2022 年氫能源又「熱」了起來。
服務(wù) 2022 北京冬奧會的豐田 Mirai 和柯斯達氫燃料電池車
一方面出于近期電池原材料的瘋漲,「妖鋰」、「妖鎳」頻出,很多人對鋰電池的未來開始變得不再那么樂觀;另一方面北京冬奧會的成功舉辦,大大提高了氫能源車的曝光量,包括豐田的二代 Mirai。
對于氫能源,國內(nèi)外一直有著兩派截然相反的聲音:一種認為氫是絕對環(huán)保的終極能源,現(xiàn)在的化石能源、鋰電等都只是過渡,未來將一統(tǒng)天下;另一種則認為氫本身昂貴又危險,只會胎死腹中,根本沒有未來。
為了避免被「二極管」式的言論誤導,我們先來看看國家的規(guī)劃和意見,恰好在 3 月 23 日,國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035 年)》(以下簡稱《規(guī)劃》),明確了氫能的三大「戰(zhàn)略定位」:氫能是未來國家能源體系的重要組成部分;氫能是用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體;氫能產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向。
隨著頂層設(shè)計落地,為了更好地理解國家的規(guī)劃和氫能源未來的發(fā)展方向,先要了解一下國內(nèi)氫能源發(fā)展的現(xiàn)狀。
01 我國氫能源現(xiàn)狀:制氫優(yōu)勢明顯,但仍處于發(fā)展初期
首先和很多人印象相反的是,中國是世界上最大的制氫國,年制氫產(chǎn)量約 3,300 萬噸,其中,達到工業(yè)氫氣質(zhì)量標準的約 1,200 萬噸。
不過從制氫來源來看主要是工業(yè)副產(chǎn)氫和煤制氫,仍屬于不太環(huán)保的「灰氫」,如果在這個過程中結(jié)合碳捕集利用與封存(CCUS)技術(shù),最多可降低 80% 碳排放,這就變成了相對環(huán)保的「藍氫」,不過要實現(xiàn)終極零排放的環(huán)保目標,還得靠「綠氫」,恰好這方面我國也有不小的優(yōu)勢。
中國工程院院士陳清泉在電動汽車百人會 2022 上提出:「 我國有豐富的可再生能源的資源,太陽能、風能、水力能。我國可再生能源稟賦相當于我國峰值能源需求總量的 2.7 倍」。目前我國可再生能源裝機量全球第一,并且還在快速增長中。
政府補貼了 10 多年后,我國光伏行業(yè)處于全球領(lǐng)先地位
我國中西部有大片光照充足、人煙稀少的地方非常適合發(fā)展光伏發(fā)電,同時經(jīng)過十多年的政策扶持,我國在光伏發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)也全球領(lǐng)先。根據(jù)官方數(shù)據(jù),2021 年我國光伏發(fā)電新增裝機 54.88 GW,光伏發(fā)電量達到 3,259 億 kWh,同比增長 25.1%。出口方面,我國光伏產(chǎn)品出口超過 284 億美元,同比增長 43.9%。
在技術(shù)提升和規(guī)模效應(yīng)的雙重作用下,我國光伏發(fā)電的成本在快速下降,去年 6 月四川甘孜州正斗一期 200 MW 光伏基地開標,最終以 0.1476 元/kWh 的超低價中標,并且這一價格包含了生態(tài)維護的費用。
除了光伏發(fā)電,我國水利發(fā)電、核電(擁有最多的在建核電站)、風能這些環(huán)保的可再生能源發(fā)電未來都有不小的優(yōu)勢,隨著成本的降低,未來用這些能源通過「電解水」所制成的「綠氫」對完成 2030 年碳達峰、2060 年碳中和的目標有著重大意義,同時也能減少能源的對外依賴程度。
總體來看,無論是現(xiàn)階段主要用化石能源、工業(yè)副產(chǎn)品制成的「灰氫」,還是未來用可再生能源制成的「綠氫」,我國都有不小的優(yōu)勢。
不過《規(guī)劃》也指出,我國氫能產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初期,存在產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力不強、技術(shù)裝備水平不高等問題。相關(guān)核心設(shè)備依然主要依靠進口,一些關(guān)鍵技術(shù)存在短板,制氫設(shè)施、氫能儲存與輸送設(shè)施、加氫站布局及氫安全輔助設(shè)施等在內(nèi)的氫能基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展滯后。
