被冷落的“氢能”，为何掀起了热浪？｜7000字深度

氢能，不温不火 

去年国庆期间，我去了一趟成都，除了感慨于当地的夜市文化外，另一件印象深刻的事情，便是氢能汽车的普及。

去青城山景点之前，我们在当地打车平台上，叫了一辆氢能轿车，没有发动机的轰鸣，也不是电动车的蜂鸣声，隐约能听到压缩机工作的声音，但行驶和启动、加速体验，与电动车类似，因为氢能车的基础原理是“氢燃料电池”，即通过燃烧反应，将化学能转化为电能，驱动氢能车行驶，排放的是纯净水。

在行驶到半途时，司机拐进了中石化加油站，为氢能车充氢气。不同于燃油车熄火即可，轿车加注氢气时，除了熄火外，车上人员都要下车，与加氢点保持二十米左右的距离。司机打开前车盖，观察氢气瓶的情况，再合上车盖，氢气从充气口充入。大约等了五分钟，充气完成，再上车，司机启动，开走。

相较于燃油车的大排长队，氢能源车即来即充，或许这也能看出，氢能车渗透率并不高。曾有媒体统计过一个数据，在北京，汽车加油站大约有1000个，能提供加氢气的站点只有10个，这十个还有不少在冬奥会结束后，就关闭了。

放眼国内市场，全国加油站总数超过了12万座。加氢站是多少呢？据国家能源局相关人士透露，全国累积建成加氢站是250座。而即使放大到全球市场，据不完全统计，截至2021年底，全球共有659座加氢站投入运营，中日韩加氢站总和占比64%。

全球的加氢站总数，还没有北京市的加油站多。

相较于人们将清洁能源的美好愿望，投射到氢能之上，氢能的应用市场却遇冷。

 A面和B面 

2000年，美国小布什总统在国情咨询会上，曾面向全球媒体公布，美国政府将投入12亿美元，全社会预计总投入上千亿美元，砸钱培育氢能源汽车产业，让氢能源汽车开遍美国的大街小巷。

今天再回过头来看，当初的雄心，不过是一时口快。

作为排在元素周期表第一位的“氢”，其原子质量最小，也是宇宙中含量最多的物质，占宇宙物质总量的75%，太阳核心每秒钟参与核聚变的氢，约有6亿吨。

在能量转换上，氢的燃烧热值高，能量密度高，1kg氢燃烧产生的能量，是1kg汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。氢燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源，资源丰富，可持续发展。

所有这些美好，却无法解决现实应用中的问题。

特斯拉CEO马斯克曾下场，怒喷丰田、本田和现代坚持的氢燃料电池，就是智商税，“氢燃料电池蠢得让人难以置信”“氢燃料电池不可能成功”“这就是垃圾”等等直白的话，马斯克反复念叨。无独有偶，比亚迪董事长王传福也炮轰：“对于民用新能源汽车，换电和氢能都是扯淡。”

之所以是“智商税”，原因不外乎一个字——“贵”，它体现在三个维度：

• 储氢运氢成本高

氢气能量密度高，但其体积能量密度很小，1立方米氢气产生的能量，低于同体积的天然气，更遑论和汽油相比。对于汽车而言，其体积是有限的，体积能量密度更为关键，要提高氢气的单位体积能量，你基本就得靠提高压强。

为了让每立方米氢气增加3.2度电的能量，你需要把压强加到350个大气压，汽车轮胎也就5个大气压。一般储氢罐所用材料为碳纤维，防止氢气腐蚀渗透，这也无疑提升了成本。此外，氢燃料电池的催化剂材料是“铂”。没错，就是铂金项链的“铂”，它的材料成本就占到了氢燃料电池的60%。

能源专家刘科曾评价道，液体能源体积能量密度高，可陆上管道输送，也可跨海运输，长期储存，而氢气均不具备以上优点。氢气体积能量很低，同时氢气是最小分子的气体，容易发生泄露，存储和运输成本太高。

