站在2023年的當(dāng)下，制約氫能大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸是什么?
展開之前，先分享險(xiǎn)峰新能源團(tuán)隊(duì)在近期走訪調(diào)研中遇到的兩個(gè)小故事：
1、某氫燃料電池企業(yè)A和某地方政府B接洽產(chǎn)線落地事宜。B市屬于北方三線城市，相比于一些富裕省份，能給到的優(yōu)惠政策有限，原本A企業(yè)談的興趣不太大，但當(dāng)聽說當(dāng)?shù)赜泄I(yè)副產(chǎn)氫的時(shí)候，A企業(yè)當(dāng)即表示可以無條件落地。
2、某地方政府C在政策指引下，2022年初上馬了一批氫能車的示范項(xiàng)目，但卻苦于找不到平價(jià)穩(wěn)定的氫源，車輛只能斷斷續(xù)續(xù)的上路，無法100%運(yùn)力投入到實(shí)地運(yùn)營之中。
這兩個(gè)例子都指向了一個(gè)共同的問題：即在2022年政策端大力推動(dòng)氫能落地的背景下，氫能上下游出現(xiàn)了一些“結(jié)構(gòu)性沖突”。
換言之，化工領(lǐng)域的低碳轉(zhuǎn)型疊加交通和能源對于高純氫、燃料氫氣的需求不斷爆發(fā)，目前上游的氫氣產(chǎn)能與下游需求其實(shí)是不匹配的。
這背后的邏輯也非常簡單，傳統(tǒng)上，我國的氫產(chǎn)業(yè)一直是依附于化工產(chǎn)業(yè)而存在，比如氫的第一大用途是合成氨制造化肥(占比約55%)，第二是用于石油煉化中的脫硫工藝(占比約25%)，兩者合計(jì)占到全國年用氫量的80%。
因此，盡管我國是全球第一大產(chǎn)氫國，每年能生產(chǎn)3500-4000萬噸氫，但真正能分出來且純度滿足「供能」要求的部分非常有限。可以說在2020之前，氫在我國都還是個(gè)比較小眾的行業(yè)，也從來沒有真正被當(dāng)做是一種「能源」來看待。
對比來看，目前中國每年從海外進(jìn)口的原油5億噸，年綜合成本支出1.6萬億人民幣，未來我們要保證國家能源安全，實(shí)現(xiàn)3060的碳中和目標(biāo)，這些化石能源中的大部分都是要轉(zhuǎn)型為非碳能源的。
而「氫」無論是作為能源載體，亦或是儲(chǔ)能載體，哪怕只占到20-30%的份額，也將是一個(gè)非常巨大的增量市場。
與電動(dòng)車、光伏行業(yè)的發(fā)展脈絡(luò)相似，氫能未來的發(fā)展一定要依靠上下游一起發(fā)力：上游擴(kuò)產(chǎn)帶動(dòng)下游需求普及，下游需求增長推動(dòng)上游成本改善。然而站在2023年當(dāng)下，僅從當(dāng)前供需情況來看，上游制氫環(huán)節(jié)對于整個(gè)氫能的破局或許更為關(guān)鍵一些，與之相關(guān)的新興技術(shù)也值得投資人們特別關(guān)注。
在本篇里，我們將從氫能上游產(chǎn)業(yè)鏈入手，談?wù)勎覀兘诘囊恍┩顿Y思考，也歡迎氫能領(lǐng)域的創(chuàng)業(yè)者及行業(yè)專家聯(lián)系我們，與險(xiǎn)峰新能源團(tuán)隊(duì)一起深入交流。
破解氫能上游之困：降本是關(guān)鍵
回到開頭的問題——既然供不應(yīng)求，為什么上游企業(yè)不擴(kuò)大氫能的產(chǎn)量?
