2022年，即將到來的北京冬奧會刮起了一陣氫能源的旋風。冬奧會的火炬?zhèn)鬟f，全部采用氫能源。在核心賽區(qū)，延慶和張家口投入了700余輛氫燃料大巴車，用于日常的交通運輸。
這股“氫旋風”還刮到了A股市場上，氫能源概念紅到發(fā)紫，刺激個股頻頻漲停——主營氣體運輸裝備的京城股份，在去年12月份實現(xiàn)了14個漲停板，股價單月飆漲300%；主營高壓容器的石重裝實現(xiàn)了六連板；開發(fā)氫能電源產(chǎn)品的動力源，也在上月下旬連續(xù)三個漲停板。
這是氫能源在當下火熱的縮影。與其他新能源相比，氫能源不僅儲量大、無污染，還兼具零碳排的特性。每單位質(zhì)量所蘊含的能量更是石油的3倍、煤炭的4-5倍。除此之外，氫能源應用場景廣泛，氫燃料電池可以供給重載卡車、有軌電車、船舶、無人機、分布式發(fā)電等行業(yè)；綠色制氫還可消納太陽能和風能發(fā)電間歇式、狀態(tài)高低起伏不定的問題。
根據(jù)中國氫能聯(lián)盟的預測，到2025和2035年，我國氫產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將分別達到1萬億和5萬億規(guī)模。
氫能前景固然廣闊，但落地的困境卻不容忽視。
在國外，日美的氫能源能占到各自能源總量的10%以上。日本擁有世界上數(shù)量最多加氫站，美國則擁有最低廉的氫能源價格，兩國燃料電池應用均已經(jīng)投入商業(yè)銷售。
反觀國內(nèi)，當前氫能源的占比只有4%。據(jù)未來智庫測算，2020年我國氫能總成本約為60-80元/kg，距離30元/kg的可商用價格相距甚遠。
氫能源價格居高不下，還要追溯到制氫、儲氫和運氫三大環(huán)節(jié)，它們使我國氫能發(fā)展面臨著開局不利、技術(shù)瓶頸與規(guī)?；s束等重重難題，令“降成本”困難重重。
那么，氫能降成本難題究竟如何拆解？又如何破解？
點歪“科技樹”的制氫
中國的能源結(jié)構(gòu)可以歸納為“富煤、貧油、少氣”。這種特殊的結(jié)構(gòu)令中國成了名副其實的“煤炭大國”——大量的化工產(chǎn)業(yè)平均每天要消耗掉95萬噸的煤炭資源，同時產(chǎn)生巨量的化工副產(chǎn)物。
這些副產(chǎn)物中，焦爐氣和氯堿等是極其便利的制氫原料。我國氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期，就依托化工生產(chǎn)中的副產(chǎn)物作為主供氫源的原材料，以節(jié)省制氫投資，降低成本。
借助原生資源的優(yōu)勢，短短幾年間，我國就成為世界第一大產(chǎn)氫國。2020年中國氫氣產(chǎn)量突破2500萬噸，已連續(xù)多年位列世界第一。
但成也蕭何，敗也蕭何。
依托化工副產(chǎn)物生產(chǎn)的氫能源，有個致命的問題——不能算作真正的“綠色能源”。
事實上按照制氫工藝的不同，氫能源大體分為 “灰氫”、“藍氫”和“綠氫”三類。其中，借由對工業(yè)副產(chǎn)物進行提純獲取氫氣，俗稱“灰氫”。通過裂解煤炭或者天然氣所得的氫氣，便是“藍氫”。“綠氫”則是通過可再生能源、電解水等方法，實現(xiàn)全程百分之百零碳排、零污染。
“灰氫”和“藍氫”本質(zhì)上仍然是用化石燃料提供能量，會產(chǎn)生大量的碳排放。相關(guān)研究表明，制造“藍氫”所產(chǎn)生的碳足跡，比直接使用天然氣或煤炭取暖高出20%，比使用柴油取暖高出約60%。而“灰氫”的污染還要高出18%-25%。縱使有碳捕捉與封存技術(shù)（CCS）降低碳排放，依舊是杯水車薪。
也就是說，要符合氫能源產(chǎn)業(yè)零碳排的核心理念，產(chǎn)業(yè)界只能期望于綠氫。
