2022,氢能“干掉”锂电,成为主角?

财经新知·2022-01-07 20:51
锂电向左,氢能向右。

2008年北京奥运会,穿梭在各场馆以及奥运村之间的纯电电动车成了一道靓丽的风景线,10多年过后,电动车遍地开花,成为见怪不怪的存在。

事实上,近些年随着纯电电车普及开了,不少问题也接踵而至,居高不下的电池成本、无法开进东北的尴尬等等。只是在全球市场对新能源的追逐,以及国内大力倡导新能源等朝阳产业的发展下,纯电电动车作为一种技术门槛相对较低的产品,快速走进寻常百姓家,锂电池也随之迎来“狂欢”。

但是2021年市场似乎迎来转折。为减少对化石能源的依赖,国家提出2030年碳达峰和2060年碳中和的双碳目标,中国能源结构转型正在奔跑加速。

氢能源不出意外地站上风口,并且在2022年北京冬奥会上,氢能源汽车也成功上位。消息称,承担赛事交通运输保障任务的北京公交集团将启用一批氢能源公交车,为冬奥会赛事全力做好用车准备。

关于氢能源的风其实2019年就已经吹起一阵,当时氢能源首次被写入《政府工作报告》,报告提出要推进充电、加氢等基础设施建设。氢能源相关的话题一次次占据舆论。

但是包括美锦能源在内的一众氢能源企业在炒作概念多年后仍旧无法拿出业绩,导致风口沦为泡沫。

不过要知道,锂电产业也有过类似经历。2016年,在国家大力补贴下,不少A股企业玩起“骗补”的把戏,投机者也趁机进入,但“疯狂”过后不少投资者也被“埋”了进去。好在如今的锂电产业已经成熟许多,企业价值也在一步步兑现。

为此,不少专家机构认为,现在的氢能源与10几年前的锂电很像,有前景,更有钱景,行业兑现价值只是时间问题。那么,在未来,氢能源是否能够“干掉”锂电呢?

01 氢能源的优势

氢(H)作为元素周期表的第一位,是最常见的元素之一。氢的应用也极度广泛,可作为燃料应用于汽车、轨道交通、船舶等交通领域,亦可作为原料、 还原剂或者热源应用于炼化、钢铁、冶金等行业,还可应用于分布式发电,为家庭住宅、商业建筑等供电取暖,且可成为储能工具。

而氢能作为清洁、高效、安全、可持续的二次能源,是实现“碳达峰、碳中和”的重要手段,也将是能源结构调整和产业升级转型的重要方向。

氢能源与目前主流的锂电相比,优势也非常明显:

1. 氢能源更加环保

一直以来,因为锂电池含有重金属镍、钴、砷等有毒污染物,必须要进行回收处理,所以市场对于锂电产业链污染以及电池回收存在巨大争议。

坦白讲,当下采用锂电池的新能源汽车只是在使用阶段实现零碳排放,但是纵观整个产业链以及生命周期,锂电并没有实现零碳排放。

例如上游原材料供应链环节中碳排放就占到70%以上,所以从原材料和整个产业链角度来考察的话,锂电新能源汽车并不是零排放的,氢燃料电池反而可以实现接近零排放。

而在生产上,我国在大力发展风电、光伏等清洁可再生一次能源,结合水电解制氢技术,制出所谓的绿氢(还有灰氢、蓝氢),可实现全生命周期的清洁低碳,使氢能成为连接不同能源形式的桥梁。

从这一层面来看,锂电终究只是过渡产物,氢能源似乎才更有潜力成为21世纪能源解决最有力的方案之一。

2. 氢能源更加实用

除了环保外,其实氢能源最大的优势还是在实用性上。

众所周知,当下锂电最大的痛点在于续航。锂电池中的电解液在低温状态下粘度会变大,离子传导速度变慢,造成外电路电子迁移速度不匹配,电池出现严重极化,充放电容量出现急剧降低。

机构数据显示,普通锂电池在-20°C时的放电容量仅为室温下的31.5%,并且有些锂电池在低温环境下甚至无法进行充电,所以这就造成纯电汽车无法进入东北的尴尬。当然,作为能源,使用范围远不止汽车,在航空航天,军事工业和电动汽车领域,要求在-40°C下正常工作,锂电显然无法承担重任。

(锂电池放电量与温度的关系)

并且锂电在应用上更多表现形式是一种储能装置,就是先把电能贮存起来,需要时再释放出来;而氢燃料电池严格地说是一种发电装置,像发电厂一样,是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置,没有热能和机械能(发电机)的中间转换,自然不会存在能量损失的问题。