簡單來說兩個(gè)字：成本。
在《新能源的第二曲線：聊聊氫能投資的三個(gè)機(jī)會(huì)》一文中我們曾提到，氫是一種典型的二次能源，并不天然存在于自然界，它的產(chǎn)生途徑主要有四種：
灰氫：直接燃燒化石能源制氫。
藍(lán)氫：化石能源制氫+CCUS(碳捕集與封存)。
綠氫：通過風(fēng)光等可再生能源，電解水制氫。
工業(yè)副產(chǎn)氫：來自于氯堿工業(yè)、煤焦化工業(yè)里產(chǎn)生的副產(chǎn)氫氣
其中，工業(yè)副產(chǎn)氫價(jià)格相對便宜，也不產(chǎn)生額外的碳排放，但它的問題是受制于上游氯堿、焦化的工業(yè)規(guī)模，過去都是“在工廠里產(chǎn)生，在工廠里消耗”，產(chǎn)量有限，也很難擴(kuò)張，注定不可能成為未來氫能的主要支撐力量。
而中國是一個(gè)典型的“富煤”國家，因此在剩下的三種氫中，煤制氫(灰氫)的生產(chǎn)成本要遠(yuǎn)低于綠氫和藍(lán)氫;從價(jià)格來看，2020年我國可再生能源電解水制氫(綠氫)的成本在20元/kg左右，但煤制氫平均只有8-10元/kg。
過去氫主要用于工業(yè)場景，這些行業(yè)普遍利潤不高，所以價(jià)格便宜是王道，因此灰氫一直是市場上的絕對主力。
以中國氫能聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)口徑，我國一年的氫產(chǎn)量中，67%都是煤制的灰氫，綠氫與藍(lán)氫加起來占比不超過3%。
在這樣的能源結(jié)構(gòu)下，相當(dāng)于氫用得越多碳排放越多——這也是很多輿論質(zhì)疑氫能的主要原因。
但從長期來看，過去10年間，全球光伏的發(fā)電成本已經(jīng)降低了90%，未來隨著鈣鈦礦、異質(zhì)結(jié)以及分布式光伏的廣泛應(yīng)用，清潔能源的成本還會(huì)進(jìn)一步降低。
而反觀煤炭石油等化石能源，則基本不可能大幅降價(jià)。
因此，與電動(dòng)車最終替代燃油車的邏輯類似——在氫能領(lǐng)域，可再生能源+電解水的綠氫路線一定是代表著未來。
從這個(gè)角度說，如何盡快將綠氫的生產(chǎn)成本降低到8-10元/kg，達(dá)到和灰氫一樣的水平，才是解決當(dāng)前困擾的關(guān)鍵所在(因煤價(jià)波動(dòng)大，暫按600元/噸均價(jià)計(jì)算)。
這也是近期我們在和業(yè)內(nèi)專家交流中大家的共識：即氫完全不需要和鋰競爭，只要能把電解水做到和煤制氫同等價(jià)格水平，整個(gè)行業(yè)正循環(huán)就能夠滾動(dòng)起來了。
繼續(xù)向下拆解的話，電解水制氫中70%-90%的成本來自于電力成本，隨著電解槽設(shè)備成本的進(jìn)一步降低，降低電力成本的重要性會(huì)進(jìn)一步凸顯——這一方面依賴于國家政策的補(bǔ)貼，比如碳稅可能成為一個(gè)重要的政策變量;另一方面則來自于清潔能源的發(fā)展。
2021年，我國新增風(fēng)電、光伏裝機(jī)規(guī)模合計(jì)已達(dá)1.025 億千瓦，風(fēng)光累計(jì)發(fā)電量約9785億千瓦時(shí)，同比增長35%，風(fēng)電、光伏發(fā)電量占全社會(huì)用電量的比重首次突破10%，達(dá)到11.7%。而按照國家能源局《2022年能源工作指導(dǎo)意見》要求，2022年風(fēng)電、光伏發(fā)電發(fā)電量占全社會(huì)用電量的比重將提升到12.2%左右。
眾所周知，風(fēng)電光電一直存在間隙性、隨機(jī)性和波動(dòng)性的問題，而我們的電網(wǎng)系統(tǒng)一時(shí)間也還無法消納這么多的增量，導(dǎo)致了很多棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。
2021年，全國棄風(fēng)電量約206.1億千瓦時(shí)，棄光電量 67.8 億千瓦時(shí)，加起來差不多相當(dāng)于整個(gè)貴陽市一年的用電量。要知道，這些電棄掉了也就棄掉了，而如果用電解水轉(zhuǎn)化為氫來儲(chǔ)存，每年至少可以新增綠氫約55萬噸。
