21世紀“終極能源”之爭，中日差距有多大？

目前的成本水平使得氫能被稱為“21世紀人類終極能源”有點還不那么服眾。拉進中日氫能差距，拉低氫能成本，關鍵在于技術精進。

中國氫能走向康莊大道

氫能到底是不是“21世紀人類終極能源”？截至今天，全世界范圍內(nèi)學術界和業(yè)界就該問題尚未達成共識。贊成與反對陣營都很龐大，就反對者而言，現(xiàn)實的確給他們提供了充足的反對理由：

就在去年，全球氫燃料電池汽車先鋒日本及其國內(nèi)三大車企齊齊倒戈，轉投純電動汽車懷抱。

但是至少，中國的學術界和業(yè)界不是這么認為的。就在日本放慢氫能發(fā)展腳步的時候，中國氫能產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展之迅猛，卻超出不少人的想象。

2019年，氫能首次寫進《政府工作報告》。

2020年，氫能被寫入《中華人民共和國能源法》(征求意見稿)。同年，國務院發(fā)布的《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書指出，要加速發(fā)展綠氫制取、氫儲運和應用等氫能產(chǎn)業(yè)，促進氫能及燃料電池技術創(chuàng)新、氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。

2021年兩會上，氫能被正式列入國家“十四五”規(guī)劃和2035年愿景目標。目前國家、各省市已陸續(xù)推出近百項與氫能及燃料電池有關的產(chǎn)業(yè)政策，產(chǎn)業(yè)正處于導入發(fā)展期，產(chǎn)業(yè)政策環(huán)境對發(fā)展氫能及燃料電池有巨大的推動作用。

時至今年，政策力度仍在不斷加強。今年3月，國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》重磅出臺，帶來了行業(yè)期盼多年的頂層設計。這標志著整個氫能產(chǎn)業(yè)終于走上了康莊大道，讓眾多押寶氫能的從業(yè)者松了一口氣。

可以預見，我國氫能產(chǎn)業(yè)的騰飛已成定局。預計在未來，尤其是2030年以后，為達成“碳達峰、碳中和”的目標，氫能需求量將持續(xù)快速增長。到2050年，中國氫氣年產(chǎn)量將超過6000萬噸。

氫能優(yōu)點多多，價格一招致命

氫氣本身有許多優(yōu)點，而使之成為“21世紀終極能源”有力競爭者的核心優(yōu)點如下。

首先，氫氣無毒無害，且清潔性好。

從來源上看，通過對制氫源頭的工藝和生產(chǎn)控制，是可以實現(xiàn)氫氣成為綠色零碳排放的二次能源。從使用上看，無論是氫燃料電池還是氫氣的直接燃燒，氫能的利用過程中只產(chǎn)生可達到飲用標準的水，非常符合我國碳中和的目標需求。

國家高層近年來在國際國內(nèi)重要會議上，提出并多次強調(diào)我國在應對氣候變化的目標和建設低碳社會的雄心，并在2020年9月第七十五屆聯(lián)合國大會上提出“二氧化碳排放力爭于2030年達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和“。上到黨中央、國務院，下到公眾，在未來，“碳達峰、碳中和”都將是和各個行業(yè)、各種社會與生活事務息息相關的重要因素。

其次，氫氣的來源極為廣泛和豐富，畢竟氫元素占到了自然界的約75%。

目前主流的儲能方式，還是以鋰離子電池為代表的電化學儲能，但鋰離子電池不僅能量密度低，更致命的是，前瞻碳中和戰(zhàn)略研究院副院長李民指出，從長遠來看，使用基于鋰離子電池的儲能方案，會面臨鋰等關鍵資源匱乏的困局。而以氫氣作為能源的載體，則不虞耗盡風險。

最后，氫能作為21世紀人類終極能源，相關產(chǎn)業(yè)也是典型的高精尖，科技含量高、資本投入大、產(chǎn)業(yè)鏈長、帶動的產(chǎn)業(yè)范圍廣，是推動我國能源結構優(yōu)化、裝備制造業(yè)轉型升級和動力系統(tǒng)革命的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