但中國的綠氫產(chǎn)能著實少得可憐。由于我國氫能源產(chǎn)業(yè)相較歐美日發(fā)展較晚，為了在短期內(nèi)快速發(fā)展，我國優(yōu)先選擇了依托于優(yōu)勢資源煤炭發(fā)展氫產(chǎn)業(yè)，其代價便是，“綠氫”制備所需的基礎(chǔ)建設(shè)的投資和相關(guān)技術(shù)遲遲未有發(fā)展。2020年，我國灰氫的占比超過60%，綠氫尚且不足1%。
一筆經(jīng)濟賬可以看出綠氫與灰氫的成本差距：
在我國，電解水制氫的平均成本是38元/kg，其中電力成本要占到總成本的50%以上，而使用工業(yè)副產(chǎn)物制氫，平均成本僅僅只8-14元/kg。這意味著，工業(yè)電價要從當前的0.6kW·h對半折到0.3kW·h以下，綠氫才能在市場上具有競爭性。
但對標歐美日等國家，歐盟的綠氫的成本價低于14元/kg；美國的綠氫在12元/kg左右，而日本的綠氫成本固定在13.2元/kg。
如何讓綠氫從奢侈品行列變成經(jīng)濟適用型，成為困擾中國氫能產(chǎn)業(yè)的一大難題。
而進一步拆分成本，造成綠氫高成本的兩大因素分別是電力消耗量和架設(shè)電解槽費用。歐美給出的解答是政府引導+技術(shù)革新。
在歐盟，從2020起由政府牽頭投資相繼安裝了6千兆瓦的可再生氫能電解槽，降低企業(yè)制造綠氫時電解槽的費用。
在技術(shù)上，歐盟摒棄采取工業(yè)用電電解水的模式，而使用PEM技術(shù)電解制氫。PEM技術(shù)的電解池結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，這使得其電解槽運行電流密度通常是堿性水電解槽的4倍以上，效率極高，平均每生產(chǎn)1立方米氫氣可節(jié)省1千瓦時的電力。
想要讓這個棵歪掉的“科技樹”回到正軌，就需要投入很高的時間成本和資金成本。
去年11月，中石化建成首座PEM氫氣提純設(shè)施，其陰極和陽極催化劑、雙極板以及集電器等關(guān)鍵核心材料部件均實現(xiàn)國產(chǎn)化，制氫效率達85%以上。而這筆投資的門檻是數(shù)十億，研發(fā)周期在兩年以上。
寶豐能源也在斥巨資投入綠氫項目。其在互動平臺上表示，2021年4月，耗時兩年后，公司首批電解水制氫項目全部投產(chǎn)，預計年產(chǎn)2.4億標方“綠氫”和1.2億標方“綠氧”。據(jù)其公開披露數(shù)據(jù)，近兩年來，寶豐能源在綠氫項目上已投入超過20億元。
除了兩家代表性頭部企業(yè)以外，絕大多數(shù)中下游的企業(yè)，仍在生產(chǎn)灰氫。如何將點歪的灰氫科技樹扭轉(zhuǎn)回綠氫產(chǎn)業(yè)，必將需要長時間的產(chǎn)業(yè)引導。
被“氫脆”卡脖子的儲氫
作為一種化學性質(zhì)活潑的氣體，氫氣生產(chǎn)之后，需要用一種既安全又經(jīng)濟的方式儲存起來。儲氫不僅是令我國頭疼的難題，而且在全世界，都沒有很好的解決辦法。
國內(nèi)的主流方法是采取高壓氣態(tài)儲氫。目前，我國儲氫瓶的成本造價在27000元左右，同時配套設(shè)施的價格在15萬元，對標美國，儲氫瓶的價格也在22000元左右，略低于中國，但同樣高昂。
高成本源于氫頑皮的特性，學術(shù)上稱作“氫脆現(xiàn)象”。
所謂“氫脆”是指，氫氣會在金屬晶粒附近聚集起來，破壞金屬的結(jié)構(gòu)，讓金屬脹氣變脆。氫氣會在金屬內(nèi)累積成18.7兆帕的高壓，這是地表氣壓187倍。更糟糕的是，氫脆一經(jīng)產(chǎn)生，就消除不了。
氫脆在歷史上引發(fā)過嚴重的事故。
1943年1月16日的晚上，俄勒岡州造船廠發(fā)出巨響，尚未交付的自由輪一下子斷成了兩半，這在當時引起了巨大的恐慌，眾人都以為是納粹的黑科技。
