站在2023年的當下，制約氫能大規模應用的瓶頸是什么？

展開(kāi)之前，先分享險峰新能源團隊在近期走訪(fǎng)調研中遇到的兩個(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(xiàn)落地事宜。B市屬于北方三線(xiàn)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，但當聽(tīng)說(shuō)當地有工業(yè)副產(chǎn)氫的時(shí)候，A企業(yè)當即表示可以無(wú)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(chē)的示范項目，但卻苦于找不到平價(jià)穩定的氫源，車(chē)輛只能斷斷續續的上路，無(wú)法100%運力投入到實(shí)地運營(yíng)之中。

這兩個(gè)例子都指向了一個(gè)共同的問(wèn)題：即在2022年政策端大力推動(dòng)氫能落地的背景下，氫能上下游出現了一些“結構性沖突”。

換言之，化工領(lǐng)域的低碳轉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(jiǎn)單，傳統上，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(wàn)噸氫，但真正能分出來(lái)且純度滿(mǎn)足「供能」要求的部分非常有限?？梢哉f(shuō)在2020之前，氫在我國都還是個(gè)比較小眾的行業(yè)，也從來(lái)沒(méi)有真正被當做是一種「能源」來(lái)看待。

對比來(lái)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(wàn)億人民幣，未來(lái)我們要保證國家能源安全，實(shí)現3060的碳中和目標，這些化石能源中的大部分都是要轉型為非碳能源的。

而「氫」無(wú)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(gè)非常巨大的增量市場(chǎng)。

與電動(dòng)車(chē)、光伏行業(yè)的發(fā)展脈絡(luò )相似，氫能未來(lái)的發(fā)展一定要依靠上下游一起發(fā)力：上游擴產(chǎn)帶動(dòng)下游需求普及，下游需求增長(cháng)推動(dòng)上游成本改善。然而站在2023年當下，僅從當前供需情況來(lái)看，上游制氫環(huán)節對于整個(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(zhuān)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(kāi)頭的問(wèn)題——既然供不應求，為什么上游企業(yè)不擴大氫能的產(chǎn)量？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)兩個(gè)字：成本。

在《新能源的第二曲線(xiàn)：聊聊氫能投資的三個(gè)機會(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。

藍氫：化石能源制氫+CCUS（碳捕集與封存）。

綠氫：通過(guò)風(fēng)光等可再生能源，電解水制氫。

工業(yè)副產(chǎn)氫：來(lái)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(wèn)題是受制于上游氯堿、焦化的工業(yè)規模，過(guò)去都是“在工廠(chǎng)里產(chǎn)生，在工廠(chǎng)里消耗”，產(chǎn)量有限，也很難擴張，注定不可能成為未來(lái)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)成本要遠低于綠氫和藍氫；從價(jià)格來(lái)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(guò)去氫主要用于工業(yè)場(chǎng)景，這些行業(yè)普遍利潤不高，所以?xún)r(jià)格便宜是王道，因此灰氫一直是市場(chǎng)上的絕對主力。

以中國氫能聯(lián)盟的統計口徑，我國一年的氫產(chǎn)量中，67%都是煤制的灰氫，綠氫與藍氫加起來(lái)占比不超過(guò)3%。

在這樣的能源結構下，相當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(cháng)期來(lái)看，過(guò)去10年間，全球光伏的發(fā)電成本已經(jīng)降低了90%，未來(lái)隨著(zhù)鈣鈦礦、異質(zhì)結以及分布式光伏的廣泛應用，清潔能源的成本還會(huì )進(jìn)一步降低。

而反觀(guān)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(chē)最終替代燃油車(chē)的邏輯類(lèi)似——在氫能領(lǐng)域，可再生能源+電解水的綠氫路線(xiàn)一定是代表著(zhù)未來(lái)。

從這個(gè)角度說(shuō)，如何盡快將綠氫的生產(chǎn)成本降低到8-10元/kg，達到和灰氫一樣的水平，才是解決當前困擾的關(guān)鍵所在（因煤價(jià)波動(dòng)大，暫按600元/噸均價(jià)計算）。

這也是近期我們在和業(yè)內專(zhuān)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(lái)了。

繼續向下拆解的話(huà)，電解水制氫中70%-90%的成本來(lái)自于電力成本，隨著(zhù)電解槽設備成本的進(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(lài)于國家政策的補貼，比如碳稅可能成為一個(gè)重要的政策變量；另一方面則來(lái)自于清潔能源的發(fā)展。

