明日氫能

    三十年前,只用聲音和圖像直接傳遞信息的人類,無法想象采用“0”和“1”作為傳播介質會是怎樣的世界。同樣,生活在電網構架之中,習慣于插座取電的我們,也難以想象氫氣介質,會造就怎樣的能源世界。
一、定義

通常理解的氫能,是利用氫氣與氧氣的電化學反應生成水,同時產生電力的能源形式。從反應過程可看出氫能的優勢:1)完全零排放;2)能源可再生;3)反應物氧氣隨處取用。

如果只有上述特征,那與其他可再生能源,如風電、光伏、核電、潮汐等相比,并不存在顯著優勢。在很多情況下,人們習慣于把諸多能源形式定位為競爭關系,而實際上,氫能真正優勢在于,能與其他形式的能源聯合使用。全球范圍內,雖每年都投入巨資來利用可再生能源,但當今的能源結構依然是基于化石能源。以我國為例,西北部有豐富的風電和光伏資源,且用地成本非常低,但是,一方面,電力消費主要來自于東南沿海地區,輸電需要巨大成本;另一方面,風電、光伏等自然資源非常不穩定,逆變上網技術難度很大,有時還會危害電網安全。所以,即使在上海、廣東等土地資源稀缺地區,也傾向于選擇火力發電,可再生能源實際利用率很低,甚至出現了大量棄電現象。如果把這些能源電解水轉化成氫氣,以氫氣的形式儲存、運輸和發電,可以很好的提高資源利用率。

氫氣利用起來非常容易,一來,可以用電池設備來高效轉化為電力,生成的水可以直接飲用。二來,氫氣燃燒可以提供很高的熱值,用于加熱或者取暖。由于性質與天然氣類似,利用現有的天然氣管道來傳輸氫氣,不需要任何設備升級改造,可直接使用。

綜合來看,氫氣是一種優秀的“能源中間體”,可把其他不穩定能源轉化為氫氣,進行儲存和運輸,也易于把氫氣轉化成電、熱、水等形式滿足人類需求。這種中間體便于通過車輛或管道運輸,且長期儲能成本很低,可作為戰略物資進行儲存。

如果這種能源得到廣泛應用,人類將徹底擺脫電網束縛,與今天信息網絡相結合,真正做到隨取隨用,無線互聯。
二、定位
    氫能并非一種難以掌握的未來科技,事實上,早已存在多種應用形式。50年前的美國“阿波羅11第一次實現載人登月,飛船上的供電裝置便是燃料電池,電池反應生成的水作為宇航員的飲用水。當今,在一些離網地區,燃料電池供電設備由于噪音、成本等優勢已逐步取代柴油發電裝置。在軍事領域,也憑借其靜謐性和續航能力,成功應用于潛艇供電以及某些武器中。在傳統的冶金、化工等領域,氫氣也作為原材料而廣泛使用。可見,全面開發氫能并不依賴未知領域的科技突破,而在于尋找合適的商業模式。
三、瓶頸

氫能全面鋪開的制約因素是成本。人類系統化的開發化石能源已超過150年,進入“石油時代”也有50多年時間,現代社會是以化石能源為基礎建立起來的,石油和煤化工產業鏈已非常成熟,各類產品的成本優化十分完善。現在的氫氣大多采用電解水制備,依然建立在化石能源體系下,成本必定很高。人們長期使用石油化工產品已形成高粘性消費習慣,很難付出高得多的費用換取功能性差異不大的產品。

一些業界巨頭在2017年縮減或退出了氫能領域的開發。韓國浦項制鐵建造了世界上最大的170MW商業規模燃料電池系統,但在2017年退出該領域,只對原有設施進行義務性維持。日本東芝在部署了8萬套家用燃料電池微型熱電聯供系統后,宣布停止銷售該產品,只繼續支持此8萬套機組運行。美國通用電氣將旗下燃料電池商業化活動重新納入研究部門,裁減了60%員工,目前尚不清楚公司未來如何定位燃料電池業務。

 