這些問題反映到現(xiàn)實中便是我國目前對氫能的利用還主要在于化工領(lǐng)域作為原材料使用,每年還有不少氫氣被「空排」浪費掉了。
那么生產(chǎn)了這么多氫氣,除了化工領(lǐng)域外,還有什么用途呢?可以先從大家比較關(guān)心和熟悉的汽車領(lǐng)域說起。
02 氫能源車現(xiàn)狀:乘用車難普及,商用車靠補貼
首先目前氫能源車分為兩派——氫內(nèi)燃機和氫燃料電池,目前國內(nèi)吉利、長城以及紅旗都已經(jīng)發(fā)布了自研的氫內(nèi)燃機,簡單理解就是發(fā)動機過去燒的是油,現(xiàn)在改燒氫氣了。好處是可以繼承燃油車的體系,研發(fā)難度低,壞處是幾乎也繼承了燃油車的全部缺點,驅(qū)動效率和駕駛體驗無法與電驅(qū)動相提并論,同時即便是「燒氫氣」,因為空氣中有七成的氮氣,在高溫高壓下仍會產(chǎn)生嚴重污染空氣的「氮氧化合物」,背離了氫能源零排放的環(huán)保初衷。
750hL,寶馬很早就開始研發(fā)氫能汽車了
寶馬從上世紀 90 年代開始了氫內(nèi)燃機的研究,2000 年制造了 15 輛氫氣發(fā)動機轎車——寶馬 750hL,搭載一臺 5.4 L V12 發(fā)動機,既能「燒油」也能「燒氫氣」,雖然技術(shù)確實很領(lǐng)先,但在使用氫氣作為燃料時,最大功率和峰值扭矩分別只有 150 kW 和 300 N·m,同時巨大的氫氣罐占據(jù)了大半個后備廂,實用性非常差。
寶馬 iX5 Hydrogen,今年下半年應(yīng)該會上市
因此寶馬也逐步開始停止氫內(nèi)燃機的研發(fā),開始轉(zhuǎn)向更能代表未來的氫燃料電池汽車,實際寶馬在上世紀 70 年代就開始了相關(guān)研究,今年將發(fā)布的 iX5 Hydrogen 便是代表,最大功率將達到 275 kW,在低溫下續(xù)航能超過 500 km。
此外馬自達還公布過氫能轉(zhuǎn)子引擎,但始終停留在 PPT 和專利上,總體來看未來氫能汽車主要還是要看氫燃料電池汽車。
本田的電動化轉(zhuǎn)型十分激進
目前仍在氫燃料電池乘用車上大規(guī)模投入生產(chǎn)的只剩下豐田、現(xiàn)代和寶馬,2021 年本田和日產(chǎn)分別宣布了停產(chǎn)氫能源車的消息,轉(zhuǎn)而投向電動車的懷抱,4 月 12 日,本田公布了非?!讣みM」的電動化轉(zhuǎn)型計劃:未來 10 年,在電動化和軟件領(lǐng)域共計投入約 5 萬億日元,到 2030 年,將在全球市場推出 30 款純電動汽車,計劃年產(chǎn)量超過 200 萬輛,2024 年開啟全固態(tài)電池生產(chǎn)線。
2021 年全球氫燃料電池乘用車(FCEV)的銷量為 1.6 萬輛,其中現(xiàn)代 NEXO 和豐田 Mirai 全球銷量分別為 9,620 和 5,918 臺,其他廠商和車型基本可以忽略不計。作為對比,2021 年全球電動車的銷量達到 650 萬輛,同比增長 109%,占全部乘用車的 9%,相比起來,氫燃料電池車的份額不值一提。
現(xiàn)代 NEXO,已經(jīng)是目前全球賣得最好的氫燃料電池乘用車了
要知道豐田和現(xiàn)代為了推廣自家的氫燃料電池產(chǎn)品,已經(jīng)非常賣力了。比如在美國購買指導價 62,385 美元的現(xiàn)代 NEXO Limited 車型,官方直降 2 萬美元,外加 8,000 美元的聯(lián)邦稅收抵免和 4,500 美元的加州清潔車輛退稅,最終到手只要 29,885 美元,還有六年的無息貸款,這個嘗鮮成本已經(jīng)非常低了,但還是很少有美國人買(NEXO 銷量大頭在本土韓國)。
而沒人買的原因也很簡單:體驗差。
體驗差的第一點在于沒有加氫站,數(shù)據(jù)顯示 2020 年底,美國本土只有 49 座加氫站,全球加起來也只有 553 座,這可比「電動爹」的里程焦慮夸張多了,基本只能圍繞有加氫站的地方開車。
2019 年挪威一加氫站發(fā)生爆炸