而且一定程度上也意味着,氢燃料电池只需要考虑如何将氢能源储备下来即可,在使用时如现在加油一般,省去电动汽车长时间充电的耗时环节。

此外,氢气热值是常见燃料中最高的,可达142KJ/g,这一水平大约是石油的3倍、煤炭的4.5倍,做成电池的话,氢电池能量密度也会更大,大约在40kWh/kg,远高于普通锂离子电池0.25kWh/kg左右及燃油车12kWh/kg左右的能量密度。

这就意味着,消耗相同质量的能源,氢气所提供的能量是最大的,动力更足,2008年波音公司甚至成功测试由氢燃料电池驱动的小型飞机。

通过对比,我们明显可以看到氢能源具有碾压性的优势,并且也更能顺应能源发展的大趋势。

3. 氢储能优势

随着光伏、风电等可再生能源发展迅速,如何将这些发出来的电存储下来成了难题。当今的主要解决方案一个是用大量电池组储存电能,另一个是抽水蓄能。

但是,上述情况都存在成本高、技术难度大等弊端。以储能电池为例,主要适用于小功率、短周期、分布式储能,时间很短,最多一个星期,并且储能电池储存的电量越多,占用的空间也越大,因此并不适合电站这种大规模储能场景。而抽水蓄能则需要靠近水源,也有条件限制。

氢储能则带来另一种解决方案。广义上的氢储能是指把任意形式的能量转换成氢气的化学能,以氢气的形式进行存储。狭义上的氢储能是指将太阳能、风能等清洁能源发出的电能或夜间电网的过剩电能,通过电解水制取氢气,通过储氢罐存储,之后由燃料电池发电技术等实现氢气的利用。

要知道氢气是一种极佳的能量存储介质,既能以气、液态的形式存储在高压罐中,也能以固相的形式储存在储氢材料中,除此之外,氢储能的能量密度高,是少有的能够储存百GWh以上的能量储备技术,而且可同时适用于极短或极长时间供电。

所以相对于电池储能和其他传统储能方式,具有一定比较优势,尤其是在大规模储能方面,氢储能相对于电池储能的成本优势明显。

理论上讲,氢能源的爆发似乎就在眼前,但现实却并非如此。在发展氢能源、运用氢能源的路上,还存在许多障碍。

02 氢能源还在初期

对于能源的运用本质上只有三个问题,如何制造,如何存储以及如何运输,氢能源也不例外,只有解决这三个问题才有可能大规模发展,然而目前氢能源在这三个方面都存在一定的技术问题。

首先是制氢:

当前我国氢气生产结构以化石燃料制氢为主,也就是所谓的“煤制氢”,占比高达62%;其次是天然气制氢,占比为18%;工业副产氢占比18%;电解水制氢也就是“绿氢”占比仅1%。

几种制氢各有优劣。化石燃料制氢过程会产生CO2等温室气体,且制得的氢气含有杂质,后续对氢气的提纯和排碳的处理有较高要求,但是这种制氢方式成本较低。

工业副产提纯制氢是将富含氢的工业尾气作为原料,能避免氢气浪费,但长远来看还存在纯度较低、受主产物产能约束等问题,无法作为大规模集中化的氢供应来源。

而电解水制氢虽然纯度高,杂质少,易于与可再生能源结合,制氢过程不排放温室气体等众多优点,但其成本相对其他制氢方式要高出许多。

据测算,煤制氢的成本仅在10元/kg左右,电解水制氢的成本则在50元/kg左右。

不过随着双碳目标临近,结合CCUS(碳捕获、利用与封存)后的煤制氢成本将大幅上升。而电解水制氢成本主要与电费相关,随着光伏、风力发电成本逐渐降低,电解水制氢成本有望得到进一步控制。

测算来看,当电价低于0.3元/千瓦时,电解水制氢才具备较好经济性。而根据预计,2025年,我国60%地区的光伏上网电价将在度电0.13元左右,风电度电成本将控制在0.15元左右,届时氢能的成本或将比汽油更有优势。

所以综合来看,短期内煤制氢仍为我国氢气的主要来源;中期来看,工业副产制氢有望成为供氢主要工艺,但存在的问题也致使其无法长久采用;长期来看,随着可再生能源电价下降,清洁、高效的绿氢将成为制氢主流工艺,只是这个时间需要多久,目前来看还是未知。

储氢问题:

