文 | 財(cái)經(jīng)新知Pro 主木
編輯 | 夕陽
2008年北京奧運(yùn)會，穿梭在各場館以及奧運(yùn)村之間的純電電動車成了一道靚麗的風(fēng)景線，10多年過后，電動車遍地開花，成為見怪不怪的存在。
事實(shí)上，近些年隨著純電電車普及開了，不少問題也接踵而至，居高不下的電池成本、無法開進(jìn)東北的尷尬等等。只是在全球市場對新能源的追逐，以及國內(nèi)大力倡導(dǎo)新能源等朝陽產(chǎn)業(yè)的發(fā)展下，純電電動車作為一種技術(shù)門檻相對較低的產(chǎn)品，快速走進(jìn)尋常百姓家，鋰電池也隨之迎來“狂歡”。
但是2021年市場似乎迎來轉(zhuǎn)折。為減少對化石能源的依賴，國家提出2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和的雙碳目標(biāo)，中國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型正在奔跑加速。
氫能源不出意外地站上風(fēng)口，并且在2022年北京冬奧會上，氫能源汽車也成功上位。消息稱，承擔(dān)賽事交通運(yùn)輸保障任務(wù)的北京公交集團(tuán)將啟用一批氫能源公交車，為冬奧會賽事全力做好用車準(zhǔn)備。
關(guān)于氫能源的風(fēng)其實(shí)2019年就已經(jīng)吹起一陣，當(dāng)時氫能源首次被寫入《政府工作報告》，報告提出要推進(jìn)充電、加氫等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。氫能源相關(guān)的話題一次次占據(jù)輿論。
但是包括美錦能源在內(nèi)的一眾氫能源企業(yè)在炒作概念多年后仍舊無法拿出業(yè)績，導(dǎo)致風(fēng)口淪為泡沫。
不過要知道，鋰電產(chǎn)業(yè)也有過類似經(jīng)歷。2016年，在國家大力補(bǔ)貼下，不少A股企業(yè)玩起“騙補(bǔ)”的把戲，投機(jī)者也趁機(jī)進(jìn)入，但“瘋狂”過后不少投資者也被“埋”了進(jìn)去。好在如今的鋰電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成熟許多，企業(yè)價值也在一步步兌現(xiàn)。
為此，不少專家機(jī)構(gòu)認(rèn)為，現(xiàn)在的氫能源與10幾年前的鋰電很像，有前景，更有錢景，行業(yè)兌現(xiàn)價值只是時間問題。那么，在未來，氫能源是否能夠“干掉”鋰電呢？
氫能源的優(yōu)勢
氫（H）作為元素周期表的第一位，是最常見的元素之一。氫的應(yīng)用也極度廣泛，可作為燃料應(yīng)用于汽車、軌道交通、船舶等交通領(lǐng)域，亦可作為原料、 還原劑或者熱源應(yīng)用于煉化、鋼鐵、冶金等行業(yè)，還可應(yīng)用于分布式發(fā)電，為家庭住宅、商業(yè)建筑等供電取暖，且可成為儲能工具。
而氫能作為清潔、高效、安全、可持續(xù)的二次能源，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的重要手段，也將是能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型的重要方向。
氫能源與目前主流的鋰電相比，優(yōu)勢也非常明顯：
1. 氫能源更加環(huán)保
一直以來，因?yàn)殇囯姵睾兄亟饘冁?、鈷、砷等有毒污染物，必須要進(jìn)行回收處理，所以市場對于鋰電產(chǎn)業(yè)鏈污染以及電池回收存在巨大爭議。
坦白講，當(dāng)下采用鋰電池的新能源汽車只是在使用階段實(shí)現(xiàn)零碳排放，但是縱觀整個產(chǎn)業(yè)鏈以及生命周期，鋰電并沒有實(shí)現(xiàn)零碳排放。
