全球能源格局臨近大變革前夜
縱觀人類歷史，文明的進(jìn)步本質(zhì)上就是能量輸出強(qiáng)度的進(jìn)步。早期的農(nóng)業(yè)文明，動力以人畜、木柴等生物能為主，輸出功率非常有限，還受到土地承載能力的限制，經(jīng)濟(jì)只能在低水平不斷循環(huán);18世紀(jì)工業(yè)革命后，隨著蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的推廣，基礎(chǔ)能源變?yōu)橐悦禾?、石油為代表的化石能源，能量密度提升了上百倍，GDP也終于突破了“馬爾薩斯陷阱”的束縛，呈現(xiàn)了指數(shù)型的增長。目前全球能源結(jié)構(gòu)為原油33%，天然氣24%、煤炭30%，核電4%、水電7%和新能源2%，化石能源居于絕對主導(dǎo)地位。但展望未來，我們判斷人類能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)到了再次大變革的前夜，石油將有望在30年內(nèi)被全面替代，以燃料電池為代表的氫能源將成為新的主導(dǎo)能源!
石油時(shí)代將被全面替代
農(nóng)耕文明發(fā)展后期面臨的最大問題就是，有限的土地資源最終無法支撐人口進(jìn)一步的增長?；茉醋鳛椴豢稍偕Y源，同樣面臨著資源稀缺性的制約。按照過去20年的消費(fèi)增速線性外推，全球已探明石油儲量只能支撐30年，即使技術(shù)進(jìn)步能將石油壽命再延續(xù)幾十年，但總還是有用光的一天，相對于人類還要持續(xù)至少千年的歷史，仍然沒有意義。而且考慮到目前勘探程度已經(jīng)很充分，在發(fā)現(xiàn)低成本大油田的概率很低，潛在供給的開采成本會越來越高。這最終也會刺激替代能源商業(yè)化的大幅提速，如現(xiàn)在鋰電池車的發(fā)展就已經(jīng)如火如荼，因此經(jīng)濟(jì)意義上的石油枯竭恐怕還會來的更早。未來誰能全面替代石油，成為新一代的車用燃料就成為非常關(guān)鍵的問題。
燃料電池vs鋰電池誰將勝出
目前替代石油車的主流技術(shù)路線就是鋰電池和燃料電池。燃料電池最大優(yōu)勢就是能量密度高，是鋰電池的120倍。但鋰電池起步早，商業(yè)化程度更高，整車成本也更低，且充電可以利用現(xiàn)有的電網(wǎng)系統(tǒng)，相比燃料電池整個(gè)加氫和供氫的配套網(wǎng)絡(luò)都要從頭建設(shè)，成本也要更低。因此這兩者的競爭核心就是能量密度vs成本的競爭。成本下降是個(gè)工程問題，可以通過商業(yè)化來解決，而能量密度面對的卻是基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的瓶頸，基本上是無解。因此本質(zhì)上兩者的區(qū)別是“道與術(shù)”的區(qū)別，長期看，燃料電池?zé)o疑潛力更大，也最有望成為下一代車用基礎(chǔ)能源。
能量密度提升是主線邏輯
人類歷史上每一次成功的能源變革，都有一個(gè)清晰的主線邏輯，就是能量密度出現(xiàn)數(shù)量級上的躍升。如煤炭比木柴高160倍，石油比煤炭也要高2倍。新能源只有具備能量密度上碾壓性的優(yōu)勢，才有能力顛覆傳統(tǒng)能源憑借著長期發(fā)展建立起來的完善的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)配套，并逆轉(zhuǎn)其巨大的使用慣性。這也有些類似英爾特創(chuàng)始人格魯夫在IT領(lǐng)域提出的10倍速原理，即能夠成功顛覆的新技術(shù)一旦出現(xiàn)，基本就是星火燎原、勢不可擋。如汽油車比電動車出現(xiàn)要晚20年，早期技術(shù)也更為不成熟，但還是憑借著能量密度高的優(yōu)勢，摧枯拉朽般的替代了電動車。