• 安全成本大

氢气爆炸的浓度范围很宽，在4%-74%的浓度之间，遇到火星即爆炸。

在开放空间还好，氢气泄漏不大可能造成整车爆炸，若在地下停车场之类的密闭空间里，氢气爆炸会造成巨大的损毁。如若连锁反应，即在密闭空间里，一辆氢能车爆炸，并引爆了其他的氢能车，威力足以摧毁一栋大楼。

因此，带高压氢罐燃料电池车如若普及，需对已建成的地下停车场进行改造，这是一项巨大的社会成本。

• 加氢站的投资高昂

氢气易泄露，易爆炸，加氢站要与居民区保证一定距离，其占地面积一般为5亩地。尤其对于寸土寸金的北上广深杭而言，加氢站的商业化倍受阻碍。

据中国氢能联盟数据，我国建设一座日加氢能力500kg、加注压力为35MPa的加氢站投资成本接近1200万元（不含土地费用），约相当于传统加油站的3倍。其中设备成本占投资成本（不含土地费用）的80%以上，但每公斤氢气毛利只有十几元。

A面，是氢能的清洁性，高效燃烧“自己”，排出纯净水；B面，是氢气制取、运输和基础设施的成本之踵。

 三个“五年规划”

氢气，像极了一位天才型的选手，发展潜力高，但性格暴躁，桀骜不驯，管理成本很高，氢能的发展，离不开政策层面的扶持。

在碳达峰、碳中和的“双碳目标”之下，国内氢能产业发展规划逐步明确。在《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》中，氢能产业在能源体系中的角色定位确立， 氢能是未来国家能源体系的重要组成部分、用能终端实现绿色低碳转型的重要载体、战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。

《规划》为氢能产业拟定了三个五年发展计划：

（1）到2025年，初步建成较完整供应链、产业体系，燃料电池车保有量约5万辆（2021年，中国大陆市场出售约320万辆电动车），可再生能源氢量达10万吨-20万吨/年，实现CO₂减排100万吨-200万吨/年；

（2）到2030年，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系；

（3）到2035年，形成氢能产业体系，构建涵盖交通、储能、发电、工业等领域的多元氢能应用生态。

从制氢、储运、加氢网络，到储能、分布式发电和工业领域等应用层面，再到加大对质子交换膜等核心材料技术的研发投入。《规划》从顶层设计上，完善了氢能的发展方向。

我国对氢能的重视，离不开两大原因：其一，服务于国家能源安全，我国石油能源并不丰富，以2021年数据为例，中国石油产量为499万桶/日，石油消费量为1527万桶/日，四分之三以上依赖进口；其二，解决环境污染和碳排放问题，当氢在能源中占比越高，排放的碳和其他污染物就越少。

要了解一个产业的现状，就需要理解它的全貌，我将从生产、储运和应用三个维度，去拆解分析氢能的现在和将来。

生产、储运和应用 

氢能产业的源头，便是氢气的制取。

就像发电一样，氢气制取的过程，也是耗能的过程。

作为全球最大的产氢国，中国年产氢量为3300万吨。如果从数字上来看，这是一个庞大的规模。但若换算成能量，3300万吨氢约等于1.5亿吨煤，产氢总量相当于年煤消耗量的4%。

在制氢方法当中，最大头是化石能源制氢（如煤制氢、天然气制氢），占比达到的80%，消耗化石能源制取出来的氢气，称作“灰氢”，它无法推动“双碳目标”，后续会被严控；

其次是工业副产氢，顾名思义，就是在工业生产中，附带产生的氢气，也被称之为“蓝氢”。相较于会产生碳排放“灰氢”，以及制造成本高昂的“绿氢”，工业副产氢是更契合实际的产氢方式，诸如焦炉煤气、炼厂气和氯碱化工尾气等气体副产氢气资源丰富。

在我国的能源结构中，呈现出“贫油少气富煤”，焦炉煤气资源丰富，焦炉煤气年均产量在900亿立方米左右（标准大气压下），其中的氢气含量约为720万吨，占到年总产氢量的21.82%。

例如，打造全产业链优势的山西美锦能源，拥有储量丰富的煤炭和煤层气资源，现有煤炭焦化产能715万吨/年。在2021年报及2022一季报中，受益于焦炭价格不断走高，美锦能源2021年营收212.9 亿元，同比增长66%，归母净利润25.7 亿元，同比增长269%。