例如上游原材料供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)中碳排放就占到70%以上，所以從原材料和整個產(chǎn)業(yè)鏈角度來考察的話，鋰電新能源汽車并不是零排放的，氫燃料電池反而可以實(shí)現(xiàn)接近零排放。
而在生產(chǎn)上，我國在大力發(fā)展風(fēng)電、光伏等清潔可再生一次能源，結(jié)合水電解制氫技術(shù)，制出所謂的綠氫（還有灰氫、藍(lán)氫），可實(shí)現(xiàn)全生命周期的清潔低碳，使氫能成為連接不同能源形式的橋梁。
從這一層面來看，鋰電終究只是過渡產(chǎn)物，氫能源似乎才更有潛力成為21世紀(jì)能源解決最有力的方案之一。
2. 氫能源更加實(shí)用
除了環(huán)保外，其實(shí)氫能源最大的優(yōu)勢還是在實(shí)用性上。
眾所周知，當(dāng)下鋰電最大的痛點(diǎn)在于續(xù)航。鋰電池中的電解液在低溫狀態(tài)下粘度會變大，離子傳導(dǎo)速度變慢，造成外電路電子遷移速度不匹配，電池出現(xiàn)嚴(yán)重極化，充放電容量出現(xiàn)急劇降低。
機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，普通鋰電池在-20°C時的放電容量僅為室溫下的31.5％，并且有些鋰電池在低溫環(huán)境下甚至無法進(jìn)行充電，所以這就造成純電汽車無法進(jìn)入東北的尷尬。當(dāng)然，作為能源，使用范圍遠(yuǎn)不止汽車，在航空航天，軍事工業(yè)和電動汽車領(lǐng)域，要求在-40°C下正常工作，鋰電顯然無法承擔(dān)重任。
并且鋰電在應(yīng)用上更多表現(xiàn)形式是一種儲能裝置，就是先把電能貯存起來，需要時再釋放出來；而氫燃料電池嚴(yán)格地說是一種發(fā)電裝置，像發(fā)電廠一樣，是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)電裝置，沒有熱能和機(jī)械能（發(fā)電機(jī)）的中間轉(zhuǎn)換，自然不會存在能量損失的問題。
而且一定程度上也意味著，氫燃料電池只需要考慮如何將氫能源儲備下來即可，在使用時如現(xiàn)在加油一般，省去電動汽車長時間充電的耗時環(huán)節(jié)。
此外，氫氣熱值是常見燃料中最高的，可達(dá)142KJ/g，這一水平大約是石油的3倍、煤炭的4.5倍，做成電池的話，氫電池能量密度也會更大，大約在40kWh/kg，遠(yuǎn)高于普通鋰離子電池0.25kWh/kg左右及燃油車12kWh/kg左右的能量密度。
這就意味著，消耗相同質(zhì)量的能源，氫氣所提供的能量是最大的，動力更足，2008年波音公司甚至成功測試由氫燃料電池驅(qū)動的小型飛機(jī)。
通過對比，我們明顯可以看到氫能源具有碾壓性的優(yōu)勢，并且也更能順應(yīng)能源發(fā)展的大趨勢。
3. 氫儲能優(yōu)勢
隨著光伏、風(fēng)電等可再生能源發(fā)展迅速，如何將這些發(fā)出來的電存儲下來成了難題。當(dāng)今的主要解決方案一個是用大量電池組儲存電能，另一個是抽水蓄能。
但是，上述情況都存在成本高、技術(shù)難度大等弊端。以儲能電池為例，主要適用于小功率、短周期、分布式儲能，時間很短，最多一個星期，并且儲能電池儲存的電量越多，占用的空間也越大，因此并不適合電站這種大規(guī)模儲能場景。而抽水蓄能則需要靠近水源，也有條件限制。
氫儲能則帶來另一種解決方案。廣義上的氫儲能是指把任意形式的能量轉(zhuǎn)換成氫氣的化學(xué)能，以氫氣的形式進(jìn)行存儲。狹義上的氫儲能是指將太陽能、風(fēng)能等清潔能源發(fā)出的電能或夜間電網(wǎng)的過剩電能，通過電解水制取氫氣，通過儲氫罐存儲，之后由燃料電池發(fā)電技術(shù)等實(shí)現(xiàn)氫氣的利用。
要知道氫氣是一種極佳的能量存儲介質(zhì)，既能以氣、液態(tài)的形式存儲在高壓罐中，也能以固相的形式儲存在儲氫材料中，除此之外，氫儲能的能量密度高，是少有的能夠儲存百GWh以上的能量儲備技術(shù)，而且可同時適用于極短或極長時間供電。