2021年，我國新增風(fēng)電、光伏裝機規模合計已達1.025 億千瓦，風(fēng)光累計發(fā)電量約9785億千瓦時(shí)，同比增長(cháng)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%，達到11.7%。而按照國家能源局《2022年能源工作指導意見(jiàn)》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、隨機性和波動(dòng)性的問(wèn)題，而我們的電網(wǎng)系統一時(shí)間也還無(wú)法消納這么多的增量，導致了很多棄風(fēng)、棄光現象。

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(lái)差不多相當于整個(gè)貴陽(yáng)市一年的用電量。要知道，這些電棄掉了也就棄掉了，而如果用電解水轉化為氫來(lái)儲存，每年至少可以新增綠氫約55萬(wàn)噸。

正因為如此，我們能看到國內已有超過(guò)百個(gè)在建和規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(gè)領(lǐng)域，隆基、遠景、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(fǎng)過(guò)程中我們也發(fā)現，幾乎所有的傳統能源企業(yè)都對電解水制氫表現出了濃厚的興趣，可以說(shuō)需求是非常確定的，但大家最為關(guān)心的問(wèn)題，還是成本和技術(shù)上能否大規模實(shí)現。

路線(xiàn)之爭：雙雄爭霸，堿性為王

2020年8月，中國科協(xié)組織國內了2萬(wàn)余名科學(xué)家，從490個(gè)問(wèn)題中，票選出了當年「10個(gè)對科學(xué)發(fā)展具有導向作用的科學(xué)問(wèn)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“大規?！?、“低成本”、“高穩定性”的統一」。

由此可見(jiàn)，這三個(gè)指標同時(shí)達成的難度之大。

根據工作原理不同，目前電解水制氫可以分為4種技術(shù)路線(xiàn)：

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60年代NASA的太空任務(wù)，當時(shí)主要是用氫和氧混合后為航天器供電。而把整個(gè)反應過(guò)程逆過(guò)來(lái)，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(lái)源非常單一，全球基本只有南非可以提供，如果中國大規模使用銥做催化劑，未來(lái)還是會(huì )有“卡脖子”風(fēng)險。

此外，22年鋰價(jià)飛漲的例子也說(shuō)明，稀有金屬一旦用在量產(chǎn)設備上，價(jià)格必然快速上漲，很難同時(shí)滿(mǎn)足“大規?！迸c“低成本”的要求。

當然，也有很多科研團隊在嘗試用錳、鈷等金屬繞開(kāi)銥，或者用團簇結構減少銥的用量，但目前這些研究都還停留試驗階段，我們對此也在持續關(guān)注，相信未來(lái)一定能看到技術(shù)突破。

不過(guò)歸根到底，大規模制氫還是一個(gè)工程學(xué)問(wèn)題，而工程和科學(xué)最大的區別，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臺梅林發(fā)動(dòng)機捆在一起造出了獵鷹9火箭，工程思維追求的是"在現有條件下，如何把事情做成，且成本能盡量低”。

從這個(gè)角度來(lái)看，另一條堿性電解水（ALK）路線(xiàn)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)，當時(shí)人們發(fā)現可以通過(guò)電解食鹽水來(lái)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(chǎng)；隨后一戰二戰相繼爆發(fā)，戰爭期間無(wú)論是漂白、殺菌亦或是制造化學(xué)武器都需要用到氯氣，于是全球對于氯的需求量激增，整個(gè)氯堿工業(yè)開(kāi)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60年代，荷蘭發(fā)明了「隔膜法」，不過(guò)效率又太低，最后日本在隔膜法的基礎上，于70年代開(kāi)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(wú)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(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

因為在動(dòng)態(tài)條件下壓力不一致，很容易失衡導致電解槽內的氫氧互竄，特別是分子量小、運動(dòng)速度特別快的氫分子，容易穿透隔膜，跑到陽(yáng)極那一端。

在氯堿工業(yè)中，這還不是個(gè)大問(wèn)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(zhù)巨大的安全風(fēng)險。

比如，我們也在調研中也了解到：隨著(zhù)2022年氫能需求集中爆發(fā)，很多非專(zhuān)業(yè)團隊涌入了這個(gè)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，導致了不少“炸槽”的情況發(fā)生。

復合隔膜：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(shí)滿(mǎn)足以下要求：

保證氫氣和氧氣分子不能通過(guò)隔膜，但允許電解液離子通過(guò)；

能夠耐高濃度堿液的腐蝕；

具有較好的機械強度，能夠長(cháng)時(shí)間承受電解液和生成氣體的沖擊，隔膜結構不被破壞；

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)穩定性；

原料易得、無(wú)毒、無(wú)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(ài)克發(fā)（Agfa-Gevaert Group）一家。

