中國儲能網(wǎng)訊：為何要寫燃料電池?電池自發(fā)明以來已經(jīng)得到了大規(guī)模的廣泛應用，在現(xiàn)代消費電子領(lǐng)域鋰電池已經(jīng)占據(jù)了主導的地位。在現(xiàn)在這個時點上，工業(yè)技術(shù)的進步和電池技術(shù)本身所處的發(fā)展階段都有 可能給整個經(jīng)濟帶來一場革命性的變化。對此我們梳理了一下電池的發(fā)展簡史，在這個過程中我們會一步步的看到電池發(fā)展過程中的一些技術(shù)變化和當時的產(chǎn)業(yè)環(huán)境對技術(shù)路線選擇所起到的重要作 用。
在本篇報告中，我們通過技術(shù)發(fā)展史的比較和數(shù)據(jù)量化比較，試圖 闡述幾個非常明確的觀點：
1)燃料電池并非對鋰電池的替代，而是未來能源系統(tǒng)中處于核心地位的裝備。
2)燃料電池的發(fā)展有其本身的技術(shù)成熟的因素，但更為重要的是外圍產(chǎn)業(yè)環(huán)境的變化——控制技術(shù)的大幅提升導致了對電源更高、更新的需求。
3)下一輪能源的革命并非發(fā)生在生產(chǎn)側(cè)，而是發(fā)生在消費側(cè)，以環(huán)境保護的名義發(fā) 展新能源的政策路線大概率是錯誤的。
4)由于技術(shù)指標的突破（源自于其電化學反應過程），未來人類能源系統(tǒng)的全電化將會帶來裝備產(chǎn)業(yè)的革命，能源效率相比于內(nèi)燃機時代將會得到一個質(zhì)的提升。
目前主要的產(chǎn)業(yè)鏈上可以關(guān)注的方向是：
1）鉑金屬價格有望大幅上升；
2）質(zhì)子交換膜的產(chǎn)量嚴重不夠；
3）高端碳纖維材料的產(chǎn)能嚴 重不足，碳纖維逐漸從裝飾性材料轉(zhuǎn)向功能性材料；
4）高壓、低溫閥門壁壘較高；5）空壓機等配套設備的需求大幅上升；
6）驅(qū)動電機和控制模塊有望銷量暴增；
7）加氫站建設有望迎來熱潮——經(jīng)濟可行性有望實現(xiàn)；
8）整車領(lǐng)域的繁榮。
燃料電池設計概念的公司居多，同濟科技，長城電工，南都電源等， 但是我們最看好的公司是：1）雪人股份（空氣循環(huán)系統(tǒng)，參股 OPCON）；2）大洋電機（參股巴拉德，F(xiàn)CV 整車動力總成，在武 漢投資巨大）；3）貴研鉑業(yè)（A 股最為純正的鉑業(yè)務公司，主題概 念突出）；4）東岳集團（HK，交換膜國內(nèi)龍頭，估值低）。上述四 家公司可以代表了目前 FCV 領(lǐng)域主要的零部件和系統(tǒng)集成公司，目 前整車領(lǐng)域主要的標的我們認為應以福田汽車、東風汽車、宇通客 車這類的商用車企業(yè)為主，乘用車還需在一定程度上等待足夠大的 套利空間——這是由規(guī)模和成本決定的。
風險提示 ：1）燃料電池下游需求不達預期；2）補貼政策不達預期；3）技術(shù)性的突破不達預期；4）未預期到的安全性問題；5）市場系統(tǒng)性風險。
1、 前言：為何要寫燃料電池
電池自發(fā)明以來已經(jīng)得到了大規(guī)模的廣泛應用，在現(xiàn)代消費電子領(lǐng)域鋰電池已經(jīng) 占據(jù)了主導的地位。在現(xiàn)在這個時點上，工業(yè)技術(shù)的進步和電池技術(shù)本身所處的 發(fā)展階段都有可能給整個經(jīng)濟帶來一場革命性的變化。對此我們梳理了一下電池的發(fā)展簡史，在這個過程中我們會一步步的看到電池發(fā)展過程中的一些技術(shù)變化和當時的產(chǎn)業(yè)環(huán)境對技術(shù)路線選擇所起到的重要作用。
在這個變化的過程中，我們可能第一次面臨一個革命性的拐點，這種拐點來自內(nèi)生性的技術(shù)驅(qū)動——而非目前普遍認為的環(huán)保等其他外生性因素，在現(xiàn)在的工 業(yè)體系和能源體系中，可能會帶來非常大的影響。
