替代or互補，脫碳能源下的“氫電之爭”
中國的電力技術(shù)獨步天下、全球第一，整個供電體系不僅價格低廉且十分穩(wěn)定，我們每個人都直接受益于這套基礎設施帶來的紅利。此外，今年中國也大概率將超越日本，成為全球第一大汽車出口國，其中電動車的貢獻同樣功不可沒。
因此，站在普通國人的視角，隨著未來“光伏+特高壓+儲能”循環(huán)體系的不斷完善，電力將100%代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源，這件事似乎是天經(jīng)地義。
然而站在全球視角下，事實可能并不是這樣。
按數(shù)據(jù)，2021年，煤炭在中國全部能源消費中的占比為56%——其中大約一半的煤是用來發(fā)電的，所以可以近似理解為，煤電在我們的能源結(jié)構(gòu)中占比約為28%（為方便計算，此處發(fā)電轉(zhuǎn)化率假設為100%，實際上肯定達不到）。
再加上其他一次電力（水電+風電+光電+核電）的16.6%，據(jù)測算，作為今天全球電氣化程度最高的國家，最多也只有45%的能源消費總量用于發(fā)電。
如果把視角放大到全球——按報告中的統(tǒng)計口徑：截止到2020年，電力在全球能源中占比大約是20%。換句話說，即便我們擁有黑科技魔法，能在一瞬間把世界上所有火電站全部變成風光電廠，且完全搞定了波動性問題，最多也只解決了20%的碳排放問題。
究其原因，人類耗能的真正大戶來自于物流運輸、工業(yè)生產(chǎn)以及供暖等，目前這些領域主要依靠化石能源，特別是天然氣在支撐，而它們很難被電氣化完全替代。
比如，受限于化學電池的能量密度，飛機如果采用純電作為動力，跑跑中短途還可以，但遠距離客運就幾乎無法實現(xiàn)；同理，電動貨輪在續(xù)航和成本上也沒有太多競爭力，類似的場景還有電動重卡、電動工程機械等等。
同樣，工業(yè)領域100%電氣化也是不可能的。比如電加熱的原理是，首先加熱物體周圍的空氣，再間接加熱物體本身（類似于電烤箱），但對于冶金煉鋼這種需要持續(xù)高溫的場景，間接加熱完全無法滿足需求。再比如化工行業(yè)，目前也只能靠化石燃料燃燒，而不能用電力來合成化工原料——本質(zhì)上這是個物理學問題，因為我們不能從電流中憑空變出分子。
終端用能以外，另一個很大的問題是運輸。
在系統(tǒng)性研究氫能之前，我對于“輸氫”這件事多少是有些成見的：邏輯上，我們先要把風光電能轉(zhuǎn)化成氫氣，再通過管道或者其他方式運到某地，憑空增加了損耗。為什么不干脆拉根電線，直接用高壓輸電呢？
但就像前面說的，這還是中國人的視角。其實從全球來看，電力的長距離運輸一直都是一件挺困難的事情。
舉個例子，歐洲電網(wǎng)是從上世紀就傳下來的，整體非常老舊，平均損耗率是8%至10%，所以他們采取的策略是盡量減少輸電距離。比如，意大利居民區(qū)距離最近的發(fā)電站平均只有25公里，但他們距離最近的天然氣加工廠則超過1000公里。事實上，在絕大部分的國家里，管道輸送的損耗都要比電網(wǎng)低得多。很多人之所以會產(chǎn)生“錯覺”，覺得電網(wǎng)更高效，主要還是中國電力技術(shù)太強的緣故。
在運維方面，我們知道電網(wǎng)每一秒都需要配平，即瞬時發(fā)電量與用電量嚴格對等，否則就會引發(fā)事故。在未來風電光電為主的格局下，電網(wǎng)配平難度會指數(shù)級提升。
而如果采用管道運輸就要簡單許多，遇到需要調(diào)節(jié)的情況，可能“擰擰閥門就解決了”，也不需要特別復雜的電控技術(shù)，用話來說：“如果前者是‘走鋼絲’，那后者就像‘在花園里散步’一樣輕松。”
再加上歐美基本建成了比較完備的天然氣管道系統(tǒng)，特別是歐洲，已經(jīng)能做到42%的家庭入戶，而且這些管道的質(zhì)量標準也非常高，比如去年德國萊茵集團已經(jīng)嘗試將天然氣摻氫水平提升到了20%，為100戶德國家庭穩(wěn)定供能了6個月，中間沒有出現(xiàn)任何問題，非常安全。因此，至少對他們來說，氫能的綜合成本與效率可能也沒有我們想象得那么不堪。