而加氫站和氫燃料電池車就像「先有雞還是先有蛋」的問題,沒有車來加氫,自然沒有動力建加氫站,沒有加氫站,自然沒有人愿意買氫燃料電池車。而即便在政府的大力補貼下,加氫站大部分也處于虧損狀態(tài),因為其本身的建設(shè)成本就非常高,我國每座加氫站的成本大概在 1,000—1,500 萬元,是傳統(tǒng)加油站的 3 倍。同時由于加氫站一旦發(fā)生爆炸,其破壞力非??植?,因此周圍的居民會強力抗議反對,挪威、韓國本土都已經(jīng)發(fā)生了類似的事件。
豐田 Mirai 二代用了 3 個儲氫罐,續(xù)航里程能達到 850 km,但嚴重擠占了車內(nèi)空間
另外碩大的儲氫罐占據(jù)了車內(nèi)寶貴的空間,豐田 Mirai 二代和雷克薩斯 LS 同平臺打造,但是后排和后備廂空間遠不如前者,另外盡管是電驅(qū)動,但目前燃料電池的功率十分有限,在動輒 3、4 秒加速的電動車面前,豐田 Mirai 9 秒左右的加速太平庸了。
因此業(yè)界目前普遍認為,氫燃料電池在商用車上更有前途,尤其是重卡。首先氫氣作為最小的分子,來源豐富,質(zhì)量能量密度高,熱值達到 142 MJ/kg,是汽油的 3 倍,是鋰電池的 200 倍。另外加氫的速度非??欤瑢τ谧非笮实目ㄜ囁緳C來說,如果采用純電動卡車,不僅要拖著重達 4、5 噸的電池包,每次幾個小時的充電時間也是難以容忍的。最后重卡的行駛路線相對固定,加氫站的布局可以更高效。這幾點優(yōu)勢都讓氫燃料電池的商業(yè)化看到了曙光。
正在加氫的上汽大通 V80 氫能源車
不過目前氫燃料重卡的成本仍然高企,燃料電池堆系統(tǒng)占了整車成本的 65%,中間很多關(guān)鍵部件都是進口的。據(jù)了解,目前一輛功率達到 110 kW,載重超過 31 噸 的氫燃料電池重卡出廠價在 130—150 萬元左右,如果按照 1:1 的地補標準,2020 年購買可享受 54.6 + 54.6 萬元的補貼,最終價格可以和傳統(tǒng)柴油卡車 30—40 萬元的售價差不多,考慮到國補和地補的退坡,如果終端降本的速度不夠快,那么很難吸引「卡友們」去購買一臺氫燃料電池卡車。再比如 2018 年一臺上汽大通 V80 氫燃料版的售價為 130 萬元左右,國家補貼 100 萬后才有了 30 萬左右的終端價格,而其汽油版只需要 10 多萬元。
特斯拉純電半掛 Semi,大概率明年能量產(chǎn)上市
與此同時,氫燃料重卡還面對「換電」這一模式的沖擊,目前吉利、寧德等巨頭已經(jīng)在布局,同時大洋彼岸的特斯拉 Semi 即將在明年發(fā)布,據(jù)稱在搭載 4680 電池后,續(xù)航里程能達到接近 1,000 公里,充電 30 分鐘能行駛約 650 公里,如果這些參數(shù)能實現(xiàn),可能暫時沒有氫燃料電池重卡什么事了。
目前來看,氫燃料電池在乘用車上的發(fā)展已經(jīng)遠遠被電動車甩下,在商用車領(lǐng)域目前嚴重依賴補貼(好在因為門檻很高,所以不用怎么擔心「騙補」),相當長一段時間里,氫能源車都只是一個配角,在《規(guī)劃》里提出到 2025 年我國的氫能源車保有量要達到 5 萬輛,這個保有量不到特斯拉上海工廠一個月的產(chǎn)量,其中基本都會是氫燃料電池商用車。
03 鋰電池車還是氫燃料電池汽車,日本說了不算
時間回到 2010 年,那個時候的電動車也普遍不被看好,但是通過國家超 3,000 億的巨額補貼以及發(fā)綠牌等政策紅利,最新乘聯(lián)會的數(shù)據(jù)顯示,3 月份新能源車的滲透率已經(jīng)達到了 28.2%,替代燃油車已經(jīng)不是一句玩笑話了。
試想如果在同一時期氫燃料電池得到中國、美國、歐洲同樣力度的支持,在政策、資本和人才的共同努力下,其成本將明顯下降,數(shù)據(jù)顯示從 2010 年到 2020 年間,全球鋰離子電池組平均價格從 1,100 美元/千瓦時降至 137 美元/千瓦時,降幅達 89%。如果氫燃料電池能實現(xiàn)類似的降本之路,絕對不止是在冬奧會上展示一下。
拜登在福特工廠演講,推銷 1740 億美元的電動車推廣計劃
但目前來看,中美歐已經(jīng)默契地選擇了鋰電池路線,只是把氫燃料電池作為一個備選方案,氫燃料電池車的潛力再大也只是潛力了。
其原因就在于日本在氫能源領(lǐng)域積累的壁壘過于高,目前全球氫能源的布局和技術(shù)上,僅豐田一家就有 6,000 個左右的核心相關(guān)專利,占了全球的一半左右,擺出了一副「吃獨食」的姿態(tài),如果選擇了重點發(fā)展氫燃料電池的路線,等于是在替日本「打工」。