在本篇報告中，我們通過技術(shù)發(fā)展史的比較和數(shù)據(jù)量化比較，試圖闡述幾個非常明確的觀點：
1)燃料電池并非對鋰電池的替代，而是未來能源系統(tǒng)中處于核心地位的裝備。
2)燃料電池的發(fā)展有其本身的技術(shù)成熟的因素，但更為重要的是外圍產(chǎn)業(yè)環(huán)境的變化——控制技術(shù)的大幅提升導致了對電源更高、更新的需求。
3)下一輪能源的革命并非發(fā)生在生產(chǎn)側(cè)，而是發(fā)生在消費側(cè)，以環(huán)境保護的名義發(fā)展新能源的政策路線大概率是錯誤的。
4)由于技術(shù)指標的突破（源自于其電化學反應過程），未來人類能源系統(tǒng)的全電化將會帶來裝備產(chǎn)業(yè)的革命，能源效率相比于內(nèi)燃機時代將會得到一個質(zhì)的提升。
一個邏輯上的演進和技術(shù)參數(shù)的量化比較是必須的，我們在此做一個詳細的產(chǎn)業(yè)分析，分享電池這個行業(yè)給我們帶來的機會。
2、 與市場的不同認識：從能源系統(tǒng)的變遷說起
我們認為：未來的能源革命會發(fā)生在能源的消費端，進而改變能源的生產(chǎn)端。
技術(shù)內(nèi)生性的需求大概率會導致離網(wǎng)動力設備的全電化，能源終端消費結(jié)構(gòu)中電 力的占比有望超過 50%，一次能源的生產(chǎn)端會向能量密度較高的核電變遷，新能源（風光）的演進技術(shù)路線大概率在經(jīng)濟上不具有可行性。低碳、環(huán)保問題不 再是能源系統(tǒng)的核心問題——歷史上也從來不是，至少數(shù)據(jù)是這么顯示的。
技術(shù)的進步可能突破目前石油和電力體系的市場結(jié)構(gòu)，基于燃料電池的分布式 能源系統(tǒng)會快速膨脹，生產(chǎn)端的地域優(yōu)勢會越來越不明顯?；谛碌碾姵叵到y(tǒng) 和控制技術(shù)，交通工具和能源基礎(chǔ)設施的建設會迎來新的革命。
2.1、 從能源結(jié)構(gòu)的變遷說起——生產(chǎn)與消費
全球最為權(quán)威的能源消費數(shù)據(jù)是 BP 公司的《世界能源統(tǒng)計評論》，我們根據(jù)最 新的數(shù)據(jù)，更新了過去 13 年的中國一次能源結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，從表格中我們可以看到的數(shù)據(jù)顯示：
1）煤炭和石油的消費總量仍然占據(jù)了 80%以上的市場份額，但是過去 13 年期 份額下降了 9.1%；
2）高碳的煤炭和石油下降的比重被新能源替代了，中國的天然氣消費和新能源消費占比的持續(xù)提升帶來了能源產(chǎn)業(yè)的繁榮；
3）一次能源的統(tǒng)計口徑還是生產(chǎn)口徑，在整體的油當量統(tǒng)計標準下是這個比例，細分統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以參考我國統(tǒng)計局數(shù)據(jù)。
以統(tǒng)計局公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)口徑：
1）2015 年中國的石油消耗量為 5.43 億噸，其中汽油消費 1.05 億噸，柴油消費1.73 億噸，煤油消費 2400 萬噸左右，合計三者為 3 億噸左右，剩余的石油消耗主要是用作化工產(chǎn)品生產(chǎn)。
2）2015 年中國煤炭消耗 39.65 億噸，其中發(fā)電用煤 18.4 億噸，煉鋼消耗 6.3億噸，建材消耗 5.3 億噸，化工消耗 2.5 億噸。四大行業(yè)消耗的煤炭占煤炭消費 總量的 82%，其中電煤一項消耗占比超過 45%。