其2022年业绩或将受益于氢能产业发展，目前美锦能源拥有“煤-焦-气-化”一体化的完整产业链。相较于天然气、煤炭制氢等方式，焦炉气副产氢成本更低。美锦能源副产品焦炉煤气，富含55%氢气，因此拥有了目前低成本、大规模制氢的重要途径。美锦能源也正由传统能源，向氢能源转型升级，构成焦化主业与氢能板块协同效应。 

此外，在中国的煤炭结构当中，高硫高灰的劣质煤，占总储量比例达40%-50%。这类煤无法直接燃烧，加工成可燃煤的成本过高，却是生产甲醇的重要原材料。

甲醇也是目前主流的制氢材料，正如氢能源专家刘科所说：“甲醇在线制氢比汽油制氢都要简单很多。这样做了以后，实际上甲醇和水重整，产生的氢气直接通过电堆发电，电就可以驱动汽车。哪用电的时候哪去制氢，同时发电，这是氢能的未来。”

除了“灰氢”和“蓝氢”之外，剩下的就是“绿氢”，即通过风光等可再生能源，来电解水制取氢气。这一过程不会产生碳排放，也是最清洁的氢气生产方式。正如上文所述，绿氢制取很高。在当下制氢组成结构上，绿氢占3300万吨的总量比例，不到5%。只有当太阳能、风能发电便宜之后，电解水制氢才有商业化的可能。

作为全球最大的太阳能制绿氢企业，宝丰能源在2019年首次尝试规模化生产绿氢，即利用太阳能光伏电站，电解水来制取氢气，单台电解槽产氢量达到1000m³/小时（标准大气压），当前总制氢规模达30000m³/小时（标准大气压），并沿着氢能交通和氢能全产业链的两大方向，不断深入发展氢能产业，构建起“制氢、补氢、储氢、运氢、加氢、用氢”于一体的绿氢全产业链。

因此，在双碳目标之下，中国氢能产业短期靠“蓝氢”，中长期靠“绿氢”。诚然，绿氢的发展，还遇到很多现实问题，例如绿氢发电是直流电，若要上网，则需要转化成交流电，而当企业需要用电时，又需要将交流电，变成直流电。转化过程无疑会产生能量的损耗，能否将绿氢发电，直接应用于企业用电，减少上网带来的损耗，这需要政策层面的配合。

回溯氢气在中国的发展历史，在很长一段时间里，氢气主要承担着工业生产原料的角色，例如在化工产业中，氢气是合成氨和甲醇的重要原料，在石油中加注氢气提升油的品质，尼龙塑料、农药化肥和冶金中都有氢的身影。

当下，国家对氢能产业的规范和扶持，将氢推到了能源载体的属性上来。业内人士预测道，到2030年，国内市场对氢能的需求，将接近4000万吨，到了2050年，若煤炭发电占比降到20%以下，我们对氢能的需求超过6000万吨，市场空间很大。

相较于制氢，氢气的储运成本更高。

以加氢站为例，业内人士估测，氢气制取成本约为20元/kg，但加氢站终端售价达80元/kg，储运成本占绝对的大头，这限制了氢能的大规模普及。

据国联证券分析，氢能发展初期，氢用量及半径相对较小，此时高压气态储运更具性价比；氢能发展中期，氢气需求半径将逐步提升，将以气态和低温液态为主；远期来看，高密度、高安全管道输氢将被实现。

总体而言，氢能储运将按照“低压到高压”“气态到多相态”的方向发展，由此逐步提高氢气储存和运输的能力。

当下，氢能储运有三类主流的尝试。

其一，在太阳能、风能和水能充沛的地区，建立示范区，围绕氢能生产建立配套产业，将弃风、弃光和弃水的能量利用起来，实现“当地开发，当地利用”。

例如四川丰水期的水电、东部海上风电和西北部的太阳能等，都可因地制宜。在张家口示范区，弃风发电的电价，控制在0.15元/度-0.2元/度，而电费占制氢成本的比例超过70%，这极大降低了氢气的制取成本。张家口也围绕氢能，将物流货运车辆，置换为氢能汽车，并搭建了一个产业生态，由点及面地发展氢能产业。

