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氢能源究竟是风口还是陷阱?氢能汽车能否实现深度脱碳目标?

2021-09-28 16:20
阿尔法工场
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在全球双碳背景下,各国对氢能源尤为重视,做出了详细的产业规划,一直在不断推进更新中。氢能源车作为深度脱碳的使者,正向我们缓缓走来。

江山代有才人出,各领风骚数百年。这句诗词用来总结新能源各条产业链,再贴切不过。

作为过去一年里的明星,锂电、光伏板块大受追捧,在二级市场诞生了众多十倍、二十倍的个股。氢能源紧随其后接力,厚朴股份(300471.SZ)年内涨幅超越三倍,亿华通、美锦能源(000723.SZ)也均实现了翻倍行情。

在氢能行情向好的时刻,看多做多的各路资本、研究团队、财经媒体纷纷喊出“氢能源蓝海”、“十万亿赛道”的口号。而看空者也不乏其声,核心理由依然是前景不明。

那么,氢能源究竟是风口?还是陷阱?它最可能的落地点是什么?障碍在于何处?这是本篇报告试图解答的问题。

01 另类角度的小方法

中国的改革开放有条规律,新兴产业的发展,历来与政策结合紧密。

所以,一个新兴产业,在规划层面是不是足够重要,有没有受到重视,其实是可以从一些政策指标上看出来的。

一般而言,政策出台快、政策密度频、政策定位高、调控力度大的产业,往往是重点扶持,定位长远的产业,它们在日后的景气度,也会更高。

这一点,从光伏、锂电这两条赛道的历史上,可以看得很清楚。

用这个指标来观察氢能源,可以发现它符合这个规律。

从2006年到2019 年,在这13年期间国家层面颁布的氢能源相关政策大约22个,2019年之后到现在不到3年时间颁布的政策超过25个,地方层面的更是全面开花。

2019年,氢能源首次写入政府工作报告,之后迎来了相关产业政策发布的密集期。

近日,由北京市牵头申报的京津冀氢燃料电池汽车示范城市群,被财政部、工信部等五部委联合批准为首批示范城市群。在4年示范期间,五部委将对入围的城市群按照目标完成情况,通过“以奖代补”的方式给予奖励。

改革开放的另一个规律,是新生事物总要通过试点,得到印证后再推广。而某一级地方政府,常常就是那个探路的排头兵。

这是一步可轻可重的棋,如果进展顺利,应用中没有很大的问题,这个区域市场就可以培育中国的氢能源产业。如果进展不顺,也可以把负面影响控制在合理范围内,不至于造成太大的资源浪费和市场错配。

不过,从政策的角度观察,仅仅是自上而下认识行业的一个小方法,它仅可以参考,却不能依赖。更不能化解市场对于氢能源发展的分歧。想要得到更准确的结论,还需要看清事物的本质。

02 核心诉求是脱碳

氢气直接燃烧或通过燃料电池发电的产物为水,能够实现真正的零碳排放,对环境不造成任何污染,故而被誉为终极能源。

其次,纯电动车的电池,使用了大量锂、钴、镍等金属材料.金属材料的挖掘、生产加工等过程均有大量能量消耗及碳排放。相较于纯电动车,氢燃料电池车在制造过程中的碳排放也较低。

第三,燃料电池车的报废回收阶段,也比电纯动车回收,更容易且更有经济吸引力。

这三条加在一起,就是深度脱碳的由来。

但从能源替代的角度来看,仅仅做到清洁是不够的,还要兼顾效率和成本。

从能效上来看,氢气的热值约为140MJ/kg,高达煤炭、汽油等传统燃料的3倍以上;从储量上来看,氢是宇宙中含量最多的元素,大约占据宇宙质量的 75%,地球上丰富的水资源中蕴含着大量可供开发的氢能,未来是获取最便利和成本最低的能源之一。

与之相反,锂电池中锂、钴等金属材料成本,在电池总体成本中占据了绝大比例,其相对稀缺的供需格局,从锂电原材料动辄几倍的涨幅中,已经得到了验证。

目前,新能源车动力使用锂电池虽然是最佳选择,在大多数适用场景中,锂电池车的开发和应用也更加成熟,但由于电池重量、续航里程问题,依然存在限制。

限制发展的原因是能量密度,它已经达到一个瓶颈——国内的三元锂电池能量密度约为 240Wh/kg,磷酸铁锂电池能量密度约为180Wh/kg。这促生了另外两条技术路线——高镍化和固态电池。

