明日氢能

    三十年前,只用声音和图像直接传递信息的人类,无法想象采用“0”和“1”作为传播介质会是怎样的世界。同样,生活在电网构架之中,习惯于插座取电的我们,也难以想象氢气介质,会造就怎样的能源世界。
一、定义

通常理解的氢能,是利用氢气与氧气的电化学反应生成水,同时产生电力的能源形式。从反应过程可看出氢能的优势:1)完全零排放;2)能源可再生;3)反应物氧气随处取用。

如果只有上述特征,那与其他可再生能源,如风电、光伏、核电、潮汐等相比,并不存在显著优势。在很多情况下,人们习惯于把诸多能源形式定位为竞争关系,而实际上,氢能真正优势在于,能与其他形式的能源联合使用。全球范围内,虽每年都投入巨资来利用可再生能源,但当今的能源结构依然是基于化石能源。以我国为例,西北部有丰富的风电和光伏资源,且用地成本非常低,但是,一方面,电力消费主要来自于东南沿海地区,输电需要巨大成本;另一方面,风电、光伏等自然资源非常不稳定,逆变上网技术难度很大,有时还会危害电网安全。所以,即使在上海、广东等土地资源稀缺地区,也倾向于选择火力发电,可再生能源实际利用率很低,甚至出现了大量弃电现象。如果把这些能源电解水转化成氢气,以氢气的形式储存、运输和发电,可以很好的提高资源利用率。

氢气利用起来非常容易,一来,可以用电池设备来高效转化为电力,生成的水可以直接饮用。二来,氢气燃烧可以提供很高的热值,用于加热或者取暖。由于性质与天然气类似,利用现有的天然气管道来传输氢气,不需要任何设备升级改造,可直接使用。

综合来看,氢气是一种优秀的“能源中间体”,可把其他不稳定能源转化为氢气,进行储存和运输,也易于把氢气转化成电、热、水等形式满足人类需求。这种中间体便于通过车辆或管道运输,且长期储能成本很低,可作为战略物资进行储存。

如果这种能源得到广泛应用,人类将彻底摆脱电网束缚,与今天信息网络相结合,真正做到随取随用,无线互联。
二、定位
    氢能并非一种难以掌握的未来科技,事实上,早已存在多种应用形式。50年前的美国“阿波罗11第一次实现载人登月,飞船上的供电装置便是燃料电池,电池反应生成的水作为宇航员的饮用水。当今,在一些离网地区,燃料电池供电设备由于噪音、成本等优势已逐步取代柴油发电装置。在军事领域,也凭借其静谧性和续航能力,成功应用于潜艇供电以及某些武器中。在传统的冶金、化工等领域,氢气也作为原材料而广泛使用。可见,全面开发氢能并不依赖未知领域的科技突破,而在于寻找合适的商业模式。
三、瓶颈

氢能全面铺开的制约因素是成本。人类系统化的开发化石能源已超过150年,进入“石油时代”也有50多年时间,现代社会是以化石能源为基础建立起来的,石油和煤化工产业链已非常成熟,各类产品的成本优化十分完善。现在的氢气大多采用电解水制备,依然建立在化石能源体系下,成本必定很高。人们长期使用石油化工产品已形成高粘性消费习惯,很难付出高得多的费用换取功能性差异不大的产品。

一些业界巨头在2017年缩减或退出了氢能领域的开发。韩国浦项制铁建造了世界上最大的170MW商业规模燃料电池系统,但在2017年退出该领域,只对原有设施进行义务性维持。日本东芝在部署了8万套家用燃料电池微型热电联供系统后,宣布停止销售该产品,只继续支持此8万套机组运行。美国通用电气将旗下燃料电池商业化活动重新纳入研究部门,裁减了60%员工,目前尚不清楚公司未来如何定位燃料电池业务。

 

氢能虽然前景广阔,全社会也呈现越来越浓的积极情绪,但整个行业的商业环境还处在起步阶段,依然脆弱,在形成气候之前,还需要保护。
四、突破

氢能之所以能成功应用于在航天、军工、离网供电等领域,是因为这些领域对成本不敏感。如果要在更大范围内进行推广,产品的盈亏平衡点就是关键因素,只有推出与传统产品成本持平甚至更低的产品,才会被广泛接受。

 

氢能汽车是很好的突破口,是因为:1)全球范围内,汽车有极大的消费量和保有量;2)现有汽车给环保和能源安全带来较大压力;3)最重要的,汽车使用成本很高。即使在国际油价大幅下跌,并长期维持在低位水平的情况下,普通乘用车每百公里的燃油成本一般也会超过50元,而同级别的电动汽车只需要5-10元,较大的成本差异给燃料电池汽车发展留下了一定空间。只有成功大规模铺开氢能汽车,氢气消费量才会大幅度增加,社会资本就会进一步布局新能源制氢、储氢、运输等细分子行业,从而完善和架构一个新的产业链,优化成本,反过来刺激全社会更加充分的利用氢能。
五、形式

政府层面多次出台鼓励政策和规划。20174月,三部委联合联合印发《汽车产业中长期发展规划》指出,2030年燃料电池系统产能不低于10万套。9月上海市科委发布的《上海市燃料电池汽车发展规划》指出,2020年之前建设加氢站5-10座,乘用车运行规模达到3000辆,到2025年加氢站50座,乘用车不少于2万辆。武汉和苏州也相继出台类似规划,从国家和地方政府层面看,燃料电池产业全面铺开的态势已渐行渐近。

 

产业资本已大量涌入。仅2017年,全球燃料电池产业已经产生了12个并购投资案例,涉及金额46亿元人民币。据第三方咨询公司Navigant预测,2020年全球氢燃料电池新车(乘用车+商用车)销量会在3万台左右;2024年这个数据能上涨到23万台。整个产业正逐渐形成方兴未艾之势。

六、优势

关键技术障碍已初现解决路径。电-电混合是具有中国特色的动力解决方案。燃料电池发动机最大的问题是汽车行驶工况下的控制技术和失效机理过于复杂。得益于近年锂电池汽车技术的长足发展,采用锂电池驱动,燃料电池储能的电-电混合技术方向已逐渐明晰。

产业资本已经着手从各方面降低产品成本:首先,可再生能源可能解决氢燃料昂贵的问题,有些地区可再生清洁能源特别丰富,甚至出现了弃电现象,利用这些地区的风电、光电、核电等电解水制氢,可极大的降低氢燃料成本,且整个生产过程无任何污染。其次,产业核心技术正逐步往国内转移。北京亿华通公司的发动机已突破5000小时的使用寿命。山东东岳批量化生产的质子交换膜寿命已经达到6000小时。国内还出现了一些生产低载量贵金属催化剂和非贵金属催化剂的企业。通过国产化降低成本的趋势正在形成。再次,产量效应将进一步显现。类似“十城千辆”的示范工程呼之欲出,产量递增将推动商业化的实质性进程。
七、对策

我们现在看氢能的未来,就犹如90年代看待互联网一样,充满机遇但风险极大,谁都愿意搭上行业快速发展的红利,但又不想被当成前浪拍在沙滩上,唯一需要做的,就是留在行业里,活下来。根据上面的分析,中小企业不一定要着眼于投入较高的核心技术部分,关键技术其实已被巨头掌握,新进企业应该把眼光聚焦于如何降低产业链中各环节成本,以及如何解决某细节关键问题。例如,加油站上的可再生能源发电生产氢气技术,利用不大的投资,在原有加油站功能的基础上增加加氢功能,解决开始阶段,需求量较小的加氢问题。例如,氢气难以从生成的水中分离出来,从而造成氢气直接排放的问题等。