让能源产地和用能市场合为一处的示范区模式，能加速双碳目标的实现。在我国碳排放的组成上，工业生产的碳排放占比70%，而大众关注度更高的交通领域，实际占比只有10%左右。宁夏省宁东工业区正是利用当地丰富的太阳能资源，布局光电制氢，年绿氢需求量达124万吨，二氧化碳排放量减少了3000万吨。

其二，氢气不像液体能源，难以从西部拉到东部，因此将氢能液态化，成为一种提升使用半径的方式。

氢气液态化有两种方式，一是，低温高压制成液氢，进行远距离运输，这一模式尚在尝试阶段。日本川崎重工已试验了液氢跨海运输技术，通过全球第一艘液化氢运输船，历时三周半的时间，将澳大利亚的液氢海上运输到日本；

更经济的液化方式，还有将氢气和氧气混合，并加入一点碳源，通过化学反应将氢气变成液体，比如说绿色甲醇，它可在常温常压下储运，需要用氢气时，再释放出氢气即可；

其三，便是管道运输，这也是最便宜的输氢方式之一，有“混氢管道”和“纯氢管道”两种方式。

混氢管道，即借助西气东输管道，在天然气中掺入25%的氢气，运输到东部直接燃烧，也可以分离出氢气，供燃料电池使用。纯氢管道运输的尝试中，中石油在内蒙古自治区包头市建了一条202公里的纯氢管道，其运输成本比特高压送电还要低，特高压送电的运输成本是7分钱一度电，氢是三分钱一度电。

无论通过燃料电池发电上网，还是液体氢能的管网、氢气的气网，三网融合构建氢能输送体系，才能高效地实现清洁能源的利用。

储运之后，还有加氢网络的建设。

当下加氢网络的设计思路，是优先利用现有加油加气站的场地设施，改扩建加氢站，尝试站内制氢、储氢和加氢一体化。到2035年，中国大陆市场的加氢站建设目标，至少达到5000座，2020-2035年的年复合增长率达28%。

可预见的是，随着氢能布局的深入，必将拉动一波基建的规模投入。

在终端的应用层面，氢能有四大块应用场景：交通、储能、发电和工业。

若要普及氢能的应用，需要找到一定适合的场景先发展起来，形成规模化应用后，再倒推产业升级提效，进而降低氢气的制造成本。而氢能汽车无疑是备受期待的应用场景。

要让氢能汽车普及开来，离不开两个灵魂拷问：买车成本、用车成本。

氢能源汽车行业尚处早期发展阶段，远未达到电动汽车的普及率，没有形成规模效应，意味着买车成本高昂。其中，氢燃料电池及储氢系统占据了氢能车总成本的65%，对比来看，锂电池占电动汽车总成本的40%，并有望在2024年降低到10%。

若要降低氢能汽车购置门槛，除了规模化应用以外，国产化率也不可或缺。在储氢瓶上，国际主流燃料电池乘用车批量使用的，是70MPaI V型储氢瓶。此前，乘用车用储氢瓶是块小蛋糕，在国内处于空白期，而随着燃料电池汽车站上了风口，国内企业也逐步攻克了储氢瓶技术，例如沈阳斯林达安科、北京京城股份都已经在推进量产准备。

相较于国内市场的“破冰期”，国际企业已然形成了一条成熟的产业链，挪威Hexagon、日本丰田、法国佛吉亚等企业已实现量产，并应用在不同车型之上。此外在消费端，70MPa IV型储氢瓶也受到质疑，在传统认知当中，气压越高越危险，国内目前车载储氢系统基本采用35MPa III型瓶，要发展70MPa储氢瓶，还需要国家标准进一步明确，以及氢能汽车的加速普及。

在氢燃料电池上，其原理是通过氢气和空气中氧气混合，在90°C左右的温度下，将化学能转化电能，进而驱动汽车运转。虽然名字里带“燃料”二字，但它是化学反应转化为电能，转化效率达到60-80%，为内燃机的2-3倍。