但與此同時，氫能發(fā)展存在幾個難以回避的問題，如果不能得到解決，中國氫能振興之路將遙遙無期。

目前，氫燃料電池汽車整車造價仍然不具市場競爭性。比如：今年7月，長安旗下新能源品牌深藍發(fā)布了新車SL03的氫燃料汽車，造價69.99萬元人民幣。即便是國際領先的豐田Mirai II，造價44.5-50.5萬元人民幣，也不具備市場競爭力。

而且，不僅買車貴，用車也貴。目前國內(nèi)已建成260多座加氫站，然而很遺憾，正在運營的也只有50多座。

在終端價格方面，加氫站所供給的氫氣產(chǎn)品價格目前為每公斤約60元，每公斤氫氣能驅動汽車跑約100公里，也就是每百公里要花費約60元的燃料費。然而燃油車呢？2021年我國乘用車每百公里油耗上限要求已經(jīng)下降到每百公里5L，以目前油價8-9元/L計算，每百公里花費在40-45元。請注意，這還是在目前油價高企時的結果，如果油價大幅下降到6元/L等級，那么燃油車的每百公里花費只有約30元，是目前氫燃料電池汽車燃料費的一半。

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院副院長李民表示：“當加氫站的產(chǎn)品氫氣價格降至30元/公斤以下時，氫燃料電池汽車才有與燃油車競爭的能力。”

制取氫能價格還未下降到位

要解決上述有關氫能及燃料電池經(jīng)濟性和競爭性問題，必須通過氫能全產(chǎn)業(yè)鏈上技術、工藝、生產(chǎn)制造以及市場應用等關鍵方面上來創(chuàng)新、迭代、升級以實現(xiàn)!

以下是按照氫能全產(chǎn)業(yè)鏈——制氫、儲氫、運氫、用氫方面的分析研究以論證氫能為何為21世紀人類終極能源。

作為二次能源的氫能，氫氣的制取有如下幾種工藝和生產(chǎn)途徑：

1. 化石能源制氫，包括天然氣制氫、煤制氫、工業(yè)副產(chǎn)氣制氫、工業(yè)醇類制氫等。這些工藝過程所制取的氫氣統(tǒng)稱為灰氫，即：在氫氣制取過程中有大量二氧化碳排放。同時，如果這些灰氫用CCUS技術和工藝處理后將成為藍氫，因此，藍氫成本相當高。

2. 電解水制氫，該工藝和生產(chǎn)過程使得綠氫(即：零碳排放)的制取成為現(xiàn)實。

目前，各種制氫方式的市場占比比較如下：

2021年，國內(nèi)天然氣制氫占32.7%;煤炭制氫占29.4%;工業(yè)副產(chǎn)氫占23.6%;其他醇類和商業(yè)尾氣制氫約占11.4%，電解水制氫約占3%。

相比較而言，2021年全球范圍內(nèi)制氫方式的占比為天然氣制氫占54.3%;煤炭制氫占12.3%;工業(yè)副產(chǎn)氫約占5.8%;其他醇類和商業(yè)尾氣制氫約占21.6%，電解水制氫約占6%。

同樣，在2021年，日本的制氫方式的占比為天然氣制氫占9.2%;煤炭制氫占7.6%;工業(yè)副產(chǎn)氫約占17.8%;其他醇類和商業(yè)尾氣制氫約占16.3%，電解水制氫約占49% (主要為鹽水電解水制氫)。

如前所述，只有電解水制氫工藝和生產(chǎn)過程才能實現(xiàn)零碳排放的綠氫，關鍵是，要實現(xiàn)這一目標，一定要用零碳排放的電(即：綠電;比如太陽能、風能、水電、核能)，來電解水制取的氫。

要使得氫能有效地促進中國實現(xiàn)碳中和目標，使其真正承擔起21世紀終極能源的歷史責任，必須要大力發(fā)展綠電電解水制綠氫這個產(chǎn)業(yè)。

我國具有發(fā)展綠電電解水制取綠氫的優(yōu)異的技術、地理和市場優(yōu)勢，比如：可以充分利用巨量的西北地區(qū)的棄光和棄風，來進行電解水制取綠氫。