当然,除了制氢外,储氢也是氢能源产业链中最重要的部分之一。

目前储氢技术可分为物理储氢和化学储氢两大类。物理储氢主要有高压气态储氢、低温液态储氢、活性炭吸附储氢、碳纤维和碳纳米管储氢以及地下储氢等;化学储氢主要有金属氢化物储氢、液态有机氢载体储氢、无机物储氢、液氨储氢等。

目前比较常用的为高压气态储氢,具有技术成熟、充放氢速度快、容器结构简单、发展成熟等优点,但同时存在体积储氢密度低、容器耐压要求高的缺点。

而长远来看,比较有发展潜力的为低温液态储氢以及固态储氢,但目前两者均有不同的技术难题还有待攻克。

低温液态储氢可以将氢气冷却至-253℃,存于低温绝热液氢罐中,因为其存储密度高,液态氢的纯度也较高,所以低温液态储氢为理想的储氢方式,但是存在两大技术难题,一是液氢储存容器的绝热问题;二是氢液化能耗高,在工程液化过程中会造成一定损失。

固态储氢利用金属合金等对氢的吸附和释放可逆反应实现,具有安全性高、储存压力低、放氢纯度高、运输方便的特点,但是成本高、寿命短等这些也是不得不面对的难题。所以目前固态储氢大多处于研发试验阶段。

当然除了上述提到的储氢方式,有机液体储氢、无机物储氢等都是理论上更为完备的储氢解决方案,但目前都仅处于攻克研发阶段,距离商业化大规模使用尚远。

运氢问题:

最后还有运氢问题,氢能源想要大规模ToC,运输问题不容忽视。

氢作为元素周期表中的首位元素,气体状态下密度极小,并且氢和氧能形成爆炸混合物,因此在大规模运输过程中,必须加以压缩储存,让氢呈现高密度气态或者固态、有机态的形式。

目前氢能的运输通常根据储氢状态的不同和运输量的不同有所调整,主要有气氢输送、液氢输送和固氢输送3种方式。

气态氢气通常采用长管拖车和管道运输;液态氢气通常用槽车运输;固态氢气运输可直接运输储氢金属。

分别来看,长管拖车灵活便捷,但在长距离大容量输送时,成本会更高;管道运输虽然输氢量大、能耗低,但是在建造管道时的一次性投资也更大,即便将氢气逐步引入天然气网络,也不能轻松解决高成本问题。

因为一般天然气都是使用钢管运输,而溶于钢中的氢分子会产生氢脆,超出钢的强度极限。所以如果要采用管道运输氢,需要采用含碳量极低的材料,而这种材料成本一般是正常天然气管道材料的两倍。

当然也可以采用天然气和氢气混合运输的方式,但这种方式对氢气的含量占比要求严格,最高不得超过20%。另外,将昂贵的氢气混入廉价的天然气也会造成价值的损失。

而液氢槽车运输,这是一种既能满足较大输氢量,又比较快速、经济的运氢方法。只是如上述所说,在将氢能液化过程中,将会耗费较大成本,并且也会损失大量能耗。国内目前仅应用于航空航天、军工等领域,尚无民用案例。

固态储氢中技术较为成熟的方式为合金储氢,主要包括镁系合金、稀土系合金等。储氢合金与氢气发生化学反应,生成金属氢化物,实现氢气的存储。这也导致对储氢材料性能要求较高,部分金属氢化物充放氢速率低、某些金属合金成本过高等。

最后回归到氢能的应用问题上。从当前需求结构来看,氢能应用场景的工业色彩依然很浓,氢气主要应用于合成氨、石油炼化等领域。而民用氢气比例极低,目前可以想象的最大的应用场景便是氢燃料电池车。

但氢能想要ToC除了解决制储运这三个问题外,制约乘用车推广的重要因素还在于氢燃料电池车最初的推广便是车规级,缺少其他低层级消费品的消费铺垫,也缺少加氢站等基础设施的支撑。

未来乘用车用氢成本或许会下降到与锂电相近的水平,但短期来看锂电还是发展(新能源)的“主力军”。

纵观大局,氢能发展的政策以及补贴逐渐被提上日程,从制氢到储运氢再到应用,有望迎来大范围更新与成长。前途是光明的,但道路也一定是曲折的,氢能距离大规模市场化,还有很长一段路要走。

正如2008年奥运会一样,今年冬奥会全世界将会看到我国在新能源领域的发展,只是这次的主角,从LI变成了H。

本文来自微信公众号“财经新知”(ID:caijingxinzhi),作者:主木,编辑:夕阳,36氪经授权发布。

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