其中：1）汽油和柴油的主要消費主體是汽車和各種工程機械，以及船用柴油；
2）煤炭的主要消費中 45%的比例用于發(fā)電，為其他部門提供能源。在中國近3/4 的電力用于工業(yè)用電，剩下的服務業(yè)用電和居民用電大約各占 1/8。
能源生產(chǎn)端結(jié)構(gòu)的決定性因素主要是一國資源稟賦和國際經(jīng)濟實力的體現(xiàn)。在主要經(jīng)濟體中，我國是煤炭利用占比最高的國家。而能源終端消費模式的結(jié)構(gòu)則更能體現(xiàn)一國經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和發(fā)展水平的體現(xiàn)。下圖是根據(jù)國際能源署和國家統(tǒng)計局制作的一張能源消費結(jié)構(gòu)圖，這張圖里隱含的經(jīng)濟含義可能更為深刻。
從上表中可以看到：
1）中國仍有超過 40%的能源是來自于煤炭的直接燃燒和利用，包括工業(yè)，鋼鐵，水泥和居民取暖等，其中最主要的還是工業(yè)鍋爐直接燃燒掉是主要的用途。電力 和石油的消費占比近 50%，未來的能源變化主要還是會在此處產(chǎn)生變革——電力替代石油。
2）美國的能源消費結(jié)構(gòu)里面，電力的消費占比和中國差不多，但是美國幾乎沒有煤炭的直接消費，主要是石油和天然氣的消費，在美國石油和天然氣的主要用途是汽車、取暖等居民消費用途。
3）絕大多數(shù)國家，或者從全球平均水平來看，終端能源消費的主要結(jié)構(gòu)是由電力、石油和天然氣構(gòu)成的，全球平均水平來看，這三種終端能源消費形式占據(jù)了 73.9%的主要份額。
4）剔除天然氣之外，全球近 60%的能源是以電力和石油形式消費掉的，油電的替代在技術(shù)不成熟的情況下是很難進行的，能量密度是一個不可跨越的障礙，而隨著技術(shù)進步和控制技術(shù)的發(fā)展，電對油的替代變成了內(nèi)生性的需求——而非外生性的環(huán)保需求。
2.2、 新能源的偽命題——因環(huán)保之名
新能源的社會發(fā)展思潮主要是低碳和空氣污染兩條輿論宣傳主線。但是就數(shù)據(jù) 來看，這兩條在邏輯上都是站不住腳的。
新能源相對于傳統(tǒng)能源來說，主要的特征在于能量轉(zhuǎn)換和使用過程中是否有碳 元素的參與。就美國這種成熟國家來看，電的消耗只占能源消費總量的 1/5 左右。 并不是不用電，而是能源利用的方式應該是使用目的相匹配，在家里可以用電加 熱，但是在工廠里一般的熱源采用化石燃料供熱的可能性就更高。在目前的發(fā)達 經(jīng)濟體中，美國的能源新能源新消費模式最為具有代表性，發(fā)達國家中的美國， 日本，韓國，法國，德國，英國，意大利，西班牙等，電力消費的占比上限基本 維持在 20-25%左右。無法突破這個比例上限的主要原因是技術(shù)原因，否則像法 國這種核電占比非常高的國家里，大家都應該用電力，而非用化石能源。
而一般來說，電力是一種二次能源，是其他形式一次能源轉(zhuǎn)化而來，真正清潔 低碳的社會當中，需要考慮的問題是一次能源生產(chǎn)方式的稟賦問題。全球主要 經(jīng)濟體的能源消費主體仍然是非電力能源，這背后的原因是經(jīng)濟和技術(shù)水平?jīng)Q定 的。
從狹義的新能源（風、光、生物質(zhì)）來看，都是需要轉(zhuǎn)化成電力才能被消費掉。 在這種情況下，即便是不考慮經(jīng)濟性，就算是狹義的新能源占發(fā)電量的比例達到 了 20%，則最終對一個國家最終能源消費結(jié)構(gòu)的影響大概也就是不超過 5%左右。 這種投入的成本如果再綜合經(jīng)濟意義上的測算，最終可能是完全得不償失的。并 且新能源產(chǎn)業(yè)的高成本轉(zhuǎn)嫁給了消費者部門，造成了社會福利的下降。