同時，從規(guī)?；袌鰬媒嵌?，可通過中國的國際領先的特高壓輸送技術，把這些綠電輸送到東南沿海，進行市場消納，特別是電解水制取綠氫。另一個途徑是采用上述利用棄光和棄風所制取的綠氫，在西北當?shù)剡M行儲存，然后輸送到東南沿海，進行市場消納。

電解水制氫目前主要有三種技術路線，即：堿性電解水(AWE)，質(zhì)子交換膜(PEM)電解水以及固體氧化物電解水(SOEC)三種技術路線。

主流的堿性電解水技術雖然成本相對較低，但效率偏低、產(chǎn)氫純度偏低、強堿腐蝕性、沉淀堵塞降低性能以及動態(tài)響應速率慢等諸多嚴重問題，使其在氫氣產(chǎn)出需求大漲的今天已經(jīng)不敷使用。

而在高速發(fā)展的質(zhì)子交換膜(PEM)電解水技術上，我國尚處于技術落后狀態(tài)。核心問題在于組成膜電極的核心零部件——質(zhì)子交換膜、催化劑等。

基于酸性條件下的PEM電解水制氫對陽極側的催化劑載體與電解池材料的抗氧化與耐腐蝕要求高，滿足條件的催化劑只有鉑、銥等貴金屬及其氧化物。然而，這兩種貴金屬在地殼中的資源儲量及全球年產(chǎn)量都非常少，資源稀缺、價格昂貴。

盡管，近年來PEM電解槽成本已下降超過40%，但材料成本過高仍是PEM水電解制氫技術進一步發(fā)展亟待、解決的主要問題。

在這方面，國內(nèi)稍稍落后，國際領先水平的催化劑用量已實現(xiàn)<0.2g/kW，而國內(nèi)最頂尖的催化劑用量普遍處于約0.35g/kW的水平。

因此，質(zhì)子交換膜技術卡脖子問題依然嚴重，大量依賴進口。

另外，氫氣的儲存與運輸有如下幾種工藝和實施途徑：

氣態(tài)儲運、液態(tài)儲運以及固態(tài)儲運。在這方面，問題同樣出在材料。氣態(tài)儲運分成兩種形式，主流的是高壓氣態(tài)儲運，通過長管拖車運載裝著氫氣的高壓儲氫瓶運輸，占所有儲運方式超過80%。高壓氣態(tài)儲運的難點在于，氫氣是分子最小的元素，密度最低，易散性最強等特點，想要提高其儲運效率，必須將其加壓到數(shù)百個大氣壓的高壓，使得儲氫瓶瓶壁材料承受巨大的考驗;與此同時，氫氣，尤其在高壓環(huán)境下極易和金屬反應，發(fā)生“氫脆”現(xiàn)象，對金屬結構與強度造成破壞，所以儲氫瓶材料最好不用金屬。

非金屬，又耐壓，并且輕便。這樣的東西的確是有，比如：碳纖維和工業(yè)樹脂。

在國際范圍內(nèi)，35MPa的III型儲氫瓶乃至70MPa的IV型儲氫瓶已經(jīng)在車用領域實現(xiàn)普遍應用。

所謂IV型瓶，就是純粹的非金屬儲氫瓶，以特殊的工業(yè)化學樹脂作為內(nèi)膽，中層是碳纖維強化樹脂，外層是玻璃纖維強化樹脂的高壓儲氫瓶。

但在國內(nèi)，應用最普遍的還是35MPa III型儲氫瓶，以鋁為內(nèi)膽。

比起III型瓶，Ⅳ型瓶可以抗氫脆，更安全;且儲氫密度可以達到6.0wt%以上，高于III型瓶的約3.5wt%;由于其材質(zhì)，IV型瓶本身重量也輕得多。

同時從經(jīng)濟性上來講，Ⅳ型儲氫瓶制造成本要比III型瓶低得多，而且其由于內(nèi)膽為樹脂，不易疲勞失效，使用壽命較長，進一步降低了消費成本。

對于Ⅳ型儲氫瓶，國內(nèi)無論是在樹脂內(nèi)膽材料還是中層、外層碳纖維/玻璃纖維纏繞材料上，都長期嚴重依賴進口，高壓儲氫瓶口閥門組與樹脂內(nèi)膽之間密封等關鍵技術也被卡脖子。高壓儲氫瓶口閥門組技術基本由日本捷太格特、加拿大GFI和美國Luxfer等國外公司掌握。