這是一家來(lái)自歐洲的材料科技巨頭，至今已占據了國外堿性隔膜95%以上的市場(chǎng)份額，處于絕對的壟斷地位。但因為眾所周知的原因，愛(ài)克發(fā)生產(chǎn)的復合隔膜并不在中國境內出售，國內企業(yè)無(wú)法買(mǎi)到，只能使用相對落后的PPS來(lái)代替。

而在性能方面，PPS在今天已經(jīng)很難與復合隔膜競爭，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(kāi)始轉攻復合隔膜，國內各主要制氫龍頭也都開(kāi)始嘗試采用復合隔膜，替代趨勢已非常明朗。

不過(guò)，愛(ài)克發(fā)雖然是材料界巨頭，但其實(shí)也不太重視這塊市場(chǎng)。

畢竟，電解水制氫此前一直是個(gè)小眾的行業(yè)，愛(ài)克發(fā)整體業(yè)務(wù)龐大復雜，每年營(yíng)收的17億歐元中，復合膜只有約4億人民幣，占比不到4%，其背后也沒(méi)有強有力的政府來(lái)整合產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

而與歐美不同，中國正處在能源轉型的關(guān)鍵節點(diǎn)，對各類(lèi)清潔能源設備的需求非常巨大：比如現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(lái)隨著(zhù)風(fēng)光能源的加速落地，整個(gè)制氫行業(yè)也會(huì )持續提速。

舉個(gè)例子，根據國家《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(cháng)期規劃(2021-2035 年)》，到2025年，中國要達到10萬(wàn)噸可再生能源制氫，不過(guò)按照目前的行業(yè)發(fā)展速度，這個(gè)數字很可能2023年就能實(shí)現——在這種增速下大家依然感覺(jué)氫不夠用，需求增長(cháng)之快可見(jiàn)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標方的電解槽要用大約1200平米隔膜，以5MW=1臺1000標方=800噸/年產(chǎn)能計算，現階段國內復合隔膜的市場(chǎng)規模約在1.6億左右。

按照勢銀的預測，2030年中國電解槽裝機量可以達到100GW，以此測算，屆時(shí)國內復合隔膜市場(chǎng)規模在200億以上，相當于10年會(huì )有一個(gè)百倍的增長(cháng)。

因此我們認為，「復合隔膜的國產(chǎn)替代」是一個(gè)屬于中國科技公司的大好機會(huì )，首先它的需求是非常確定的，只要能做出來(lái)就能賣(mài)得掉，此外壁壘足夠高，可以在一個(gè)較長(cháng)的時(shí)間內享受到技術(shù)紅利帶來(lái)的高溢價(jià)。

目前在這個(gè)方向上，國內也有很多創(chuàng )業(yè)團隊在進(jìn)行探索，不過(guò)因對其綜合性能要求較高，國內能夠達到有小批量生產(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」；根據客戶(hù)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，測試結果已經(jīng)趕超愛(ài)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)鏈是一個(gè)典型的「中間模糊，兩頭確定」行業(yè)。

中游儲運環(huán)節，是用管道摻氫、有機溶劑還是現場(chǎng)制氫，業(yè)內還存在爭論，也很難說(shuō)哪種會(huì )成為主流，但下游的應用領(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(guān)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氫便宜、比灰氫稍貴，目前所有的下游應用就可以直接承接過(guò)來(lái)了，而對于國家能源戰略來(lái)說(shuō)，這也會(huì )是比較舒服的轉型方式。

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(gè)非常年輕、充滿(mǎn)機會(huì )的賽道。在此之前，因為下游沒(méi)需求，上游即使做出好產(chǎn)品也賣(mài)不掉，人才和資金也不愿意進(jìn)來(lái)，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，當時(shí)自動(dòng)駕駛非常依賴(lài)激光雷達，全世界能供貨的只有LiDAR一家，一臺雷達賣(mài)7萬(wàn)5千美金，相當于50萬(wàn)人民幣。

但是隨著(zhù)中國新能源車(chē)的興起，到2022年，國產(chǎn)激光雷達已經(jīng)可以做到單臺700美元，要知道激光雷達屬于光學(xué)機械，不是半導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(lái)大概率也會(huì )遵循類(lèi)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(chǎng)和成本優(yōu)勢，都有助于構建企業(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(lái)中國一個(gè)重要的發(fā)展趨勢，無(wú)論心理上是否接受，這都是正在發(fā)生的客觀(guān)事實(shí)。

擁抱變化是早期投資人必經(jīng)的過(guò)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。