從傳統(tǒng)的含碳能源（煤炭，石油和天然氣）來看，產(chǎn)生單位熱量的二氧化碳排放 強度約為 1：0.65：0.44，從這個角度上來看，只需要將煤炭的占比下降 10%，天然氣的消費占比提升到 15%左右，基本可以完成同等數(shù)量的碳排放減排，更不用說減排效果更好的核電和水電了。從新能源入手，不如改變化石能源消費結(jié) 構(gòu)來的簡單、經(jīng)濟。
從技術(shù)上來說能源生產(chǎn)方式的選擇有很強的主觀性，但是在主要的經(jīng)濟體中多數(shù) 國家的電力消費占比維持在 15-25%之間，世界平均水平為 17.7%。這背后的主要原因不是電力不足，而是技術(shù)和經(jīng)濟的問題。舉個最簡單的例子，即便是在城市的電力供應能確保的情況下，廚房主要的能耗仍然是天然氣，雖然電磁爐、微波爐這些東西的普及度很高，但是中餐廚房的天然氣仍然是主要的能源消費模式。從經(jīng)濟性的角度考慮，北方的取暖設施主要還是燃煤和燃氣鍋爐，而不可能是更為方便“清潔”的電力。這些終端應用的技術(shù)和文化習慣決定了，電力在現(xiàn)代社會的能源體系中滲透力度并不是很高。
因而我們在生產(chǎn)側(cè)的大規(guī)模努力可能并不能改變我們?nèi)匀皇且粋€“高碳”社會的 現(xiàn)實，即便是以核電占比最大的法國來看，電力系統(tǒng) 75%的電力來自于核電， 但是并沒有顯著提升法國能源消費中的電力占比，其只比中國高了 1.1%，幾乎 可以忽略不計。法國的碳排放量低于中國的主要原因是法國的石油和天然氣消費 占比遠遠超過中國，而煤炭消費占比遠遠低于中國。這個是由兩國的資源稟賦和 經(jīng)濟結(jié)構(gòu)有關(guān)。發(fā)達國家的能源消費中汽車能耗占比比較顯著，在這種情況下， 煤炭和電力是無法滿足車、船和飛機對能源的需求的。
我們在一波大的新能源浪潮中，即便是歐洲和美國再努力，最后的投入產(chǎn)出比可 能并不會很理想。最核心的約束因素在于電力的占比在總能耗中很難突破 25%。即便是未來低成本的儲能技術(shù)完全經(jīng)濟應用以后，也很難降低社會的碳排放總量——至少從生產(chǎn)側(cè)來看是這個樣子的。即便是中國，目前的電力結(jié)構(gòu)中非化石能 源電力的占比已經(jīng)近 1/3，未來核電的發(fā)展和水電的發(fā)展，可能進一步將這個比 例提升到超過 50%。在這種情況下，大力發(fā)展風光之類的能源，來實現(xiàn)低碳能 源的替代，最終的替代率可能極限不會超過 10%。
從環(huán)境保護的的角度來看，中國的總能耗中電能占比 1/5，而且未來真正高污染 的火電占比可能下降到 50%不到，在這種情況下，風、光對火電的替代基本是 對總量污染物排放的影響不會超過 10%，未來污染物要實現(xiàn)大幅度的下降僅僅 依賴發(fā)展新能源是不太可能的，而且從邊際成本的角度來說，可能是投入產(chǎn)出比 最差的一種技術(shù)選擇。
環(huán)境保護的說法歷來是推動新能源的一個重要因素，但是從邏輯上來說，這個 是完全錯誤的。在霧霾嚴重的北京，中科院和北京環(huán)保局都曾發(fā)布過自己的研究 成果。其主要的結(jié)論是：區(qū)域傳輸貢獻約占 28%~36%，本地污染源排放貢獻占64%~72%；而在本地污染貢獻中，機動車、燃煤、工業(yè)生產(chǎn)、揚塵為四大主要 來源，分別占 31.1%、22.4%、18.1%、14.3%，餐飲等其他排放約占 14.1%。另外，直接一次污染物的占比一般在 30%左右，有 70%的污染源是來自于二次 污染顆粒，氣態(tài)的物質(zhì)通過復雜的化學反應生成（主要是酸性物質(zhì)）PM2.5 顆粒。