近幾十年雖然各國都在大力推廣電動車，但其占比依然很低，尚不足1%，核心就在于過往的電動車都違反了能量密度提升這個(gè)能源變革的主線邏輯。哪怕是最新一代的鋰電池車，其能量密度極值也只有汽油的1/40，行業(yè)自然遲遲無法出現(xiàn)10倍速的改進(jìn)。但燃料電池的出現(xiàn)卻徹底改變了這一現(xiàn)狀。其以氫氣為原料，基礎(chǔ)能量密度是汽油的3倍，電動機(jī)的做功效率還是內(nèi)燃機(jī)的2倍，實(shí)際密度是汽油的6倍，優(yōu)勢明顯。而且從人類過去百年的能源進(jìn)化史看，其本質(zhì)上就是碳?xì)浔鹊恼{(diào)整史，氫含量越高，能量密度越高，未來從碳能源轉(zhuǎn)向氫能源是大勢所趨，因此采用氫能源的燃料電池?zé)o疑更能代表歷史發(fā)展的方向，最有望成為下一代的基礎(chǔ)能源。
機(jī)動車性能主要為續(xù)航能力、充電/充氫時(shí)間、輸出功率和安全性等。燃料電池能量密度遠(yuǎn)高于鋰電池，相應(yīng)電池容量，快充能力和續(xù)航里程就具備了天然的優(yōu)勢，即使是和鋰電池的頂級豪車Tesla相比也是大幅領(lǐng)先。但其功率密度不高，最大輸出功率取決于輔助的動力電池系統(tǒng)，相應(yīng)最高時(shí)速和百公里加速指標(biāo)和鋰電池相差不大。為了便于比較，我們下文選取目前主流的2L排氣量汽油車，對應(yīng)45度鋰電池車和輸出功率100KW燃料電池車作為分析基準(zhǔn)。
能量密度比較
鋰電池作為蓄電池的一種，是個(gè)封閉體系，電池只是能量的載體，必須提前充電才能運(yùn)行，其能量密度取決于電極材料的能量密度。由于目前負(fù)極材料的能量密度遠(yuǎn)大于正極，所以提高能量密度就要不斷升級正極材料，如從鉛酸、到鎳系、再到鋰電池。但鋰已經(jīng)是原子量最小的金屬元素，比鋰離子更好的正極材料理論上就只有純鋰電極，但能量密度其實(shí)也只有汽油的1/4，而且商業(yè)化的技術(shù)難度極大，幾十年內(nèi)都無望突破。因此鋰電池能量密度提升受制于理論瓶頸，空間非常有限，最多也就是從目前的160Wh/KG提高至300Wh/KG，即使達(dá)到也只有燃料電池的1/120，可謂輸在起跑線上。
體積能量密度比較
燃料電池的原料氫氣主要缺點(diǎn)就是體積能量密度不高，現(xiàn)在基本上是采用加壓來解決這個(gè)問題。按照現(xiàn)行的700個(gè)大氣壓的加壓模式，其體積能量密度是汽油1/3。同樣跑300公里，燃料電池儲氫罐體積為100L，重量為30KG，對應(yīng)汽油車油箱為30L，但電動機(jī)體積比內(nèi)燃機(jī)小80L，總體積相差不大。鋰電池車分為三元和磷酸鐵鋰兩種主流技術(shù)路線，代表企業(yè)為Tesla和比亞迪。三元能量密度更高，但安全性差，需要輔助的安全保護(hù)設(shè)備，跑300公里所需的兩種電池體積分別為140L和220L，重量為0.4噸和0.6噸，都遠(yuǎn)高于燃料電池。展望未來如果儲氫合金和低溫液態(tài)儲氫技術(shù)能夠突破，燃料電池體積能量密度將分別增加1.5倍和2倍，優(yōu)勢會更為明顯。