由于上述技術受制于人，自然無法降低儲氫成本。

當然，國內(nèi)也不是毫無寸進。在碳纖維材料方面，據(jù)悉，上海石化去年已取得了重大突破。其公告中稱，“今年10月，我國首個萬噸級48K大絲束碳纖維工程，第一套國產(chǎn)線在中國石化上海石化碳纖維產(chǎn)業(yè)基地投料開車并生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。”

李民進一步指出，同時，另一種投入商業(yè)化應用的氣態(tài)儲運形式是通過管道，輸送含氫氣的混合氣體(比如氫氣-天然氣混合氣體)，好處是一次建設，終身使用，壞處是初始投資大，需要慢慢布設，氫氣分離的成本較高(比如：膜分離器提取氫，氫-天然氣混合氣體重整提取氫)，遺憾的是，國內(nèi)在氫氣的混合氣體分離技術方面同樣存在卡脖子技術問題。

中國氫能聯(lián)盟發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》指出，截止2021年，全世界總共只有不到5500公里的輸氫管道，基本分布在美國、日本、歐洲。

在液態(tài)氫氣儲運方面，一種方法是低溫液態(tài)氫氣儲存與運輸，把氫氣溫度在高壓下降低到-240℃以下，使其液化，體積可以縮小800倍以上，相較氣態(tài)運輸效率提高12倍以上;另一種方法是有機液體氫氣儲運，比如：用工業(yè)甲苯，經(jīng)過加氫反應，使其變成甲基環(huán)己烷(物理特性與柴油類似)運輸，使用時再經(jīng)過脫氫反應，獲得滿足氫燃料電池所需純度的氫氣。

在液態(tài)氫氣儲運的技術及市場應用方面，日本處于國際領先地位，尤其在低溫液態(tài)氫氣儲運方面。

然而，這兩種液態(tài)氫氣儲運技術的經(jīng)濟性都較差，比如：低溫液態(tài)儲氫罐采用的是多層真空隔熱材料，其成本相當昂貴，有機液體儲氫由于采用了加氫和脫氫工藝過程，使其成本同樣高昂。

有關固態(tài)儲氫，實際上是固態(tài)金屬儲氫，目前已實現(xiàn)小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，但離規(guī)?；虡I(yè)應用仍有一段距離，最大挑戰(zhàn)是如何達到理想化的重量能量密度。

使用氫能也有價格大山

接下來我們討論一下加氫站產(chǎn)業(yè)。

加氫站所包含的高能耗設備和材料相當多，即：多級氫氣壓縮機、加氫槍，以及各種類型的高壓儲氫罐(長管車，加氫站儲氫罐)等加氫站內(nèi)的核心設備基本上依賴進口，這方面技術卡脖子的問題尤為突出。

李民指出，按照國際能源權威機構發(fā)布的信息，一個規(guī)?；逃眉託湔镜慕ㄔO造價可達1200-1500萬元人民幣。另據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(2020)》，加氫站設備與材料的成本占其建造成本的約90%。

相較而言，1個擁有10臺輸電槍的充電站(用于純電動汽車)，只需要80-100萬人民幣的建設造價，因此，目前加氫站在經(jīng)濟性方面還無法與充電站比擬，所以為了盡快提升加氫站經(jīng)濟性與競爭性，解決上述核心設備與材料技術卡脖子問題，以促成國產(chǎn)化替代尤為迫切。