此外，中國國土面積遼闊，風光資源都非常豐富，但大部分發(fā)達國家其實并沒有這么優(yōu)越的自然條件。如果自己不產(chǎn)風光，又要使用清潔能源，就只能選擇進口，但國與國之間又隔著那么多高山海洋沙漠森林，只靠“拉電線”不可能解決所有的場景，所以日本才會用船從澳洲進口液氫。這種操作我們初看上去可能無法理解，但如果切換到他們的視角就會發(fā)現(xiàn)，這可能才是最經(jīng)濟、也最現(xiàn)實的選擇。
同理，一旦我們能代入他國的視角，一些“奇葩”的項目就變得非常合理了。比如2021年西門子投入了1.2億歐元，啟動了一個名叫H2Mare的海上風電制氫的項目：他們將電解槽集成到海上風機中，直接在海上生產(chǎn)綠氫，然后通過管道運輸?shù)疥懙厣希渲写蟛糠謿鋾挥糜诠I(yè)生產(chǎn)，剩下的部分則作為氫燃料電車的供能使用。
首先，海上制氫可以遠離人群，解決了安全性的問題；其次，氫也是一種非常優(yōu)質(zhì)的還原劑，在工業(yè)特別是鋼鐵冶金行業(yè)中具有廣泛用途。
所以，回到開頭的那句話“宜電用電、宜氫用氫”，個人覺得非常有道理。即使電力技術(shù)強如中國，未來要實現(xiàn)100%的電氣化也是不現(xiàn)實的，更沒必要。
未來隨著化石燃料的逐步退場，中間的缺口一定需要用其他脫碳能源來填補，這里面氫會占多少份額，不同人都有不同的判斷。比如國際可再生能源機構(gòu)預測，到2050年，電能在全球能源結(jié)構(gòu)中的占比會接近50%，而在剩下的一半里，氫可以占到50%，也就是能源總量的25%——我覺得這個估計偏樂觀，但哪怕只占10%，對應到能源市場，也是一個萬億級的巨大增量。
氫能爆發(fā)的臨界點在哪？
目前來看，制約氫能發(fā)展的主要因素，歸根到底就是一個字：貴。
要解決這個問題，主要依賴三個方面：第一是綠電成本的快速下降，比如異質(zhì)結(jié)、鈣鈦礦替代傳統(tǒng)晶硅，目前趨勢已經(jīng)非常明顯了。
第二是制氫設備成本的快速下降。此前中國沒有專門的制氫產(chǎn)業(yè)鏈，很多制氫設備并不是專用的，而要先買別的行業(yè)的機器，改造之后才能用。但隨著近期氫能行業(yè)熱度的提升，一大批初創(chuàng)公司和上市公司紛紛入局隔膜和電解槽，未來相關(guān)設備標準化定型及量產(chǎn)后，制氫成本也會明顯下降。
舉個例子，2022年，清華大學他們用平準化制氫成本（LCOH）模型，測算了不同制氫技術(shù)未來的成本變化趨勢。
通過歷年數(shù)據(jù)擬合，他們計算得到了光伏的技術(shù)學習曲線（learning curve）為14%，風電為7%，電解槽為18%。以此測算，未來光伏+電解水制氫的成本，將從2020年12000元/kW下降1740元/kW，并于2050年前后成為成本最低的制氫方式（包含碳排放成本)。
而這其中，只有33%的成本下降來自于光伏電力成本的下降，電解槽成本下降和使用壽命增長的貢獻率則超過57%，可見制氫設備改進對于行業(yè)發(fā)展的重要意義。
第三是大規(guī)模管道輸氫的可行性。
對于管道輸氫，目前國內(nèi)還處于爭論狀態(tài)，擔心氫原子滲透到碳鋼里，出現(xiàn)氫脆問題。但前文也提到，現(xiàn)在德國等多個國家都在嘗試管道輸氫，也取得了不錯的效果。以我們近期與多家海外公司交流下來的體感，至少在歐洲范圍內(nèi)，大家基本已經(jīng)達成了初步共識：未來歐洲的氫能將主要依賴在風光資源豐富的地區(qū)（如北非和中東）電解水制氫，然后通過管道長距離+大規(guī)模輸送到歐洲。