正因?yàn)槿绱?，我們能看到國?nèi)已有超過百個(gè)在建和規(guī)劃中的電解水制氫項(xiàng)目，涵蓋了石油煉化、化工合成、鋼鐵冶煉和交通等多個(gè)領(lǐng)域，隆基、遠(yuǎn)景、華電、國電投、中石化等大批巨頭企業(yè)也都參與其中。
在走訪過程中我們也發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的傳統(tǒng)能源企業(yè)都對電解水制氫表現(xiàn)出了濃厚的興趣，可以說需求是非常確定的，但大家最為關(guān)心的問題，還是成本和技術(shù)上能否大規(guī)模實(shí)現(xiàn)。
路線之爭：雙雄爭霸，堿性為王
2020年8月，中國科協(xié)組織國內(nèi)了2萬余名科學(xué)家，從490個(gè)問題中，票選出了當(dāng)年「10個(gè)對科學(xué)發(fā)展具有導(dǎo)向作用的科學(xué)問題」和「10個(gè)對技術(shù)和產(chǎn)業(yè)具有關(guān)鍵作用的工程難題」。
這十大工程難題的其中之一，便是「如何在電解水制氫中實(shí)現(xiàn)“大規(guī)模”、“低成本”、“高穩(wěn)定性”的統(tǒng)一」。
由此可見，這三個(gè)指標(biāo)同時(shí)達(dá)成的難度之大。
根據(jù)工作原理不同，目前電解水制氫可以分為4種技術(shù)路線：
堿性電解制氫(ALK)
質(zhì)子交換膜電解制氫(PEM)
高溫固體氧化物電解水技術(shù)(SOEC)
固體聚合物陰離子交換膜電解水技術(shù)(AEM)
圖表：四種電解水制氫技術(shù)對比
這里面，后兩種還處于實(shí)驗(yàn)室階段，真正可以商業(yè)化的只有前兩個(gè)。
其中，質(zhì)子交換膜電解制氫(PEM)源于上世紀(jì)60年代NASA的太空任務(wù)，當(dāng)時(shí)主要是用氫和氧混合后為航天器供電。而把整個(gè)反應(yīng)過程逆過來，就變成了電解水制氫。
它的優(yōu)點(diǎn)是體積小巧，電流密度高，可以做到瞬時(shí)啟停，理論上能很好的適配風(fēng)光儲(chǔ)能，但缺點(diǎn)是催化劑必須使用鉑和銥等貴金屬。
作為一種稀有小金屬，銥礦的來源非常單一，全球基本只有南非可以提供，如果中國大規(guī)模使用銥做催化劑，未來還是會(huì)有“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)。
此外，22年鋰價(jià)飛漲的例子也說明，稀有金屬一旦用在量產(chǎn)設(shè)備上，價(jià)格必然快速上漲，很難同時(shí)滿足“大規(guī)模”與“低成本”的要求。
當(dāng)然，也有很多科研團(tuán)隊(duì)在嘗試用錳、鈷等金屬繞開銥，或者用團(tuán)簇結(jié)構(gòu)減少銥的用量，但目前這些研究都還停留試驗(yàn)階段，我們對此也在持續(xù)關(guān)注，相信未來一定能看到技術(shù)突破。
不過歸根到底，大規(guī)模制氫還是一個(gè)工程學(xué)問題，而工程和科學(xué)最大的區(qū)別，是科學(xué)更關(guān)注「可能性」，工程則更關(guān)注「實(shí)用性」。
就像馬斯克把9臺(tái)梅林發(fā)動(dòng)機(jī)捆在一起造出了獵鷹9火箭，工程思維追求的是"在現(xiàn)有條件下，如何把事情做成，且成本能盡量低”。
從這個(gè)角度來看，另一條堿性電解水(ALK)路線距離工程化落地可能會(huì)更近一些。
堿性電解制氫(ALK)的歷史非常悠久，源自于200年前的氯堿工業(yè)，當(dāng)時(shí)人們發(fā)現(xiàn)可以通過電解食鹽水來制取氯氣和燒堿，陰極的生成物就是氫氧化鈉和氫氣。
1893年，美國紐約建成全球第一家電解水制氯堿工廠;隨后一戰(zhàn)二戰(zhàn)相繼爆發(fā)，戰(zhàn)爭期間無論是漂白、殺菌亦或是制造化學(xué)武器都需要用到氯氣，于是全球?qū)τ诼鹊男枨罅考ぴ觯麄€(gè)氯堿工業(yè)開始興起。
此時(shí)，大家使用的電解水技術(shù)還是「水銀法」，利用流動(dòng)的水銀薄膜作為陰極，但水銀有巨毒，會(huì)造成環(huán)境污染。于是到上世紀(jì)60年代，荷蘭發(fā)明了「隔膜法」，不過效率又太低，最后日本在隔膜法的基礎(chǔ)上，于70年代開發(fā)出了「離子隔膜法」。
