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)橐悦禾俊⑹蜑榇淼幕茉?，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。化石能源作為不可再生資源，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問題。按照現(xiàn)行的700個大氣壓的加壓模式，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%這個區(qū)間。即使如此，以5C倍率放電，實驗室中的電池循環(huán)壽命也會縮短到只有600次，真實工況下會進(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，大幅降低了單個電池漏液，爆炸帶來的危險，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)計并沒有出現(xiàn)人員傷亡，但就事故本身而言，其實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，整車會迅速著火報廢。氫氣儲運(yùn)環(huán)節(jié)其實和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。現(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，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)模時氫氣一般以槽罐車運(yùn)輸，預(yù)計運(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)，因此計算其全產(chǎn)業(yè)鏈成本時還要添加電網(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小時快充的標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)10個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，其每小時的利潤水平可以作為加注站合理回報的測算基準(zhǔn)。對應(yīng)加氫站每方價差為0.51元，鋰電池每度電則為4.9元。該電價情況下，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，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。而且即使能實現(xiàn)3分鐘快充，但對應(yīng)單個充電樁的功率要高達(dá)1200千瓦，每個充電站都要配套一個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。其實新能源車的節(jié)能效果都不明顯，其核心價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)保看，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)量其實沖擊更大，這已經(jīng)從今年的鋰礦石價格暴漲得到側(cè)面證明。而且豐田中期優(yōu)化目標(biāo)為鉑單耗降低75%，并實現(xiàn)催化劑的鉑回收。上述任何一個目標(biāo)實現(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，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，那將會是一個非常美好的時代!
縱觀人類歷史，每一次能源變革都會帶來整個工業(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)時代積累起來的技術(shù)優(yōu)勢的價值將大幅縮水，這也相應(yīng)給了我國一個彎道超車的機(jī)會。如果我們能夠把握住這個歷史機(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。