無獨有偶，2013年，世界上最寬的橋，舊金山-奧克蘭海灣大橋為即將到來的通車進行測試。然而僅僅2周，負責把橋面固定在水泥柱上的保險螺栓就出現(xiàn)了裂痕，96個保險螺栓里有30個壞掉了，使得這座大橋幾乎成了廢品。
為了緩解“氫脆”的困擾，全球想出了一種特殊的解決方法——低溫液態(tài)儲氫。將氫氣壓縮成液體，能大幅避開氣態(tài)氫造成的安全隱患。
學界普遍認為，液氫儲運技術(shù)是儲氫技術(shù)發(fā)展的重要方向。
但目前，我國液氫儲運技術(shù)相對落后，缺少大容量、低蒸發(fā)率的液氫存儲設(shè)備的開發(fā)。僅有的一些研究，多聚焦在高壓氣態(tài)儲氫方面。
例如，2020年，中科院寧波材料所使用高強高模碳纖維作為儲氫瓶的內(nèi)膽，大幅提升了儲氫瓶性能。企業(yè)方面，京城股份投建了全亞洲最大的高壓儲氫瓶設(shè)計測試中心及生產(chǎn)線。
儲氫成本的大山，路漫漫其修遠兮。
“爹不疼媽不愛”的運氫
作為氫氣“出廠”前的最后一步，運氫在整個氫能產(chǎn)業(yè)鏈中地位舉足輕重。
然而長期以來，我國的氫氣運輸產(chǎn)業(yè)處于“爹不疼媽不愛”的境地，沒有系統(tǒng)性的規(guī)劃——幾乎所有中央和地方層面的戰(zhàn)略規(guī)劃中，都提到了制氫和終端應用環(huán)節(jié)。
理論上，氫氣運輸產(chǎn)業(yè)分為短途和中長途兩種。短途的運輸可依賴長管拖車，中長距離的運輸對成本敏感許多。其中一種經(jīng)濟的方式，是先將氫氣轉(zhuǎn)為高密度的液氫狀態(tài)再進行運輸。
液氫能適應陸運和海運的模式。在陸運上，液氫儲罐最大容積可達到200立方米，是長管拖車模式的2倍。海運的液氫儲罐最大容積可達到1000立方米，在歐洲和加拿大氫氣運輸中，就均采用液氫海運的模式。
如此重要的液氫在中國卻產(chǎn)能極低。目前，液氫工廠僅有陜西興平、海南文昌、中國航天科技集團有限公司第六研究院第101研究所和西昌衛(wèi)星發(fā)射中心等，主要服務(wù)于航天發(fā)射， 總產(chǎn)能僅有4t/d， 最大的海南文昌液氫工廠產(chǎn)能也僅2t/d。目前， 中國民用液氫市場基本空白。
而對標歐美，美國是全球最大、最成熟的液氫生產(chǎn)和應用地域，擁有15座以上的液氫工廠， 全部是5t/d以上的中大規(guī)模，總產(chǎn)能達到375t/d。此外，亞洲有16座液氫工廠， 日本占了2/3。
另外一種是借由管道運輸，但現(xiàn)實是，我國氫氣管網(wǎng)嚴重不足，全國累計僅有100km輸氫管道，且主要分布在環(huán)渤海灣、長江三角洲等地。在2016年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球共有4542km的氫氣管道，其中美國有2608km的輸氫管道， 歐洲有1598km的輸氫管道。
目前，我國僅僅在《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍皮書》提到，期望在2030年建成1000m長的氫氣運輸管道。而對比國外，管道運輸已經(jīng)開始全面與上下游形成聯(lián)動。
例如，德國在北萊茵至威斯特法倫州鋪設(shè)的240km的氫氣管道，在給用戶供氫的同時這些氫氣管道也為工業(yè)所用。德國Frankfurt的氫氣管道直連加氫站與氯堿電解工廠，可以免去壓縮機直接供氫。
總結(jié)來說，由于上層規(guī)劃的缺失，我國氫能運輸仍處于“地方割據(jù)”的局面，還未形成規(guī)模經(jīng)濟。
破題關(guān)鍵詞：液氫
氫能源產(chǎn)業(yè)的相關(guān)的難題是多方面的，但抽絲剝繭，氫能源產(chǎn)業(yè)迫切需要解決的問題集中在存儲和運輸之上。