功率密度比較
燃料電池本質(zhì)上可以理解為以氫氣為原料的化學(xué)發(fā)電系統(tǒng)，因此輸出功率比較穩(wěn)定，為了最大提高放電功率必須附加動力電池系統(tǒng)，如豐田Mirai就是配套鎳氫電池。但作為一個(gè)開放的動力系統(tǒng)，其能量來自于外部輸入，附加的鎳氫電池不需要考慮儲能的問題，只要5-8度就能滿足需求，對電池壽命的要求也不高，在真實(shí)工況下的使用限制很少。鋰電池雖然理論放電效率很高，但為了不傷害電池壽命，使用限制很多。在充滿電的情況下不能大倍率放電，快速放電只適用0-80%這個(gè)區(qū)間。即使如此，以5C倍率放電，實(shí)驗(yàn)室中的電池循環(huán)壽命也會縮短到只有600次，真實(shí)工況下會進(jìn)一步降至400次，如Telsa即使最大功率可達(dá)310KW，但實(shí)際放電倍率也只有4C。而且鋰電池作為能量密度不高的封閉儲能體系，高功率放電和高續(xù)航里程基本很難兼容，除非大幅提升電池重量。即使Tesla采用了目前能量密度最好的三元電池，其電池組件重量都接近半噸。
安全性比較
除了上述指標(biāo)，安全性對于機(jī)動車來說無疑也非常關(guān)鍵。鋰電池作為封閉的能量體系，從原理上高能量密度和安全性就很難兼容，否則就等同于炸彈。因此現(xiàn)在主流工藝路線中，能量密度低的磷酸鐵鋰安全性卻較好，電池溫度達(dá)到500-600度時(shí)才開始分解，基本不需要太多的保護(hù)輔助設(shè)備。Telsa采用的三元電池能量密度雖高，但不耐高溫，250-350度就會分解，安全性差。其解決方法是并聯(lián)了超過7000節(jié)電池，大幅降低了單個(gè)電池漏液，爆炸帶來的危險(xiǎn)，即使如此也還需要結(jié)合一套復(fù)雜的電池保護(hù)設(shè)備。并且前期發(fā)生的幾次事故，雖然得益于Telsa的安全設(shè)計(jì)并沒有出現(xiàn)人員傷亡，但就事故本身而言，其實(shí)都是非常輕微的碰撞，車身也沒有收到什么傷害，但電池卻著火了，也側(cè)面反映了其安全性上天然的劣勢。
燃料電池由于原料氫氣易燃易爆，市場普遍擔(dān)心其安全性問題。但如我們下表的數(shù)據(jù)，相比汽油蒸汽和天然氣這兩種常見的車用可燃?xì)怏w，氫氣的安全性并不差，甚至還略好?，F(xiàn)在車用儲氫裝置都采用碳纖維材料，在80KM/h速度多角度碰撞測試中都可以做到毫發(fā)無損。即使車禍導(dǎo)致泄露，由于氫氣爆炸要求濃度高，在爆炸前一般就已經(jīng)開始燃燒，反而很難爆炸。而且氫氣重量輕，溢出系統(tǒng)的氫氣著火后會迅速向上升起，反而一定程度上保護(hù)了車身和乘客。而汽油為液態(tài)，鋰電池為固態(tài)，很難在大氣中上升，燃燒都在車艙底部，整車會迅速著火報(bào)廢。氫氣儲運(yùn)環(huán)節(jié)其實(shí)和LNG非常類似，只是所需壓力更大，隨著商業(yè)化推進(jìn)，其整體安全性也還是可控的。
電池車的成本主要分為整車成本、原料成本、配套成本。目前對燃料電池詬病最多就是成本太高，但用發(fā)展的眼光看，隨著技術(shù)進(jìn)步和商業(yè)化程度提高，其成本下降的空間很大。而鋰電池如果考慮到電網(wǎng)端擴(kuò)容的成本，其實(shí)綜合配套成本還高于燃料電池，具體測算如下：
整車成本比較