值得期待的是，上述關鍵設備，如：氫氣壓縮機、加氫槍一旦實現(xiàn)國產(chǎn)化替代，建站總成本有望下降超過50%。

從世界范圍來說，加氫站供給的氫氣產(chǎn)品價格基于：制氫成本-約50%;氫氣儲運成本-約20%;以及加氫站成本-約30%。

在氫氣的產(chǎn)業(yè)用戶方面，其最重要的應用場景之一——氫燃料電池汽車上，氫燃料電池電堆占了氫燃料電池系統(tǒng)總成本的約60%，而氫燃料電池系統(tǒng)又占了整車總成本的約55%。

李民表示，我國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)處于導入的關鍵時期，取得了相當程度的技術突破與產(chǎn)業(yè)發(fā)展成果，換句話說，我國已初步掌握了氫燃料電池電堆及系統(tǒng)的工藝及生產(chǎn)的關鍵技術，已經(jīng)具備了規(guī)?；虡I(yè)應用的條件。

然而，由于氫燃料電池系統(tǒng)關鍵材料與核心零部件技術并未完全掌握，導致氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈并不完備，國產(chǎn)化程度仍然較低。因此，導致國內(nèi)氫燃料電池技術產(chǎn)品的發(fā)電效率、比功率、可靠性及經(jīng)濟性與國際領先水平相比仍有較大差距。

事實上，我國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)目前呈現(xiàn)“倒金字塔”結構，系統(tǒng)集成類企業(yè)眾多，而關鍵材料和核心零部件卻嚴重依賴進口，比如質(zhì)子交換膜、氣體擴散層(碳紙)、金屬雙極板、電控噴氫器、氫循環(huán)泵、氫氣濃度傳感器、高壓儲氫瓶口組合閥、減壓器、空壓機背壓閥、玻璃纖維儲氫瓶材料、儲氫瓶用樹脂材料以及氫燃料電池混合動力控制系統(tǒng)等。

正因為上述眾多的卡脖子技術，導致我國目前的氫燃料電池汽車(如：SL03)的成本居高不下，完全不具市場競爭性。

舉例說明：目前中國在氫燃料電池系統(tǒng)的成本上最好能做到約7000元/ kW左右(額定功率為60 kW)，每輛氫燃料電池汽車造價約為70萬元人民幣。

相比之下，國際領先的豐田Mirai II的氫燃料電池系統(tǒng)成本約為2900元/ kW(額定功率為100 kW)，每輛Mirai II汽車造價約為48萬元人民幣。

顯然，一定要在上述氫燃料電池電堆及系統(tǒng)關鍵材料和核心零部件的卡脖子技術上，盡早實現(xiàn)突破，以早日實現(xiàn)其國產(chǎn)化替代。同時，盡快使國內(nèi)氫燃料電池系統(tǒng)成本降低到2000元/ kW，從而使氫燃料電池汽車徹底具有經(jīng)濟性和市場競爭性。

眾所周知，純電動汽車有幾個嚴重問題。首先，電池在低溫環(huán)境下迅速衰變，導致續(xù)航里程大幅縮短;其次，電池充電效率令人非常頭疼，一般需要30分鐘才能充電至80%。

相比之下，上述這些問題對氫燃料電池汽車而言反而成為明顯的優(yōu)勢。首先，氫燃料電池汽車在-35℃至45℃環(huán)境溫度下，依然可以滿功率工作，從而續(xù)航里程得到保證;同時，氫燃料電池汽車可以高效快速加氫，一般加滿氫僅需3-4分鐘。

因此，僅憑這兩大優(yōu)勢，氫燃料電池汽車就應該是未來新能源汽車發(fā)展的重要方向。

總而言之，氫能是毫無疑問的21世紀人類終極能源。固然，當下氫能產(chǎn)業(yè)各個環(huán)節(jié)的發(fā)展都存在不能忽略的困難與挑戰(zhàn)，但這些困難與挑戰(zhàn)都將隨著我國不斷加大自主創(chuàng)新能力而迎刃而解。

在保護我國能源安全、優(yōu)化能源結構、推動產(chǎn)業(yè)升級等多個意義上，氫能產(chǎn)業(yè)都將發(fā)揮至關重要的作用。在國家的強力扶持、社會的大力擁護和產(chǎn)業(yè)及科學界攜手努力之下，相信我國氫能產(chǎn)業(yè)的前景一片光明。