此外，氢能车核心材料大多数为二次材料、有机材料，随着氢能车的逐渐普及，材料成本会下降，而非像电动汽车，受困于钴镍锂等原材料价格上涨，而在回收方面，氢能车虽然也用贵金属，但回收技术要求比电动汽车更低。

在燃料电池分型上，有七种类型，氢燃料电池汽车所采用的主要是质子交换膜燃料电池，这其中包含了十一项关键技术——电堆、膜电极、质子交换膜、催化剂、气体扩散层、双极板、燃料电池系统、空压机、氢气循环泵、DC/DC、加湿器。在下图中可以清晰地看到，氢燃料电池技术装备国产化，还有很长的一段路要走。

以质子交换膜技术为例，目前主流的材料为全氟质子交换膜。截至2020年，美国的科慕、比利时索尔维、日本旭化成三家，就垄断了全球 90%以上的产能，国内对全氟磺酸树脂进口依赖度高达99%。

因此，氢燃料电池核心技术攻关，国家会进行大力扶持，在形成逐步国产替代之后，氢燃料电池成本也会逐步下降。亿华通公司常务副总经理于民曾对外阐述道，从2015年以来，氢能发动机成本每年都下降约30%

在最终的应用层面，目前先行推进的是氢能重型车辆，延伸到新能源客、货汽车，以及在船舶、航空器等领域的应用，提升氢能在交通行业的应用。

以《节能与新能源汽车技术路线图2.0》的发展规划为参考，2020-2030年，氢燃料电池汽车的保有量的增长空间达十年百倍。现阶段燃料电池成本较高，其推广应用依赖政策和补贴。

正如中国电动车产业崛起的背后，是国家自2010年开始的补贴政策，前后投入了上万亿元。截止2021年10月，中国成为全球新能源汽车第一大技术来源国，专利申请量占全球总量的66.79%。

氢能车的发展，是中国氢能产业的缩影，这是从0到1的过程，而任何一个新生产业，脱离了补贴，就难以发展起来。

 氢能的第四波浪潮 

1969年，美国的“阿波罗11号”宇宙飞船，载着三名宇航员登上月球，当阿姆斯特朗踏上月球表面，留下了那段流传至今的名句——这只是我一个人的一小步，但却是整个人类的一大步。

或许，这也像是一声啼哭，代表着氢能产业呱呱坠地。阿波罗飞船登月时，携带的正是液氢液氧，氢能发电供飞船仪器使用，化学反应产生的纯净水，供宇航员饮用，这是氢能的第一波浪潮。

时间来到70年代，以阿战争和双伊战争爆发，国际原油市场产生剧烈波动，随之而来的两次能源危机，冲击着欧美经济，也推动了氢能的第二波浪潮。美国在70年代首次提出“氢经济”概念，将氢气作为可能取代石油的未来能源，燃料电池技术快速发展，并在交通、航空航天和发电等领域推广开来。

当环保意识和绿色经济成为共识，始于90年代至今的气候变化问题，推动了包含氢能在内的清洁能源的发展，这也是氢能的第三波浪潮。但这一波浪潮在页岩气技术突破，油价下行的背景下，偃旗息鼓。

随着碳交易市场的建立，以及“双碳”的游戏规则下，第四波氢能浪潮已鼓起大帆。它不仅是出于地球公民角色的践行，更是未来企业竞争力的关键。2020 年，特斯拉公司实现盈利，年净利润为7.21 亿美元，当年其电动汽车业务仍在亏损，但通过“卖碳”赚取了15.8 亿美元，也就是在国际碳交易市场，卖出了用不完的碳排放额度。

第四波氢能浪潮已至，这一次浪潮的中心，来到了中国，无论是市场规模，还是“双碳目标”下的能源转型决心，中国氢能产业道阻且长，但也必将拉起一波主升浪。

部分内容参考自：

国际氢能战略回顾分析｜海南省绿色金融研究院

氢能时代还有多远？｜央视财经《对话》栏目

氢能及燃料电池专题研究｜天风证券

为什么氢能不是人类终极能源？｜能源专家刘科

氢能源市场发展蓝图｜国际能源署

中国氢能及燃料电池产业手册｜中国氢能联盟

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编辑：Mark