鋰電池、燃料電池和傳統(tǒng)汽油車，整車成本的差異主要體現(xiàn)在發(fā)動機(jī)成本，其他組件差異不大。2L汽油車發(fā)動機(jī)成本在3萬元左右，未來也很難有太大的變化。現(xiàn)有鋰電池的度電成本為1200元/kWh，未來有望降至1000元/kWh，45度電動車，電池成本為4.5萬元。燃料電池成本主要是電池組和高壓儲氫罐，現(xiàn)在100kw電池組成本為10萬元，預(yù)測年產(chǎn)50萬臺后，單位成本將降至30美元/KW，即2萬元?，F(xiàn)有儲氫罐成本為6萬元，未來有望降至3.5萬元，總成本為5.5萬元。長期看三種動力體系的成本相差不大，可見整車成本并不是核心問題。
原料成本比較
2L汽油車百公里耗油為10升，5.8元/L的汽油售價(jià)，成本為58元。鋰電池車百公里耗電量為17度，0.65元/度電成本，成本11元。燃料電池百公里消耗氫氣9方，制氫方式主要分為電解水或者化學(xué)反應(yīng)，如煤制氫、天然氣制氫等。電解水成本主要是電，平均5度電1方氫氣，成本約為3.8元/方，但可以在加氫站直接電解，省掉運(yùn)輸費(fèi)用。如果采用化石能源大規(guī)模集中生產(chǎn)，國內(nèi)成本最低的是煤制氫氣，約為1.4元/方，北美則可利用廉價(jià)的天然氣，成本在0.9元/方。如果我們以煤制氣成本作為標(biāo)準(zhǔn)，百公里原料成本12.6元，和鋰電池差別不大。
配套成本比較
加氫站、加油站、充電站成本主要分為土地成本、設(shè)備成本、建設(shè)成本，差別主要體現(xiàn)在設(shè)備成本。加油站基本在300萬元，充電站為430萬元，加氫站以日本目前的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)為1500萬元，整體上加氫站成本要高1000萬元左右。按照15年折舊，每年銷氣量1000萬方，則折舊成本為0.1元/方。小規(guī)模時(shí)氫氣一般以槽罐車運(yùn)輸，預(yù)計(jì)運(yùn)費(fèi)為0.44元/方，規(guī)模擴(kuò)大后則可采用管網(wǎng)運(yùn)輸，成本會下降至0.23元/方。
雖然鋰電池現(xiàn)階段依托于現(xiàn)成的電網(wǎng)系統(tǒng)，配套成本很低。但如果大規(guī)模推廣，現(xiàn)有電網(wǎng)的容量冗余基本都將被耗盡，未來必須要大規(guī)模擴(kuò)容。因此充電站本質(zhì)上是將配套成本外部化給了電網(wǎng)，因此計(jì)算其全產(chǎn)業(yè)鏈成本時(shí)還要添加電網(wǎng)端的成本。一般商業(yè)化運(yùn)營的充電站至少都要達(dá)到1小時(shí)快充的標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)10個(gè)充電樁組成的充電站的功率都要達(dá)到600千瓦，相當(dāng)于上百戶家庭的用電負(fù)荷，對電網(wǎng)負(fù)荷的沖擊極大。對應(yīng)電網(wǎng)需要新增投資120萬元來擴(kuò)容負(fù)荷，但每年新增售電量只有93萬度，按照0.65元/度購電成本，電網(wǎng)端15年收回投資測算，則售價(jià)要在成本基礎(chǔ)上增加0.18元/度。
銷售端成本測算