「離子隔膜法」綜合了隔膜法和水銀法雙方的優(yōu)點(diǎn)——產(chǎn)量高，能耗低，無公害，從行業(yè)發(fā)展角度看是一項(xiàng)偉大的技術(shù)進(jìn)步，但它同時(shí)也對隔膜材質(zhì)提出了更高的要求。
圖表：堿性電解水制氫原理
因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)條件下壓力不一致，很容易失衡導(dǎo)致電解槽內(nèi)的氫氧互竄，特別是分子量小、運(yùn)動(dòng)速度特別快的氫分子，容易穿透隔膜，跑到陽極那一端。
在氯堿工業(yè)中，這還不是個(gè)大問題;但如果是電解制氫，因?yàn)闅溲醴肿硬粚Φ?，一旦氫氧發(fā)生混合，就意味著巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。
比如，我們也在調(diào)研中也了解到：隨著2022年氫能需求集中爆發(fā)，很多非專業(yè)團(tuán)隊(duì)涌入了這個(gè)賽道，但因?yàn)槭褂玫碾娊獠酆透裟げ牧喜缓细?，制出的氫純度不夠，?dǎo)致了不少“炸槽”的情況發(fā)生。
復(fù)合隔膜：皇冠上的明珠
這些企業(yè)之所以找不到合格的隔膜材料，是因?yàn)樗纳a(chǎn)技術(shù)非常困難，需要同時(shí)滿足以下要求：
保證氫氣和氧氣分子不能通過隔膜，但允許電解液離子通過;
能夠耐高濃度堿液的腐蝕;
具有較好的機(jī)械強(qiáng)度，能夠長時(shí)間承受電解液和生成氣體的沖擊，隔膜結(jié)構(gòu)不被破壞;
有較小的面電阻，降低電能損耗，因此隔膜孔隙率要盡可能高;
在電解溫度和堿液條件下隔膜能夠保持化學(xué)穩(wěn)定性;
原料易得、無毒、無污染，廢棄物易處理。
而能生產(chǎn)這種隔膜的企業(yè)，全球目前基本只有愛克發(fā)(Agfa-Gevaert Group)一家。
這是一家來自歐洲的材料科技巨頭，至今已占據(jù)了國外堿性隔膜95%以上的市場份額，處于絕對的壟斷地位。但因?yàn)楸娝苤脑颍瑦劭税l(fā)生產(chǎn)的復(fù)合隔膜并不在中國境內(nèi)出售，國內(nèi)企業(yè)無法買到，只能使用相對落后的PPS來代替。
而在性能方面，PPS在今天已經(jīng)很難與復(fù)合隔膜競爭，一個(gè)例子就是連全球最大的PPS生產(chǎn)商日本東麗，也已經(jīng)開始轉(zhuǎn)攻復(fù)合隔膜，國內(nèi)各主要制氫龍頭也都開始嘗試采用復(fù)合隔膜，替代趨勢已非常明朗。
不過，愛克發(fā)雖然是材料界巨頭，但其實(shí)也不太重視這塊市場。
畢竟，電解水制氫此前一直是個(gè)小眾的行業(yè)，愛克發(fā)整體業(yè)務(wù)龐大復(fù)雜，每年?duì)I收的17億歐元中，復(fù)合膜只有約4億人民幣，占比不到4%，其背后也沒有強(qiáng)有力的政府來整合產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。
而與歐美不同，中國正處在能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，對各類清潔能源設(shè)備的需求非常巨大：比如現(xiàn)在給很多地方在給光伏/風(fēng)電批地的時(shí)候，都會(huì)硬性要求配置制氫裝置，未來隨著風(fēng)光能源的加速落地，整個(gè)制氫行業(yè)也會(huì)持續(xù)提速。
舉個(gè)例子，根據(jù)國家《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035 年)》，到2025年，中國要達(dá)到10萬噸可再生能源制氫，不過按照目前的行業(yè)發(fā)展速度，這個(gè)數(shù)字很可能2023年就能實(shí)現(xiàn)——在這種增速下大家依然感覺氫不夠用，需求增長之快可見一斑。