而中美歐汽車市場加起來占了全球的 65%左右,對比日本市場只有 5% 左右,同時中美歐 GDP 加起來是日本的十倍,即便日本再想推廣氫能源車,本土的那點市場和資金也無法支持技術(shù)和產(chǎn)品的持續(xù)快速迭代升級。
04 被低估的氫儲能:光電、風電好搭檔
上面提到雖然我國目前發(fā)電、制氫主要都依賴于「煤電」,但未來水利、光伏、風能、核能將逐步成為主角,國際能源署(IEA)發(fā)布的《全球能源行業(yè) 2050 凈零排放路線圖》指出,到 2050 年,全球近 90% 的發(fā)電將來自可再生能源,風能和太陽能光伏發(fā)電合計占近 70%。
沙漠中的光伏太陽能電池板
不過這些可再生能源都有一個很大的特點——不穩(wěn)定,比如光伏發(fā)電完全是「看天吃飯」,不同季節(jié)、不同時候的發(fā)電量天差地別,這點是十分「不討喜」的,電網(wǎng)大部分時候很難容納這種電,假如光伏發(fā)的電直接連接到你的電器上,要么經(jīng)常斷電,要么燒掉。
因此每年就有很多電被白白浪費掉了,相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計, 2018 年中國光電、風電和水電的棄電量就超過了 1,000 億度。
因此儲能就成了非常關(guān)鍵的一環(huán),國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)的《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》指出,到 2025 年,國內(nèi)的新型儲能裝機規(guī)模要達 30 GW 以上,其規(guī)模是 2020 年的十倍。相關(guān)機構(gòu)預(yù)測,到 2030 年我國大部分地區(qū)光儲結(jié)合可實現(xiàn)平價,儲能市場空間可達 1.2 萬億以上。
抽水蓄電,目前已經(jīng)比較成熟了
目前儲能主要有兩種模式,第一種「抽水蓄電」,這種方法成本可控,但遇到?jīng)]水的地方就不好使了,而風電、光伏發(fā)電未來很大一部分都在中西部缺水的荒涼地帶;另一種是「電化學」,主要是用大量電池組儲存電能,成本太高,并且不適合長期儲存電量。
用光電、水電、風電來電解水制成的氫屬于「綠氫」
相對來說,氫儲能是一個比較理想的方案,基本原理是用風電、光電、水電等發(fā)的電用來電解水,得到氫氣將其存儲起來,如果電網(wǎng)需要則再把氫氣通過燃燒或燃料電池等方式變?yōu)殡姡斎灰部梢杂糜诨せ蛴米鹘煌ㄟ\輸。
舉個例子,在我國西部某地方的一片光伏發(fā)電區(qū)域,可能面臨夏季發(fā)電量過多而冬季發(fā)電量不足的情況,這個時候可能要將半年發(fā)的電儲存起來,顯然熱值高的氫氣更合適,同時還能夠通過管道、長罐拖車方式把存儲的氫氣送到用電量高的地區(qū)。
中國科學院院士歐陽明高表示,從規(guī)模儲能經(jīng)濟性上看,固定式規(guī)?;瘍浔入姵貎﹄姷某杀?strong>低一個數(shù)量級,在能源利用的充分性方面,氫能大容量、長時間的儲能模式對可再生電力的利用更充分,氫能是集中式可再生能源大規(guī)模長周期儲能的最佳途徑。
當然,這種「電—氫—電」的方式確實效率不夠高,目前只有 30—50%,并且目前電解水制氫的成本也不低,未來高效且低成本的電解水制氫技術(shù)是一大突破方向。
總體來看,隨著未來可再生能源的快速發(fā)展,氫儲能的潛力非常巨大,甚至超過了氫燃料電池汽車。
05 寫在最后
目前對于氫能源的未來,業(yè)內(nèi)業(yè)外的爭議和分歧仍然非常大,隨著國家頂層設(shè)計的出爐,氫能源是未來國家能源體系的重要組成部分地位確立,氫能源也將起著越來越重要的角色。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟的預(yù)測,2050/2060 年氫能在我國的能源體系將占到 10% 和 20% 的份額。
氫動力概念飛機,預(yù)計 2035 年落地
在氫氣的應(yīng)用方面,目前來看氫能源乘用車大規(guī)模普及的幾率微乎其微,商用車領(lǐng)域?qū)⒑碗妱榆囌娓偁?,而氫儲能的潛力明顯被低估,未來或?qū)缪菡弑葰淙剂想姵剀嚫匾慕巧?。另外在建筑配套供能、能源分流、氫動力飛機、氫動力船舶等領(lǐng)域有著非常大的潛力,總之下次再談到氫能,別再只知道汽車了。
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