加油站的銷售網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)非常成熟，其每小時(shí)的利潤水平可以作為加注站合理回報(bào)的測算基準(zhǔn)。對應(yīng)加氫站每方價(jià)差為0.51元，鋰電池每度電則為4.9元。該電價(jià)情況下，鋰電池車基本無法推廣。目前國家規(guī)定充電站服務(wù)費(fèi)上限為0.4元/度，但其背景是給予了大量補(bǔ)貼。但沒有任何產(chǎn)業(yè)可以長期依靠補(bǔ)貼來發(fā)展，未來如果鋰電池的充電效率不顯著提升，在加注站這個(gè)環(huán)節(jié)，企業(yè)的盈利水平會大幅低于加油站和加氫站。沒有合理回報(bào)，在目前寸土寸金的大城市，投資者根本沒有任何激勵去推廣充電站，產(chǎn)業(yè)自然也無法發(fā)展。但鋰電池低能量密度過低，如果強(qiáng)行實(shí)現(xiàn)高充電效率，電池循環(huán)壽命面對的工程挑戰(zhàn)就會非常巨大。而且即使能實(shí)現(xiàn)3分鐘快充，但對應(yīng)單個(gè)充電樁的功率要高達(dá)1200千瓦，每個(gè)充電站都要配套一個(gè)110千伏變電站。其投資高達(dá)5000萬元，占地5000平米，且周圍300米還不能有居民樓，對于現(xiàn)在沿海大城市在操作層面上挑戰(zhàn)也很大。
總計(jì)成本
綜合上述所有成本，汽油車、鋰電池車、現(xiàn)階段和充分商業(yè)化后燃料電池車的百公里成本為58、83、23和20元。由于銷售價(jià)差占鋰電池成本比重很高，我們考慮到充電樁設(shè)備投資是加氫站的1/3，將其小時(shí)利潤降至1.4元，綜合成本也還有37元，燃料電池車長期成本優(yōu)勢仍然非常明顯。其實(shí)這所有的根源還在于燃料電池能量密度最高，同等商業(yè)化情況下，成本自然具備優(yōu)勢。
新能源車發(fā)展的一個(gè)重要邏輯就是節(jié)能環(huán)保，這對我國無疑更為重要。目前我國不但空氣污染嚴(yán)重，而且石油進(jìn)口依存度高達(dá)60%，其中85%還要經(jīng)過美國控制的馬六甲海峽，能源安全已成為我們國家安全的最大軟肋。因此國家給予新能源車巨額補(bǔ)貼，一個(gè)重要原因就是為了緩解對石油的進(jìn)口依存度。那么下文我們就從節(jié)能、環(huán)保和資源約束等方面對兩者進(jìn)行比較，具體如下：
節(jié)能環(huán)保比較
燃料電池原料氫氣在我國目前最經(jīng)濟(jì)的手段是煤制氫，鋰電池的原料電力，在我國也主要來自于煤炭發(fā)電。因此這兩者本質(zhì)上能量都來自于煤炭，碳排放只不過是轉(zhuǎn)移給了上游，因此是否節(jié)能，主要就是看能量轉(zhuǎn)換效率。目前鋰電池車每百公里耗電17度，對應(yīng)6.8公斤煤炭;燃料電池每百公里耗氫9方，儲運(yùn)環(huán)節(jié)損耗20%，對應(yīng)煤炭為7.3公斤;汽油車每百公里耗油10L，碳排放相當(dāng)于10公斤煤炭。其實(shí)新能源車的節(jié)能效果都不明顯，其核心價(jià)值還是在于將一次能源消耗從石油轉(zhuǎn)化為我國儲量豐富的煤炭，緩解了能源安全問題。而從環(huán)?？?，燃料電池幾乎沒有尾氣排放，鋰電池也只有少量排放，全產(chǎn)業(yè)的污染主要集中在上游。但比起處理分散的汽油車尾氣排放，上游的集中治污無疑難度要小很多。綜合而言，燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的污染最低，基本可以認(rèn)為是最佳的綠色車用能源。
資源約束比較