但除了这些路线,还有一个现成的选择——氢能源汽车。由于能效高,它在里程和载荷方面拥有先天优势。

这也正是氢能源车这几年的落地,更多在客车和重卡,而非乘用车的原因。从目前的技术态势和认知上看,氢燃料电池和锂电池在未来三到五年的时间内,将持续互补关系:商用车是氢能源的根据地,乘用车是锂电池的主舞台。

但这种互补格局,会不会一直持续下去呢?答案是“压力正在压迫它改变”。

中国作为最大的二氧化碳排放国,在达成碳中和的道路上挑战重重。氢能源作为最清洁的能源,在应用方面场景方面极为宽广,供热、工业、建筑、交运等高排放量的领域有着广阔的前景,深度脱碳的属性注定其不可或缺。

而从全球的视角来看,氢能作为终极清洁能源的属性,导致各国均对此技术路径十分重视,积极布局氢能产业发展。

近两年,美国、日本、韩国、欧盟均采取了较大的政策力度加码氢能源产业,并出台了相关经济路径规划,力争领跑该赛道。截止到2021年初,全球共有约20个国家和地区发布了氢能发展规划或路线图。

这里面的道理,有点像逆水行舟,有些事情,不仅要跑得快,还要跑得比别人快。

从中国新能源推进的历史来看,用四个字可以总结:珠玉在前。

中国对光伏、风电、新能源车的产业政策大获成功,度电成本平价、汽车制造弯道超车,成为全球最具备竞争力的产业,成为了中国制造的名片。

这似乎给中国进一步推动氢能赋予了信心。占据氢能成本最大的电力会随着光伏、风能度电成本而下降,同时技术进步及大规模生产带来的制造和人力成本的下降。

因此,在全球氢能源产业资金跑步进场,国内新能源产业政策的逐步推进,成本不断下降的三重趋势下,政府开始密集出台促进氢能源产业发展的政策,并提出相应规划。

因此我们看到的测算与进程表,看起来是期望,实际上都是根据目标进行的倒推。

03 产业化行不行,看绿氢平价

氢能源产业链可以分为上游:氢生产与供应;中游:燃料电池及核心零部件;下游:燃料电池应用。

道阻且长:脱碳背后的中国氢能源

在氢气制取上,目前成熟的制氢手段主要包括化石能源重整制氢、工业副产制氢以及电解水制氢三种。

其中,化石能源制氢通过裂解煤炭或者天然气获得氢气,俗称“蓝氢”。工业副产制氢则是对焦炭、纯碱等行业的副产物进行提纯获取氢气,俗称“灰氢”。

本质上两者的氢气来源仍为传统的化石燃料。虽然通过碳捕捉与封存技术(CCS)可有效降低化石能源制氢过程中产生的碳排放,但长期来看只有可再生能源电解水制备的“绿氢”才能实现真正的零碳排放。

目前可再生能源制氢占比较小,化石能源制氢仍是主要的氢气来源。根据 IRENA 的测算,全球仅有 4%的氢气来自电解水制氢,其余均来自煤炭、天然气以及石油炼化领域。

而在“富煤、贫油、少气”的能源结构下,目前国内煤制氢的占比超过 60%,电解水制氢的比例则不到 2%。可再生能源制氢仍然任重道远,未来的发展空间巨大。

道阻且长:脱碳背后的中国氢能源

制约绿氢发展的因素是成本,绿氢生产成本中占比最高的为电力和电解槽,占比分别为50%和40%,所以降低电价和电解槽成本是中国实现绿氢工业化、规模化的两大核心环节。

随着光伏、风电的进一步降本,到 2030 年国内部分可再生资源优势区域,其度电成本到达到 0.1-0.15 元/KWh,

电解槽目前单位造价2500元/W;随着更大的槽体、更优质的制造工艺,以及技术环节的精进和材料的优化,有望降至1300元/W。

届时,绿氢成本将从 2020 年的 30.8 元/kg 快速降至 16.9 元/kg,实现与灰氢平价。

这种上游原材料的平价前景一旦达成,意味着氢能源的大规模产业化铺平了道路。那么,这条产业链的上下游,又如何实现传导呢?