2022年，中國電解槽出貨量在800MW左右(其中的絕大部分都是堿性制氫)，一臺(tái)1000標(biāo)方的電解槽要用大約1200平米隔膜，以5MW=1臺(tái)1000標(biāo)方=800噸/年產(chǎn)能計(jì)算，現(xiàn)階段國內(nèi)復(fù)合隔膜的市場規(guī)模約在1.6億左右。
按照勢銀的預(yù)測，2030年中國電解槽裝機(jī)量可以達(dá)到100GW，以此測算，屆時(shí)國內(nèi)復(fù)合隔膜市場規(guī)模在200億以上，相當(dāng)于10年會(huì)有一個(gè)百倍的增長。
因此我們認(rèn)為，「復(fù)合隔膜的國產(chǎn)替代」是一個(gè)屬于中國科技公司的大好機(jī)會(huì)，首先它的需求是非常確定的，只要能做出來就能賣得掉，此外壁壘足夠高，可以在一個(gè)較長的時(shí)間內(nèi)享受到技術(shù)紅利帶來的高溢價(jià)。
目前在這個(gè)方向上，國內(nèi)也有很多創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行探索，不過因?qū)ζ渚C合性能要求較高，國內(nèi)能夠達(dá)到有小批量生產(chǎn)的企業(yè)并不多，險(xiǎn)峰此前在天使階段投資了其中的一家「刻沃刻科技」;根據(jù)客戶反饋，其產(chǎn)品在500微米、300微米和200微米厚度的產(chǎn)品初步測試中，測試結(jié)果已經(jīng)趕超愛克發(fā)。
擁抱變化，是唯一不變的東西
從投資的角度看，氫能產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)且粋€(gè)典型的「中間模糊，兩頭確定」行業(yè)。
中游儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)，是用管道摻氫、有機(jī)溶劑還是現(xiàn)場制氫，業(yè)內(nèi)還存在爭論，也很難說哪種會(huì)成為主流，但下游的應(yīng)用領(lǐng)域大家已經(jīng)有了共識，就是工業(yè)生產(chǎn)、燃料電池和儲(chǔ)能這三大方向。
上游制氫方面，主流觀點(diǎn)也很一致，就是如何把綠氫的成本降一半。
就像前文提到的邏輯：只要綠氫能做到比藍(lán)氫便宜、比灰氫稍貴，目前所有的下游應(yīng)用就可以直接承接過來了，而對于國家能源戰(zhàn)略來說，這也會(huì)是比較舒服的轉(zhuǎn)型方式。
站在行業(yè)發(fā)展角度，2022年氫能才第一次作為能源登上歷史舞臺(tái)，是一個(gè)非常年輕、充滿機(jī)會(huì)的賽道。在此之前，因?yàn)橄掠螞]需求，上游即使做出好產(chǎn)品也賣不掉，人才和資金也不愿意進(jìn)來，很多技術(shù)只能沉淀在高校里面，整個(gè)行業(yè)循環(huán)處于“鎖死”狀態(tài)。
這其實(shí)和2015年的自動(dòng)駕駛非常相似，當(dāng)時(shí)自動(dòng)駕駛非常依賴激光雷達(dá)，全世界能供貨的只有LiDAR一家，一臺(tái)雷達(dá)賣7萬5千美金，相當(dāng)于50萬人民幣。
但是隨著中國新能源車的興起，到2022年，國產(chǎn)激光雷達(dá)已經(jīng)可以做到單臺(tái)700美元，要知道激光雷達(dá)屬于光學(xué)機(jī)械，不是半導(dǎo)體也不遵循摩爾定律，中國企業(yè)單單只是靠上下游合力，就把生產(chǎn)成本降低了100倍。
氫能未來大概率也會(huì)遵循類似的邏輯——因此，我們會(huì)非?？春脷淠苄袠I(yè)里關(guān)鍵材料和器件的突破，這些領(lǐng)域很適合中國的科技初創(chuàng)公司，我們國家的巨大市場和成本優(yōu)勢，都有助于構(gòu)建企業(yè)的護(hù)城河。
總之，在碳中和的大背景下，氫能已經(jīng)成為未來中國一個(gè)重要的發(fā)展趨勢，無論心理上是否接受，這都是正在發(fā)生的客觀事實(shí)。
擁抱變化是早期投資人必經(jīng)的過程，也是必然的宿命，畢竟唯有變化，才是世間唯一不變的東西。
來源：鈦媒體APP 文|險(xiǎn)峰創(chuàng)
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