比如2020年，23家歐洲天然氣基礎設施公司共同發(fā)起了一項歐洲氫氣骨干網(wǎng)計劃（The European Hydrogen Backbone，EHB），包含5條“氫走廊建設規(guī)劃”，計劃到2040年左右形成一個互連的專用氫運輸基礎設施，并逐步延伸至歐洲所有地區(qū)。其中，69%為現(xiàn)有天然氣管道改造，31%為新建輸氫管道，屆時超過1000公里的氫能運輸，平均價格可降至0.11-0.21歐元/公斤，比海運更便宜。
其中，“西部氫能走廊”（B線）已于2022年開工，這條管道從伊比利亞半島途徑法國進入歐洲中心，預計每年輸送綠氫200萬噸，約占歐盟綠氫消費量的10%。“南部氫能走廊”（A線）也于2023年5月啟動，該線路起始北非，經(jīng)過意大利，最終進入奧地利及德國，可以將地中海南部地區(qū)生產(chǎn)的綠氫輸往歐洲，每年輸送綠氫400萬噸，可滿足歐盟2030年氫氣進口目標的40%，兩條管線全部計劃于2030年前投入使用。
那么，氫能爆發(fā)的臨界點在哪里？
個人覺得，有兩個關(guān)鍵節(jié)點值得關(guān)注：
第一個節(jié)點是2030年。
還是以歐洲為例，先看消費端，目前德國境內(nèi)加氫站的平均零售價為9.5歐元/公斤，但氫能的能量密度更大，1公斤氫大概可以滿足一輛家用轎車100公里的續(xù)航需求。相比燃油車的話，當前歐洲汽油價格是1.9歐元/升，按普通燃油車百公里5個油計算，其實歐洲的氫能車使用成本已經(jīng)與傳統(tǒng)燃油車相當。
再來看供給端，2021年12月，標普全球普氏（S&P Global Platts）發(fā)布了全球首個“碳中和氫”（Carbon Neutral Hydrogen，CNH）的價格指數(shù)。他們選取了美國加州、美國海灣地區(qū)（包括得克薩斯州和路易斯安那州）、荷蘭（代表歐洲）、沙特阿拉伯（代表中東）、日本（代表遠東）、澳大利亞西部（代表澳洲）共計6個地區(qū)，算出了各地“碳中和氫”的平均出廠價格。
比較有意思的是，此處的“碳中和氫”沒有限定氫氣制取的方式，而是限定了要使碳市場工具（如購買碳配額，CCS等）抵消掉制氫過程中的碳排放，以最終差值作為價格基準?？梢钥闯觯?個地區(qū)中，歐洲的綜合制氫成本是最高的，出廠價與零售價相差無幾，扣除運費基本就是虧的，必須要依賴國家補貼。
而如果到2030年，“氫走廊建設規(guī)劃”可以初步建成，意味著歐洲能夠以比現(xiàn)在低一半的價格使用北非和中東地區(qū)的綠氫，屆時，綠氫就可以順勢承接掉歐洲灰氫和藍氫的市場份額，整個體系就能在不依賴補貼的情況下先運轉(zhuǎn)起來，這可能是未來氫能發(fā)展的一個轉(zhuǎn)折點，出海方向上可能也會有一波機會。
第二個節(jié)點是2美元/公斤。
首先，這是一個能夠顛覆現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)的價格。因為有燃油稅和補貼，氫能在交通領域尚有一戰(zhàn)之力，但到了工業(yè)領域就完全不夠看了。以鋼鐵冶金為例，目前我國終端氫能成本大概在60-70元人民幣/公斤左右，補貼后約40元人民幣。氫想在冶金領域完全替代天然氣或焦爐煤氣，必須要達到人民幣13元（約2美元）/公斤。這么看來，兩者差距非常大。
但換句話說，一旦拐點來臨，氫能成本低于2美元，屆時大規(guī)模替代化石能源也會變得非常迅速。
其次，2美元/公斤也是一個目力所及可以達到的價格。
對于何時能達到2美元，不同機構(gòu)有不同測算。到2030年，中國的綠氫成本將低于2美元（約15元/kg），而按照清華團隊的預測，則是要到2040年之后。上述差異來主要自于大家對技術(shù)學習率的判斷，核心原因還是制氫設備初始裝機規(guī)模太小，很難基于歷史數(shù)據(jù)做出非常準確的預測。
比如，對于電解槽成本降低的預測，清華大學選取的數(shù)據(jù)來自1956年-2014年，但要知道當時大部分國家連制氫工業(yè)都還不存在，整個電解槽行業(yè)都是依附于氯堿生產(chǎn)而存在，在這種情況下學習曲線依然能夠達到18%。所以該團隊也在論文中提到，假設學習率比預計基準學習率加快50%，綠氫成本將于2030年左右低于15元/kg。