04 储运关键指标:单位体积密度

众所周知,氢气在元素周期表位于第一位,意味着其质量小,体积小,因此密度低(ρ=m/V,忘记的朋友请找找初中物理书)。

氢气的性质十分活跃,很容易泄露和爆炸,储运过程消耗也大,所以在储氢罐投入的安全设计、存量设计成本很高。

因此,相较于石油、天然气等传统化石燃料,氢气在储运环节具有天然的劣势,发展进度缓慢。

如果按照方式划分,氢气储运可分为气态储运、液态储运以及固态储运三种。

气态储运的成本较低、充放氢速度较快,但储氢密度与运输半径较为有限,所以适用于短途运输。

氢气气态经济运输半径局限在200公里以内,每公斤氢运输成本为2块钱,0-100公里运输成本是4块钱/kg,运输压缩氢气的鱼雷车每车仅可运300kg。

中长距离大规模运输考虑管道和液氢运输,液态储运的储氢密度较大,但设备投资与能耗成本较高;固态储运则在潜艇等特殊领域有所应用,整体仍处于小规模试验阶段。

我们可以做一个简单理解:运输一车氢气,瓶子重量在95%以上,需求的氢气只有5%,而且不能长距离运输。所以这笔生意很不划算。

因此,只要是运氢气,总会面临这个问题:怎样在储运瓶里装更多的氢气?这又延伸出一条技术路线:如何增加氢气单位体积密度。

举个例子,一个书包想要装更多的衣服,压得越实,装得就越多。同理,储存的时候为了提升单位体积密度,也需要压缩。

但这个问题,并不能只靠单一环节解决,它需要一整套体系的匹配。

与电解水制氢类似,产业化程度的提升将有效降低氢气储运的成本,储运基础设施的建设与完善是后续氢能规模化发展的前提。

考虑到未来氢能的终端应用场景将更为丰富,氢气的储运环节也将朝多层次、体系化的方向演进。

气态储运方面就是增压减重,从储氢密度、轻量化等角度出发,提升技术及相应材料。

液态储运可以有效增加运输量,达到气态储运的10倍,也是一个很好的方向,目前国外技术相对成熟,国内主要应用在航空领域,未来随着规模化开展以及技术成熟,商用/民用有望得到进一步发展。另外就是建立输氢管道,加强基础建设。

而终端用氢需求,加氢站是必不可少的中转环节。

截至2020年12月31日,全国在建和已建加氢站共181座,已经建成124座,其中2020年总计建成加氢站 55座。在2020年国内建成的124座加氢站中,105座有明确的加注能力。我国加氢站布局数量最多的前三名为广东、河北和湖北,在运数量分别为61/44/36座,大型加氢站仍然匮乏。

加氢站建设投入成本较大,建设一座35MPa加氢站成本在1200万元。

这个费用看起来不低,但如果考虑到它的技术含量与参数要求,就会明白这是必须的。

打个比方,35MPa相当于350公斤的胖子,用大脚趾踩在1平方CM大的地方产生的力量,或者想象一下,用一根食指将当年压死秦武王的鼎举起来。

那么,又是谁拥有这么大的力量,将氢气灌到氢气瓶里?答案是压缩机。

在氢站建设中。整体设备成本占据了氢站建设成本的70%,而压缩机占据设备成本的50%,约450万左右,基本需要进口。

随着中国氢能不断推进,国产化替代进程加速,有望进一步去降本,关注压缩机是一个很好的投资方向。目前70MPa逐步进入商用,代表着单位体积可以储存更多的氢气。

新能源的商业化应用一定是基础建设先行,加氢基础建设是未来中国新基建的重点内容,随着氢燃料电池汽车应用规模的扩大,加氢站的市场需求也逐步提升。

目前加氢站建设成本仍然过高,随着国产设备突破和规模化生产,加氢成本会大幅下降,预计2050年成本为800万左右,将达到1.2万座,在2050年达到千亿元的市场规模。

新能源能否大力发展下去不只要看其物理、化学属性,也要看商用场景,氢能源车就是最有发展前景的应用,新能源车的动力是最核心的环节,同时适用于氢能能源。

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