所以相對于電池儲能和其他傳統(tǒng)儲能方式，具有一定比較優(yōu)勢，尤其是在大規(guī)模儲能方面，氫儲能相對于電池儲能的成本優(yōu)勢明顯。
理論上講，氫能源的爆發(fā)似乎就在眼前，但現(xiàn)實(shí)卻并非如此。在發(fā)展氫能源、運(yùn)用氫能源的路上，還存在許多障礙。
氫能源還在初期
對于能源的運(yùn)用本質(zhì)上只有三個問題，如何制造，如何存儲以及如何運(yùn)輸，氫能源也不例外，只有解決這三個問題才有可能大規(guī)模發(fā)展，然而目前氫能源在這三個方面都存在一定的技術(shù)問題。
首先是制氫：
當(dāng)前我國氫氣生產(chǎn)結(jié)構(gòu)以化石燃料制氫為主，也就是所謂的“煤制氫”，占比高達(dá)62%；其次是天然氣制氫，占比為18%；工業(yè)副產(chǎn)氫占比18%；電解水制氫也就是“綠氫”占比僅1%。
幾種制氫各有優(yōu)劣?；剂现茪溥^程會產(chǎn)生CO2等溫室氣體，且制得的氫氣含有雜質(zhì)，后續(xù)對氫氣的提純和排碳的處理有較高要求，但是這種制氫方式成本較低。
工業(yè)副產(chǎn)提純制氫是將富含氫的工業(yè)尾氣作為原料，能避免氫氣浪費(fèi)，但長遠(yuǎn)來看還存在純度較低、受主產(chǎn)物產(chǎn)能約束等問題，無法作為大規(guī)模集中化的氫供應(yīng)來源。
而電解水制氫雖然純度高，雜質(zhì)少，易于與可再生能源結(jié)合，制氫過程不排放溫室氣體等眾多優(yōu)點(diǎn)，但其成本相對其他制氫方式要高出許多。
據(jù)測算，煤制氫的成本僅在10元/kg左右，電解水制氫的成本則在50元/kg左右。
不過隨著雙碳目標(biāo)臨近，結(jié)合CCUS（碳捕獲、利用與封存）后的煤制氫成本將大幅上升。而電解水制氫成本主要與電費(fèi)相關(guān)，隨著光伏、風(fēng)力發(fā)電成本逐漸降低，電解水制氫成本有望得到進(jìn)一步控制。
測算來看，當(dāng)電價低于0.3元/千瓦時，電解水制氫才具備較好經(jīng)濟(jì)性。而根據(jù)預(yù)計(jì)，2025年，我國60%地區(qū)的光伏上網(wǎng)電價將在度電0.13元左右，風(fēng)電度電成本將控制在0.15元左右，屆時氫能的成本或?qū)⒈绕透袃?yōu)勢。
所以綜合來看，短期內(nèi)煤制氫仍為我國氫氣的主要來源；中期來看，工業(yè)副產(chǎn)制氫有望成為供氫主要工藝，但存在的問題也致使其無法長久采用；長期來看，隨著可再生能源電價下降，清潔、高效的綠氫將成為制氫主流工藝，只是這個時間需要多久，目前來看還是未知。
儲氫問題：
當(dāng)然，除了制氫外，儲氫也是氫能源產(chǎn)業(yè)鏈中最重要的部分之一。
目前儲氫技術(shù)可分為物理儲氫和化學(xué)儲氫兩大類。物理儲氫主要有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、活性炭吸附儲氫、碳纖維和碳納米管儲氫以及地下儲氫等；化學(xué)儲氫主要有金屬氫化物儲氫、液態(tài)有機(jī)氫載體儲氫、無機(jī)物儲氫、液氨儲氫等。
目前比較常用的為高壓氣態(tài)儲氫，具有技術(shù)成熟、充放氫速度快、容器結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)展成熟等優(yōu)點(diǎn)，但同時存在體積儲氫密度低、容器耐壓要求高的缺點(diǎn)。
而長遠(yuǎn)來看，比較有發(fā)展?jié)摿Φ臑榈蜏匾簯B(tài)儲氫以及固態(tài)儲氫，但目前兩者均有不同的技術(shù)難題還有待攻克。
低溫液態(tài)儲氫可以將氫氣冷卻至-253℃，存于低溫絕熱液氫罐中，因?yàn)槠浯鎯γ芏雀?，液態(tài)氫的純度也較高，所以低溫液態(tài)儲氫為理想的儲氫方式，但是存在兩大技術(shù)難題，一是液氫儲存容器的絕熱問題；二是氫液化能耗高，在工程液化過程中會造成一定損失。