總之，科研界與產(chǎn)業(yè)界對于綠氫成本的下降潛力是沒有分歧的，區(qū)別只在于速度。事實上，即使根據(jù)一般常識來判斷，在如此小的基數(shù)下，只要稍微增加一些裝機量，綜合成本也會下降很多。
日本反思氫能戰(zhàn)略，對中國有何啟示？
這幾年國內(nèi)氫能剛剛起步，大家的關(guān)注點還是在燃料電池上，因為電池裝上車馬上就能上路，上路馬上就能賺錢，整個行業(yè)很像10年前的鋰電，整體還處于比較草莽的時期。
但反觀日本企業(yè)已經(jīng)發(fā)展到了近乎“拆飛機”的階段，即每個細分產(chǎn)業(yè)鏈都已經(jīng)實現(xiàn)了專業(yè)分工化，小到一個加氫泵的噴嘴，每個零部件都有一批專業(yè)公司，在自己的領域內(nèi)打磨和提升技術(shù)?？梢哉f在氫能生態(tài)方面，日本的確比我們走得更靠前。不過，歸根到底雙方的技術(shù)差距也只有5至10年，相當于坐著時光機去看中國氫能5至10年后的情景，有很多東西都是我們可以借鑒學習的。
去年很多人在傳，豐田宣布停止研發(fā)氫能源車，日本已經(jīng)徹底放棄氫能路線了。
所以不用懷疑，氫能在日本依然很熱，日本發(fā)展氫能的決心也非常堅定。至于日本氫能為什么沒有發(fā)展起來，之前已經(jīng)有過很多分析，比如說日本自身市場狹小，但又想自己“吃獨食”，很多技術(shù)專利握在手里不和別國分享。這些分析有一定的道理，但我想提供一個新的視角。
日本自己反思氫能戰(zhàn)略之所以失敗，是因為戰(zhàn)略上的混亂導致了“失去的5年”。
日本是石油資源極度貧乏的國家，國內(nèi)原油自給率只有0.3%。1970年代的兩次石油危機，使當時正在高速增長、以重化工業(yè)為主的日本經(jīng)濟遭受重大損失，所以從1974年開始，日本推出了“新能源技術(shù)開發(fā)計劃”，大力發(fā)展新能源，并提出了“安全、穩(wěn)定、長期和高效供給”這四個關(guān)鍵詞。所以從一開始，日本的新能源戰(zhàn)略就是為了減少對石油進口的依賴，而不是以脫碳為目的。
第一個轉(zhuǎn)折點來自1997年的《京都議定書》。日本作為當時主要簽約國，承諾要將溫室氣體排放量削減6%。在這個背景下，日本對氫能的關(guān)注開始逐漸增加，因為氫燃料電池不需要對現(xiàn)有汽車產(chǎn)業(yè)鏈進行重大改造，只要對內(nèi)燃機系統(tǒng)稍加改裝即可使用，這樣有利于保持和擴大日本在汽車領域的技術(shù)優(yōu)勢。
因此在2003年，日本發(fā)布《第一次能源基本計劃》，首次提出“氫能社會”構(gòu)想，“氫能”成為高頻詞出現(xiàn)20次。但這一時期，日本政府對于氫能的實際投入并不太多，主要還是當作下一代能源來觀察和培養(yǎng)，關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)也都沉淀在高校之中。
第二個轉(zhuǎn)折點很快到來。2011年福島核電站發(fā)生了重大核泄漏事故，民眾談核色變，日本原本規(guī)劃50%的能源要來自核電，但在巨大的輿論壓力下，政府不得不轉(zhuǎn)而尋求他法，氫能就此迎來了真正的爆發(fā)。
2013年，安倍政府提出《日本再復興戰(zhàn)略》，把發(fā)展氫能源提升為國策。2017年，日本發(fā)布《基本氫能戰(zhàn)略》，正式提出建設“氫能源社會”，要求在所有部門推行采用氫能，打造世界上第一個“氫能社會”。但稍微觀察也會發(fā)現(xiàn)，此時的日本選擇全面押注氫能，也不過是順勢而為，本質(zhì)上還是為了解決核電退潮后的能源短缺，依然不是為了脫碳。
在這一戰(zhàn)略的指導下，日本政府把大量資源用在了補貼下游戶儲和氫燃料電池車的普及上，比如2010年，日本在家用聯(lián)供系統(tǒng)（Ene－Farm）的補貼金額為67億日元，到2011年（福島地震當年）猛增至175億日元，2012年一躍升至351億日元。后面幾年因為財政原因，補貼雖有大幅削減，但也都維持在數(shù)十億日元水平。