燃料電池的催化劑要用到貴金屬鉑，市場普遍擔(dān)心其資源約束。2015年鉑全球總需求為270噸，主要下游為汽車尾氣清潔催化劑、首飾、工業(yè)，占比為44%、34%、22%。Mirai單車鉑消耗量約為20g，比汽油車消耗要高10-15g。假設(shè)燃料電池車占全球5%的年產(chǎn)量，年均消費(fèi)增量為56噸左右，看似沖擊很大。但是同樣假設(shè)下，鋰資源的年均消費(fèi)增量為8萬噸，對應(yīng)每年4萬噸的產(chǎn)量其實(shí)沖擊更大，這已經(jīng)從今年的鋰礦石價(jià)格暴漲得到側(cè)面證明。而且豐田中期優(yōu)化目標(biāo)為鉑單耗降低75%，并實(shí)現(xiàn)催化劑的鉑回收。上述任何一個(gè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，鉑資源約束基本就得到解決。
商業(yè)化程度比較
從商業(yè)化程度上看，燃料電池和鋰電池車大體差了5年，現(xiàn)在還處于商業(yè)化的前夕，預(yù)計(jì)爆發(fā)點(diǎn)在2020年左右。目前全球技術(shù)領(lǐng)先的國家為日本和美國，尤其是日本在乘用車領(lǐng)域幾乎是一枝獨(dú)秀，2015年量產(chǎn)的Mirai基本達(dá)到了商業(yè)化的入門標(biāo)準(zhǔn)。相比之下，我國在燃料電池產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域就建樹寥寥，只有北汽福田和上汽為08年奧運(yùn)會和10年世博會生產(chǎn)過燃料電池大客車，還停留在技術(shù)示范階段。但我國的優(yōu)勢是經(jīng)濟(jì)體量大，隨著燃料電池技術(shù)的成熟，具備快速追趕的能力。
能源的未來和工業(yè)體系的重構(gòu)
目前全球能量整體還是來自于太陽核聚變產(chǎn)生的邊緣能量，總輸出功率為1.8*1013。依照卡爾達(dá)肖夫指數(shù)，還處于行星級文明的階段。未來要繼續(xù)突破，必然要實(shí)現(xiàn)可控核聚變，唯此才能達(dá)到1016的恒星級文明起步條件。屆時(shí)1公斤氫的同位素就能產(chǎn)生上億度電力，相當(dāng)于1公斤海水就抵得上300升汽油的能量，水變油也將從夢想變成現(xiàn)實(shí)，能量也將不再成為困擾人類發(fā)展的問題。電解水制氫成本將會極低，可控核聚變+氫能源將成為能源結(jié)構(gòu)的終極組合。石油則可以從燃料這個(gè)低端領(lǐng)域徹底解脫出來，各種石油基原料的成本將會降至能以想象的程度，也給人類未來工業(yè)體系的重構(gòu)帶來了無限可能，那將會是一個(gè)非常美好的時(shí)代!
縱觀人類歷史，每一次能源變革都會帶來整個(gè)工業(yè)體系的重構(gòu)，甚至是全球領(lǐng)導(dǎo)國家的易主。第一次工業(yè)革命成就了英國、第二次工業(yè)革命成就了美國。如果燃料電池車未來能全面替代石油車，則配套石油建立的整個(gè)工業(yè)體系都將被顛覆，發(fā)達(dá)國家在過去200年內(nèi)燃機(jī)時(shí)代積累起來的技術(shù)優(yōu)勢的價(jià)值將大幅縮水，這也相應(yīng)給了我國一個(gè)彎道超車的機(jī)會。如果我們能夠把握住這個(gè)歷史機(jī)遇，就完全有望成為下一代工業(yè)體系的領(lǐng)導(dǎo)國家。日本作為最早研發(fā)出鋰電池的國家，目前卻已基本放棄鋰電池車的研發(fā)，全力猛攻燃料電池，其背后的邏輯很值得我們深思。