在區(qū)域輸送的問題上，PM2.5 可以被上升氣流帶到高空，的確可以擴散上千公 里，但是對多數(shù)污染物來說，主要還是近距離 300KM 以內(nèi)的污染物輸送。環(huán)保 部環(huán)境規(guī)劃院發(fā)布 2015 年度全國 PM2.5 跨省輸送矩陣的數(shù)據(jù)顯示：2015 年， 北京 PM2.5 來源中，本地污染排放貢獻 66%，而跨境傳輸?shù)谋壤挥?1/3 左右， 其中，河北輸送占 18%，天津、山東輸送分別占 4%。
圖 1：2015 年度全國 PM2.5 跨省輸送矩陣
從上表中可以看出，除了海南之外，主要省份的污染物還是區(qū)內(nèi)污染物，基本占 比都是超過 50%的。數(shù)據(jù)最小值是海南，經(jīng)濟不發(fā)達，但是靠近中國經(jīng)濟最發(fā) 達的廣東省，主要污染物基本是廣東，湖南、湖北輸送過去的，另外的兩個比較 特殊的數(shù)據(jù)是西藏和新疆，新疆地處偏遠，主要的空氣污染物基本是本地污染物， 西藏的污染物來源本地占了 95%。在東部地區(qū)，地區(qū)間的輸送影響相對大一些。
我們在總表的基礎(chǔ)上單獨列出來四個直轄市的數(shù)據(jù)，繪制成如下餅圖：
圖 2：2015 年度主要直轄市 PM2.5 跨省輸送矩陣
資料來源：環(huán)保部環(huán)境規(guī)劃院、中國環(huán)境規(guī)劃聯(lián)盟、國海證券研究所
從上表可以看到，在外部輸送污染物的占比當中，臨近省份是影響最大的，一般這個距離在 2-500 公里的范圍上。
以北京為例，空氣中 18%的 PM2.5 來自于河北，這可以基本確定是鋼鐵產(chǎn)業(yè)的 污染，而北京本地是幾乎沒有燃煤電廠的，在這種情況下，空氣污染嚴重的北京 和新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展毫無關(guān)系。即便是北京用的都是內(nèi)蒙古和甘肅的風電，空氣 質(zhì)量不會有半點改善的跡象。
電動車是新能源大產(chǎn)業(yè)下的一個細分子行業(yè)，其造成的大氣污染占比并沒有想 象中的高。北京本地污染源中排放貢獻占 64%~72%；而在本地污染貢獻中，機 動車、燃煤、工業(yè)生產(chǎn)、揚塵為四大主要來源，分別占 31.1%、22.4%、18.1%、 14.3%，機動車的占比為 31.1%，也就是說機動車在總污染物的排放中占比大約 為 20%左右，是一個非常重要的污染源頭。但是其中的一次排放只占大約 30%，
二次污染物占比在 70%左右（主要是二氧化硫和氮氧化物）。如果嚴格控制汽油中的含硫量，降低酸性氣體的排放，是可以將機動車對空氣污染的影響下降到一 個很低的水平。以北京為例，北京地區(qū) 2005 年的機動車才開始實施國三標準，在這種存量替換的過程中，汽車標準和油品標準的提升并不會帶來立竿見影的效 果，需要一個 5-10 年的更換周期才會有顯著的變化，電動汽車的存量替代也是 這個邏輯。而未來實施的京 6 標準，其污染物排放比現(xiàn)在的國四和國五標準會大 幅下降，最終汽車的污染物排放變成了空氣污染的次要因素。大規(guī)模的替換新能 源車新能源車能在一定程度上緩解北京的空氣污染壓力，但是效果上來說不會很 明顯。
新能源和能源的清潔利用是兩個完全不用的概念，提高環(huán)保標準，增加環(huán)境治理 投入，要遠遠優(yōu)于發(fā)展新能源，以及電動汽車。經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào) 整，污染治理手段的提高、能源利用效率的提升才是最根本的辦法，能源的清潔 利用是有效解決環(huán)境污染的主要手段和方法。能源結(jié)構(gòu)的消費現(xiàn)狀決定了在目前 的情況下，以環(huán)保的名義發(fā)展新能源和電動汽車是不解決根本問題的。