氫能雖然前景廣闊,全社會也呈現越來越濃的積極情緒,但整個行業的商業環境還處在起步階段,依然脆弱,在形成氣候之前,還需要保護。
四、突破

氫能之所以能成功應用于在航天、軍工、離網供電等領域,是因為這些領域對成本不敏感。如果要在更大范圍內進行推廣,產品的盈虧平衡點就是關鍵因素,只有推出與傳統產品成本持平甚至更低的產品,才會被廣泛接受。

 

氫能汽車是很好的突破口,是因為:1)全球范圍內,汽車有極大的消費量和保有量;2)現有汽車給環保和能源安全帶來較大壓力;3)最重要的,汽車使用成本很高。即使在國際油價大幅下跌,并長期維持在低位水平的情況下,普通乘用車每百公里的燃油成本一般也會超過50元,而同級別的電動汽車只需要5-10元,較大的成本差異給燃料電池汽車發展留下了一定空間。只有成功大規模鋪開氫能汽車,氫氣消費量才會大幅度增加,社會資本就會進一步布局新能源制氫、儲氫、運輸等細分子行業,從而完善和架構一個新的產業鏈,優化成本,反過來刺激全社會更加充分的利用氫能。
五、形式

政府層面多次出臺鼓勵政策和規劃。20174月,三部委聯合聯合印發《汽車產業中長期發展規劃》指出,2030年燃料電池系統產能不低于10萬套。9月上海市科委發布的《上海市燃料電池汽車發展規劃》指出,2020年之前建設加氫站5-10座,乘用車運行規模達到3000輛,到2025年加氫站50座,乘用車不少于2萬輛。武漢和蘇州也相繼出臺類似規劃,從國家和地方政府層面看,燃料電池產業全面鋪開的態勢已漸行漸近。

 

產業資本已大量涌入。僅2017年,全球燃料電池產業已經產生了12個并購投資案例,涉及金額46億元人民幣。據第三方咨詢公司Navigant預測,2020年全球氫燃料電池新車(乘用車+商用車)銷量會在3萬臺左右;2024年這個數據能上漲到23萬臺。整個產業正逐漸形成方興未艾之勢。

六、優勢

關鍵技術障礙已初現解決路徑。電-電混合是具有中國特色的動力解決方案。燃料電池發動機最大的問題是汽車行駛工況下的控制技術和失效機理過于復雜。得益于近年鋰電池汽車技術的長足發展,采用鋰電池驅動,燃料電池儲能的電-電混合技術方向已逐漸明晰。

產業資本已經著手從各方面降低產品成本:首先,可再生能源可能解決氫燃料昂貴的問題,有些地區可再生清潔能源特別豐富,甚至出現了棄電現象,利用這些地區的風電、光電、核電等電解水制氫,可極大的降低氫燃料成本,且整個生產過程無任何污染。其次,產業核心技術正逐步往國內轉移。北京億華通公司的發動機已突破5000小時的使用壽命。山東東岳批量化生產的質子交換膜壽命已經達到6000小時。國內還出現了一些生產低載量貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑的企業。通過國產化降低成本的趨勢正在形成。再次,產量效應將進一步顯現。類似“十城千輛”的示范工程呼之欲出,產量遞增將推動商業化的實質性進程。
七、對策

我們現在看氫能的未來,就猶如90年代看待互聯網一樣,充滿機遇但風險極大,誰都愿意搭上行業快速發展的紅利,但又不想被當成前浪拍在沙灘上,唯一需要做的,就是留在行業里,活下來。根據上面的分析,中小企業不一定要著眼于投入較高的核心技術部分,關鍵技術其實已被巨頭掌握,新進企業應該把眼光聚焦于如何降低產業鏈中各環節成本,以及如何解決某細節關鍵問題。例如,加油站上的可再生能源發電生產氫氣技術,利用不大的投資,在原有加油站功能的基礎上增加加氫功能,解決開始階段,需求量較小的加氫問題。例如,氫氣難以從生成的水中分離出來,從而造成氫氣直接排放的問題等。