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，先分享險峰新能源團隊在近期走訪調(diào)研中遇到的兩個小故事：

　　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目，但卻苦于找不到平價穩(wěn)定的氫源，車輛只能斷斷續(xù)續(xù)的上路，無法100%運力投入到實地運營之中。

　　這兩個例子都指向了一個共同的問題：即在2022年政策端大力推動氫能落地的背景下，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?？梢哉f在2020之前，氫在我國都還是個比較小眾的行業(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，亦或是儲能載體，哪怕只占到20-30%的份額，也將是一個非常巨大的增量市場。

　　與電動車、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：上游擴產(chǎn)帶動下游需求普及，下游需求增長推動上游成本改善。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，與險峰新能源團隊一起深入交流。

　　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)不擴大氫能的產(chǎn)量?

　　簡單來說兩個字：成本。

　　在《新能源的第二曲線：聊聊氫能投資的三個機會》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。

　　因此，與電動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(因煤價波動大，暫按600元/噸均價計算)。

　　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格水平，整個行業(yè)正循環(huán)就能夠滾動起來了。

　　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進(jìn)一步凸顯——這一方面依賴于國家政策的補貼，比如碳稅可能成為一個重要的政策變量;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、光伏裝機規(guī)模合計已達(dá)1.025 億千瓦，風(fēng)光累計發(fā)電量約9785億千瓦時，同比增長35%，風(fēng)電、光伏發(fā)電量占全社會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、隨機性和波動性的問題，而我們的電網(wǎng)系統(tǒng)一時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，棄光電量 67.8 億千瓦時，加起來差不多相當(dāng)于整個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)化為氫來儲存，每年至少可以新增綠氫約55萬噸。

　　正因為如此，我們能看到國內(nèi)已有超過百個在建和規(guī)劃中的電解水制氫項目，涵蓋了石油煉化、化工合成、鋼鐵冶煉和交通等多個領(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個問題中，票選出了當(dāng)年「10個對科學(xué)發(fā)展具有導(dǎo)向作用的科學(xué)問題」和「10個對技術(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，這三個指標(biāo)同時達(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，后兩種還處于實驗室階段，真正可以商業(yè)化的只有前兩個。

　　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)時主要是用氫和氧混合后為航天器供電。而把整個反應(yīng)過程逆過來，就變成了電解水制氫。

　　它的優(yōu)點是體積小巧，電流密度高，可以做到瞬時啟停，理論上能很好的適配風(fēng)光儲能，但缺點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，未來還是會有“卡脖子”風(fēng)險。

　　此外，22年鋰價飛漲的例子也說明，稀有金屬一旦用在量產(chǎn)設(shè)備上，價格必然快速上漲，很難同時滿足“大規(guī)模”與“低成本”的要求。

　　當(dāng)然，也有很多科研團隊在嘗試用錳、鈷等金屬繞開銥，或者用團簇結(jié)構(gòu)減少銥的用量，但目前這些研究都還停留試驗階段，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「實用性」。

　　就像馬斯克把9臺梅林發(fā)動機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?，整個氯堿工業(yè)開始興起。

　　此時，大家使用的電解水技術(shù)還是「水銀法」，利用流動的水銀薄膜作為陰極，但水銀有巨毒，會造成環(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——產(chǎn)量高，能耗低，無公害，從行業(yè)發(fā)展角度看是一項偉大的技術(shù)進(jìn)步，但它同時也對隔膜材質(zhì)提出了更高的要求。

圖表：堿性電解水制氫原理

　　因為在動態(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、運動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，這還不是個大問題;但如果是電解制氫，因為氫氧分子不對等，一旦氫氧發(fā)生混合，就意味著巨大的安全風(fēng)險。

　　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)團隊涌入了這個賽道，但因為使用的電解槽和隔膜材料不合格，制出的氫純度不夠，導(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，是因為它的生產(chǎn)技術(shù)非常困難，需要同時滿足以下要求：

　　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;

　　具有較好的機械強度，能夠長時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。但因為眾所周知的原因，愛克發(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，但其實也不太重視這塊市場。

　　畢竟，電解水制氫此前一直是個小眾的行業(yè)，愛克發(fā)整體業(yè)務(wù)龐大復(fù)雜，每年營收的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，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)電批地的時候，都會硬性要求配置制氫裝置，未來隨著風(fēng)光能源的加速落地，整個制氫行業(yè)也會持續(xù)提速。

　　舉個例子，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，這個數(shù)字很可能2023年就能實現(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1000標(biāo)方的電解槽要用大約1200平米隔膜，以5MW=1臺1000標(biāo)方=800噸/年產(chǎn)能計算，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年中國電解槽裝機量可以達(dá)到100GW，以此測算，屆時國內(nèi)復(fù)合隔膜市場規(guī)模在200億以上，相當(dāng)于10年會有一個百倍的增長。

　　因此我們認(rèn)為，「復(fù)合隔膜的國產(chǎn)替代」是一個屬于中國科技公司的大好機會，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，可以在一個較長的時間內(nèi)享受到技術(shù)紅利帶來的高溢價。

　　目前在這個方向上，國內(nèi)也有很多創(chuàng)業(yè)團隊在進(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€典型的「中間模糊，兩頭確定」行業(yè)。

　　中游儲運環(huán)節(jié)，是用管道摻氫、有機溶劑還是現(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)、燃料電池和儲能這三大方向。

　　上游制氫方面，主流觀點也很一致，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，是一個非常年輕、充滿機會的賽道。在此之前，因為下游沒需求，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，整個行業(yè)循環(huán)處于“鎖死”狀態(tài)。

　　這其實和2015年的自動駕駛非常相似，當(dāng)時自動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700美元，要知道激光雷達(dá)屬于光學(xué)機械，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遵循類似的邏輯——因此，我們會非常看好氫能行業(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。

　　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|險峰創(chuàng)