中国该如何应对能源新革命？

前段时间，河南南阳的“水汽车”成为刷屏的热点，所谓的“只需要将储水箱加满自来水、河水或海水，就能让一辆卡车跑超过500公里”的水氢发动机也受到了多方质疑，认为这种做法显然违背了能量守恒定律。而这一事件的始作俑者青年汽车集团，也被爆出不少骗取补贴的“黑历史”，这一次则是蹭上了“氢燃料电池”的热点。

在氢燃料电池中，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极；其基本原理是电解水的逆反应，最终将氢气和氧气的化学能转化为电能，而且最终的排放物只有水。

清洁又高效的氢燃料电池不但被各地视为新发展引擎，也成了近期资本市场的宠儿。从今年1月起，众多“氢燃料电池”概念股如同脱缰的野马，踏上了股价飙升之路，美锦能源这支“龙头股”的股价从5.14元涨至21.54元仅用了一个多月。

其实，氢燃料电池并不是什么新鲜技术。早在20世纪70年代，美国就成功地将氢燃料电池应用于双子星五号太空船和阿波罗号宇宙飞船；到了1991年，罗杰?比林期（RogerBillings）发展出世界首个用于汽车的氢燃料电池。但此后，由于成本等问题，氢燃料电池技术的发展近乎停滞，至今还没有脱离德国人80年前发明的铂-铼催化技术，截至2017年末全球一共才卖出6475辆氢燃料电池乘用车。那么，沉寂已久的氢燃料电池为何又火了呢？它真的能取代汽油、柴油等传统能源吗？

氢燃料电池为何这么火？

燃油车即将退出历史舞台

众所周知，燃油车的尾气排放会造成严重的空气污染，而许多国家也制定了禁售燃油车的时间表。英国和法国计划2040年禁售燃油车，最快的荷兰和挪威计划在2015年就禁售燃油车。作为全球最大的汽车市场，中国也在制定相关的时间表（海南省已于今年3月1日逐步禁售燃油车），而近期多地开始实施更严格的“国六”排放标准，也给了燃油车生产企业莫大的压力。

在这样的大环境下，各大车企也纷纷制定了停产燃油车的计划。国内的北起和长安等车企已宣布2025年全面停售燃油车，国外的大众、戴姆勒、通用和丰田等汽车巨头也公布了停产或者禁售燃油车的时间表。很明显，无论是对生产厂家还是消费者，燃油车都将成为“过去时”，此时发展新能源车已经是大势所趋了。

2.纯电动车头上的“两朵乌云”

本来，在传统燃油车日渐式微的情况下，纯电动车是有希望拿过交接棒的。这些年锂电池技术和产业化的迅猛发展，让能源损耗更低、空气污染更小、性能更加的纯电动车大放异彩,中国也成为了全球电动车领域的领头羊。不过，锂电池技术发展到今天仍面临两个“瓶颈”问题：电池能量密度和充放电倍率。

能量密度，指的是单位体积或重量可以存储的能量多少，对锂电池来说自然是越高越好。然而，目前纯电动车电池模组的能量密度一般在130-150Wh/kg之间，特斯拉这样的行业佼佼者也只能做到150Wh/kg；由于锂离子化学物质的能量密度具有固定的最大值，这是由物理学的法则决定的，目前的电池能量密度距离理论最大值已经不算太远；另外，过高的锂电池能量密度还会带来安全问题，出现燃烧爆炸的事故几率也越来越高。锂电池的这一“瓶颈”对消费者来说，那就是续航里程不够，一些国产电动车的实际续航里程不足200公里，到了冬天可能还要再打对折。

充放电倍率，指的是能量存储和释放的速度，对锂电池来说最好能达到瞬间存满或释放，但这也是不现实的。理论上可以通过放大电流的方式来提升电池的充放电倍率，但这样一来，会造成电池内部锂离子的扩散速度跟不上电子扩散速度，最终影响电池的寿命和安全性。同样的，这一技术性难题也造成了纯电动车的另一个“硬伤”——充电时间过长，即使快充也需要半个小时。

相比之下，氢燃料汽车就没有上述这两个问题了——氢气的能量密度是锂电池的上百倍，续航能力不输于传统燃油车，而加氢的时间跟加油差不多，一般只需要3-5分钟。

3.氢燃料电池补贴或将登场

无论是纯电动车还是氢燃料汽车，补贴对整个产业的发展都是至关重要的。财政部曾透露了一个数据——在2016年以前的10年中，各国对新能源汽车补贴总额约为160亿美元，而中国就占去了一半之多。但是，随着新能源车补贴的逐渐退坡（2019年的国家财政补贴退坡50%，地方补贴6月25日后退出），纯电动车将在2020年直面市场所有车型的竞争。

相比之下，燃料电池行业的政策支持才刚刚开始，“推动加氢等设施建设”的内容更是写进了2019年的“报告”里，各省市也在出台氢燃料电池汽车的补贴政策。不少声音认为，氢燃料电池在2025年之前可能都会享受补贴，这也会帮助它复制纯电动车在中国的发展轨迹，成为下一个“万亿级”市场。对于嗅觉敏锐的资本和新能源车企来说，氢燃料电池确实是当下最大的“风口”。