而對于上游，日本則采取了“多元化能源結(jié)構(gòu)”戰(zhàn)略。在2016年版《氫·燃料電池戰(zhàn)略路線圖》中，日本將構(gòu)建“氫能社會”劃分為3個步驟：第一階段為推廣燃料電池、促進氫能應用，這一階段主要利用副產(chǎn)氫氣，或石油、天然氣等化石能源制氫；第二階段主要使用未利用能源制氫、運輸、儲存與發(fā)電；到第三階段才會依托可再生能源，結(jié)合CCS技術(shù)，實現(xiàn)全生命周期零排放供氫系統(tǒng)。
簡單來說，面對氫能的“藍綠之爭”，日本政府選擇了騎墻態(tài)度，對于藍氫和綠氫一直沒有進行區(qū)分，既不鼓勵，也不打壓，甚至沒有制定相關(guān)的排放標準。
當然，日本也有自己的無奈。日本四面環(huán)海，國土面積狹小，風光資源天然不足，再加上國內(nèi)電價高企，發(fā)展電解水制氫存在天然劣勢。因此，日本從一開始就把關(guān)注重點放在了更廉價的藍氫上——比如在澳洲和文萊等地開采褐煤制氫，然后通過液態(tài)儲氫的方式船運回日本。
然而，煤制氫過程中會產(chǎn)生大量碳排放和環(huán)境污染——平均每生產(chǎn)1噸氫氣，需要消耗6-8噸煤炭，并排放15-20噸的二氧化碳，同時還會產(chǎn)生許多高鹽廢水及工業(yè)廢渣，只靠目前的CCS技術(shù)，難以支持煤制氫的大規(guī)模發(fā)展。而煤化工業(yè)副產(chǎn)氫雖然成本低，但也會不可避免地副產(chǎn)大量一氧化碳（約占焦爐煤氣的30%-40%），最終這些一氧化碳還是會通過各種方式轉(zhuǎn)化為二氧化碳。
日本政府顯然也發(fā)現(xiàn)了問題，在之后2019年版的《氫·燃料電池戰(zhàn)略路線圖》中，調(diào)整了“多元化能源結(jié)構(gòu)”規(guī)劃，但依然保留了建立全球氫能供應鏈的“藍氫”路徑與依托可再生能源的“綠氫”路徑并存的路線圖。
日本在藍氫和綠氫之間反復徘徊，在能源轉(zhuǎn)型上耽誤了太多時間。等五年過后，日本政府才發(fā)現(xiàn)氫能對于減少碳排放的貢獻遠遠低于預期，無論經(jīng)濟性還是環(huán)保性，都已經(jīng)被鋰電甩了幾條街，最終喪失了在新能源領域的話語權(quán)，才有了前述文件對“失去5年”的感慨。
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用，清潔能源的成本還會進一步降低，而反觀煤炭石油等化石能源，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，在氫能領域，風光能源+電解水的綠氫路線一定代表著未來。
所以在2020年的這份文件中，日本可再生能源署也對氫能戰(zhàn)略提出了修正意見，表示要重新建一個supply system，無論是進口氫還是國產(chǎn)氫，都要聚焦到綠氫上，同時提高灰氫和藍氫的排放標準，把日本的氫能戰(zhàn)略和碳中和結(jié)合在一起——這其實也和當下中國的氫能戰(zhàn)略不謀而合。
最后總結(jié)一下：
1.未來氫能落地的速度，取決于上述領域核心技術(shù)的突破速度。簡言之，一些關(guān)鍵技術(shù)的落地速度越快，學習率越高，意味著綠氫成本下降速度也越快，也就意味著綠氫越早可能取代灰氫，成為主流制氫方式。
2.目前國內(nèi)對于中游的氫能運輸是不是用管道，還存在爭論，但對于上下游已經(jīng)有了共識：下游主要是工業(yè)、燃料電池和儲能三大方向；而上游就是電解水，電解水的核心是隔膜和電解槽。
原標題：萬億氫能市場，爆發(fā)的臨界點究竟在哪？
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