车的保有量的增长空间达十年百倍。现阶段燃料电池成本较高,其推广应用依赖政策和补贴。

 

正如中国电动车产业崛起的背后,是国家自2010年开始的补贴政策,前后投入了上万亿元。截止2021年10月,中国成为全球新能源汽车第一大技术来源国,专利申请量占全球总量的66.79%。

 

氢能车的发展,是中国氢能产业的缩影,这是从0到1的过程,而任何一个新生产业,脱离了补贴,就难以发展起来。

 

 

 氢能的第四波浪潮 

 

1969年,美国的“阿波罗11号”宇宙飞船,载着三名宇航员登上月球,当阿姆斯特朗踏上月球表面,留下了那段流传至今的名句——这只是我一个人的一小步,但却是整个人类的一大步。

 

或许,这也像是一声啼哭,代表着氢能产业呱呱坠地。阿波罗飞船登月时,携带的正是液氢液氧,氢能发电供飞船仪器使用,化学反应产生的纯净水,供宇航员饮用,这是氢能的第一波浪潮。

 

时间来到70年代,以阿战争和双伊战争爆发,国际原油市场产生剧烈波动,随之而来的两次能源危机,冲击着欧美经济,也推动了氢能的第二波浪潮。美国在70年代首次提出“氢经济”概念,将氢气作为可能取代石油的未来能源,燃料电池技术快速发展,并在交通、航空航天和发电等领域推广开来。

 

当环保意识和绿色经济成为共识,始于90年代至今的气候变化问题,推动了包含氢能在内的清洁能源的发展,这也是氢能的第三波浪潮。但这一波浪潮在页岩气技术突破,油价下行的背景下,偃旗息鼓。

 

随着碳交易市场的建立,以及“双碳”的游戏规则下,第四波氢能浪潮已鼓起大帆。它不仅是出于地球公民角色的践行,更是未来企业竞争力的关键。2020 年,特斯拉公司实现盈利,年净利润为7.21 亿美元,当年其电动汽车业务仍在亏损,但通过“卖碳”赚取了15.8 亿美元,也就是在国际碳交易市场,卖出了用不完的碳排放额度。

 

第四波氢能浪潮已至,这一次浪潮的中心,来到了中国,无论是市场规模,还是“双碳目标”下的能源转型决心,中国氢能产业道阻且长,但也必将拉起一波主升浪。

 

部分内容参考自:

国际氢能战略回顾分析|海南省绿色金融研究院

氢能时代还有多远?|央视财经《对话》栏目

氢能及燃料电池专题研究|天风证券

为什么氢能不是人类终极能源?|能源专家刘科

氢能源市场发展蓝图|国际能源署

中国氢能及燃料电池产业手册|中国氢能联盟


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编辑:Mark

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