制氢，发展氢燃料电池的关键

对我们国家来说，氢燃料电池汽车相比燃油车和纯电动车有显著的优势，也面临着几个亟待解决的问题。首先是车载储氢技术，氢气密度为空气的7.14%，即使采用低温液压储氢的技术，也需要解决运行过程中的安全隐患问题；第二是加氢站等基础设施不足，目前国内存量充电桩大概60万个，而投入运营的加氢站数量感人（只有23座），即使2020年按照规划建成100座加氢站，这个数量依然太少；第三是氢燃料电池的供应链问题，目前一些关键零部件主要还依赖进口，这给国内企业带来了不小的成本压力。

不过，上述三个问题还不是制约我国发展氢燃料电池技术的关键。如果我们将整个氢燃料电池的产业链进行拆分，大致可以分为处于上游的制氢部分、中游的氢燃料电池动力系统（包括燃料电池堆、辅助系统和控制系统等）、以及下游的氢燃料电池汽车应用部分。其中，在中游的材料技术和工艺上，中国公司和外国同行也只有2-5年的差距，完全有能力发力赶上去；而在应用经验方面，有了政策和资本的双重加持越高也不是问题。

相比之下，上游的制氢环节才是最关键的一环，有专家认为这方面我们与国际先进水平的差距更大。目前，主流的制备氢气的方法主要有化石燃料制氢、化工原料制氢、工业尾气制氢和电解水制氢，开头提到的“加水就能跑”的水氢发动机，虽然青年汽车拒绝公布其“特殊转换装置”详情，但其真实制氢原理多半是电解水制氢。

在这几种制氢方法中，化工原料制氢和工业尾气制氢都存在明显的“硬伤”——前者的问题在于甲醇等原料难以实施规模化制氢，后者制作出的氢气纯度不够，很难满足氢燃料电池的使用需求。而化石燃料制氢作为当前比较主流的制氢途径（中国约95%-96%的氢制取来自化石燃料），虽然能够满足规模化和纯度的需求，但也存在一定的问题。据测算，这种方式每生产1吨氢气要消耗6-8吨煤、排放15-20吨二氧化碳，并产生大量的高盐废水和废渣，这显然背离了我们发展氢燃料电池的初衷。

所以，电解水制氢可以说是最有潜力的制氢方法，它对环境非常友好，制氢纯度能达到99.7%，还可以实现规模化生产。这种制氢方法唯一的问题在于成本过高，当前世界最先进的丰田Mirai氢燃料电池车，每百公里耗氢量约为1kg，如果要追平锂电池车的行驶成本，需要将氢气价格降低至14元/kg以下。但是，按照目前的商用方法每生产1立方米氢气约耗5-5.5度电，再算上固定成本的话在40元/kg以上。

可以说，制备低成本高质量氢气是推广燃料电池车的重要前提，而电解水制氢技术则是破局的关键。哪一个国家能够在这一领域获得突破，谁就能占得发展氢燃料电池汽车产业得先机！

氢能，中国能源“弯道超车”的良机

其实，电解水制氢成本主要来源于用电成本（约占总成本的77%），这也意味着大规模电解水制氢需要庞大富裕的电能和非常低廉的电价。这也意味着，世界上绝大多数国家都没法获得这一领域的“入场券”，但说来真的很巧——中国几乎是全世界唯一能满足这两项“硬性条件”的国家。

2018年，中国总发电量达到了6.8万亿度，这相当于全球发电总量的四分之一。如此庞大的发电产能令其他国家羡慕不已，也会带来一定程度的弃电问题。水电方面，2017年西南三省合计弃水电量超过260亿千瓦时,四川丰水期电价最低仅0.08元/度；风电方面，仅新疆一省2018年弃风电量就有107亿度，弃风率高达23%；而在光伏发电领域，新疆和甘肃两省去年弃光电量也超过30亿度。这些过剩、低成本且环保的水电、风电等资源，不正是电解水制氢最合适的用电来源吗？

从更高的维度来看，发展氢燃料电池和氢能产业也是我国实现能源转型的关键。总体来说，我国是一个多煤少油的国家，煤炭在一次性能源结构中占比曾高达90%（目前仍有60%左右），煤炭占比下降的同时是油气资源的对外依存度不算上升，2018年我国石油和天然气的对外依存度分别攀升至71%和43%。

这就是我们能源结构的痛点所在：环保的压力下，降低煤炭的消费比重已经刻不容缓；而经济发展又需要进口大量的石油等资源，这也会带来能源受制于人的风险。前几天，前中石化董事长傅成玉表示，应该做好短期石油断供准备，用10-15年时间内做到能源基本自给。当前形势下，中国改如何实现“能源自给”？大规模制氢和发展燃料电池或许是一个解决方案。

事实上，通过技术革新来推动能源革命，最终实现一个国家的能源转型并非没有先例。蒸汽机、发电机和核能的引领的前几次能源革命，不但深刻地影响了人们的生产和生活，也改变了很多国家的命运。最近的一次能源革命则发生在美国，水压裂解技术的成熟使得美国页岩气和页岩油产量飙升（油气产量已经是沙特的两倍），美国这个过去的能源进口大国历史性地实现了“能源自给”。

氢燃料电池技术究竟能否担当大任、引领下一次能源革命，我们不得而知。但放在二十年前，谁又会想到光伏、锂电池和页岩气能有今天的光景，发展成一个万亿级别的产业呢？不可否认的是，氢能和氢燃料电池有着巨大的想象空间，它很可能像高铁、电动车和5G这些振奋人心的产业那样，成为我们又一个实现“弯道超车”的领域！