固態(tài)儲氫利用金屬合金等對氫的吸附和釋放可逆反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，具有安全性高、儲存壓力低、放氫純度高、運(yùn)輸方便的特點(diǎn)，但是成本高、壽命短等這些也是不得不面對的難題。所以目前固態(tài)儲氫大多處于研發(fā)試驗(yàn)階段。
當(dāng)然除了上述提到的儲氫方式，有機(jī)液體儲氫、無機(jī)物儲氫等都是理論上更為完備的儲氫解決方案，但目前都僅處于攻克研發(fā)階段，距離商業(yè)化大規(guī)模使用尚遠(yuǎn)。
運(yùn)氫問題：
最后還有運(yùn)氫問題，氫能源想要大規(guī)模ToC，運(yùn)輸問題不容忽視。
氫作為元素周期表中的首位元素，氣體狀態(tài)下密度極小，并且氫和氧能形成爆炸混合物，因此在大規(guī)模運(yùn)輸過程中，必須加以壓縮儲存，讓氫呈現(xiàn)高密度氣態(tài)或者固態(tài)、有機(jī)態(tài)的形式。
目前氫能的運(yùn)輸通常根據(jù)儲氫狀態(tài)的不同和運(yùn)輸量的不同有所調(diào)整，主要有氣氫輸送、液氫輸送和固氫輸送3種方式。
氣態(tài)氫氣通常采用長管拖車和管道運(yùn)輸；液態(tài)氫氣通常用槽車運(yùn)輸；固態(tài)氫氣運(yùn)輸可直接運(yùn)輸儲氫金屬。
分別來看，長管拖車靈活便捷，但在長距離大容量輸送時，成本會更高；管道運(yùn)輸雖然輸氫量大、能耗低，但是在建造管道時的一次性投資也更大，即便將氫氣逐步引入天然氣網(wǎng)絡(luò)，也不能輕松解決高成本問題。
因?yàn)橐话闾烊粴舛际鞘褂娩摴苓\(yùn)輸，而溶于鋼中的氫分子會產(chǎn)生氫脆，超出鋼的強(qiáng)度極限。所以如果要采用管道運(yùn)輸氫，需要采用含碳量極低的材料，而這種材料成本一般是正常天然氣管道材料的兩倍。
當(dāng)然也可以采用天然氣和氫氣混合運(yùn)輸?shù)姆绞?，但這種方式對氫氣的含量占比要求嚴(yán)格，最高不得超過20%。另外，將昂貴的氫氣混入廉價的天然氣也會造成價值的損失。
而液氫槽車運(yùn)輸，這是一種既能滿足較大輸氫量，又比較快速、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)氫方法。只是如上述所說，在將氫能液化過程中，將會耗費(fèi)較大成本，并且也會損失大量能耗。國內(nèi)目前僅應(yīng)用于航空航天、軍工等領(lǐng)域，尚無民用案例。
固態(tài)儲氫中技術(shù)較為成熟的方式為合金儲氫，主要包括鎂系合金、稀土系合金等。儲氫合金與氫氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成金屬氫化物，實(shí)現(xiàn)氫氣的存儲。這也導(dǎo)致對儲氫材料性能要求較高，部分金屬氫化物充放氫速率低、某些金屬合金成本過高等。
最后回歸到氫能的應(yīng)用問題上。從當(dāng)前需求結(jié)構(gòu)來看，氫能應(yīng)用場景的工業(yè)色彩依然很濃，氫氣主要應(yīng)用于合成氨、石油煉化等領(lǐng)域。而民用氫氣比例極低，目前可以想象的最大的應(yīng)用場景便是氫燃料電池車。
但氫能想要ToC除了解決制儲運(yùn)這三個問題外，制約乘用車推廣的重要因素還在于氫燃料電池車最初的推廣便是車規(guī)級，缺少其他低層級消費(fèi)品的消費(fèi)鋪墊，也缺少加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的支撐。
未來乘用車用氫成本或許會下降到與鋰電相近的水平，但短期來看鋰電還是發(fā)展（新能源）的“主力軍”。
縱觀大局，氫能發(fā)展的政策以及補(bǔ)貼逐漸被提上日程，從制氫到儲運(yùn)氫再到應(yīng)用，有望迎來大范圍更新與成長。前途是光明的，但道路也一定是曲折的，氫能距離大規(guī)模市場化，還有很長一段路要走。