原理很簡單，“綠氫”的生產(chǎn)技術(shù)可以逐步迭代，但氫氣如果不能長期低成本地存儲，生產(chǎn)再多的“綠氫”都是徒增消耗。
此外，氫氣如果不能便捷運輸，氫能的廣泛應用就是無從談起。對照電力行業(yè)，正是高壓輸電技術(shù)的成熟，電力才能在全國范圍內(nèi)大規(guī)模應用。
而儲氫與運氫問題的源頭，在于液氫。
無論是存儲端的低溫業(yè)態(tài)儲氫技術(shù)，還是中長距離的液氫運輸，都少不了大規(guī)模液氫的身影。因此，如何提升液氫產(chǎn)量、開發(fā)相關(guān)儲運設(shè)備，是氫能應用降成本的關(guān)鍵。
歐美日氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也能佐證這一點。歐盟早《未來氫能和燃料電池展望總結(jié)報告》就提到液氫重要性，同時在液氫方面的投資也從不吝嗇。2021年在法國，一個液氫廠的投資就超過1.5億美元。
美國壟斷了全球85%的液氫生產(chǎn)和應用，根據(jù)美國氫能分析中心的統(tǒng)計，在液氫的幫助下，美國的氫能源被大量用于石油化工行業(yè)和電子、冶金等行業(yè)，兩大行業(yè)平均每年要消耗掉82000噸的液氫。
日本則在液氫加氫站方面走在了前列。液氫加氫站具有占地小，儲量大的優(yōu)勢，甚至能完成制氫就發(fā)生在加氫站里。
目前，日本有建成142座，占全球加氫站總數(shù)的25%，依托于加氫站，日本燃料汽車投放使用全球領(lǐng)先，燃料汽車的商業(yè)化也是全球最好的。
所以，中國的液氫亟需從當前軍用、航天領(lǐng)域，走向大規(guī)模民用環(huán)節(jié)。
思考歐美日液氫的發(fā)展歷程，我們有許多借鑒之處，概括而言，包括三點：
一、政策引導，為相關(guān)工作提前鋪好路。2021年5月，國家相關(guān)部門陸續(xù)出臺了《氫能汽車用燃料液氫》、《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》和《液氫貯存和運輸技術(shù)要求》三個文件，制定了三項國家標準，這將對液氫發(fā)展起到關(guān)鍵性引領(lǐng)作用。
二、龍頭企業(yè)牽頭，建成大規(guī)模氫液化系統(tǒng)。液氫生產(chǎn)工廠的建設(shè)成本高，必須由龍頭企業(yè)率先投產(chǎn)，提高生產(chǎn)規(guī)模，才能有效降低單位成本。
三、系統(tǒng)整合相關(guān)資源，發(fā)揮產(chǎn)學研機制作用。例如，建立政府、研究機構(gòu)和企業(yè)的氫能源產(chǎn)學研合作平臺，將科研產(chǎn)品第一時間應用到實際生產(chǎn)當中。
05 結(jié)語
世界已進入雙碳時代。國際氫能委員會預計，2050 年氫能源將占全球能源消耗總量的18%，催生年產(chǎn)值2.5萬億美元的產(chǎn)業(yè)。
世界各國對氫能源越發(fā)重視，歐美日各國氫能源產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃已經(jīng)做到了2050年后，并且還在迭代更新；而在我國，自2021年氫能被列為“十四五”規(guī)劃重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)后，國家和各地政府迅速出臺了400多項政策，規(guī)劃了2025年之前的產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標。
一場事關(guān)產(chǎn)業(yè)政策、技術(shù)競技的產(chǎn)業(yè)爭霸賽已經(jīng)打響。