國內(nèi)的新能源政策導向正在發(fā)生一個極大的偏差，有限的財政經(jīng)費在補貼一個低 效率的生產(chǎn)部門。從整體和宏觀的角度制定激勵政策才是提高政府治理效率，促進新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心和關(guān)鍵所在。國內(nèi)的企業(yè)利益對政策制定的主導權(quán)過重。
2.3、 能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的動力是內(nèi)生性的
能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整將是內(nèi)生性的，包括生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和消費的結(jié)構(gòu)調(diào)整。
從表 2 的數(shù)據(jù)中我們可以非常清楚的看到，能源消費的結(jié)構(gòu)中一般只有 20%左右是電力消耗，這個結(jié)構(gòu)中國和發(fā)達國家并沒有任何顯著的需求。發(fā)達國家的經(jīng)
濟結(jié)構(gòu)和我們有非常大的不同，在電力的消費結(jié)構(gòu)中也有非常大的不同，但是最終在終端能源消費模式上的占比來看，這個數(shù)據(jù)并沒有多大的變化。這個背后的 原因可能是兩個方面的：1）經(jīng)濟上的原因；2）技術(shù)上的原因。
從中國目前發(fā)展的重工業(yè)來看，不論是鋼鐵，還是水泥都是中國煤炭消耗的大戶， 其中的部分工藝是無法替代的。在鐵礦石的冶煉環(huán)節(jié)，焦炭的作用是不可替代的。 在水泥的燒結(jié)環(huán)節(jié)雖然天然氣可以一定程度上替代煤炭，但是由于經(jīng)濟性和資源 稟賦的問題，天然氣在水泥行業(yè)里很難得以大規(guī)模的推廣和應用。相反在西方社 會，汽車和交通工具的能耗占比較高，而這一部分是無法用電的。
能源的消費形式在很大程度上是由能源的技術(shù)形態(tài)決定的，其次是經(jīng)濟性決定。 這兩個因素的存在是客觀的，很難以人的意志為轉(zhuǎn)移。
電的消費比例不會因為人為的刺激而導致占比大幅提升，同樣，中國的重工業(yè)結(jié) 構(gòu)決定了中國對煤炭的依賴是不可能因為推行新能源而得到根本性的改善?；?環(huán)保、能源安全等各種理由推廣新能源或試圖改變能源結(jié)構(gòu)的做法，最終會被證 明在技術(shù)和經(jīng)濟上是不可行的。
西方國家的石油和天然氣消耗主要用于居民消費（直接或間接），因而對煤炭的 需求并沒有多大，煤炭產(chǎn)量再多，但是在汽車上是無法替代石油的，相反乙醇汽 油在美國和巴西等地的普及率高于中國。
能源的終端消費結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，主要取決于經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和技術(shù)水平限制，在目前的情 況下，能源結(jié)構(gòu)想實現(xiàn)較大的變化是十分困難的，中國未來幾年可以確定的是石 油的消費會大幅上升，主要的增量在汽油和煤油上（汽車和飛機的進一步普及），民用端的天然氣消費量還會維持一個相對較高的增長。電力的結(jié)構(gòu)大概率不會出 現(xiàn)較大的變化，除非技術(shù)上能出現(xiàn)突破。
而一旦在技術(shù)上突破油電的相互替代，那有望在消費和生產(chǎn)結(jié)構(gòu)上給能源體系的 調(diào)整帶來一場革命性的變化。
2.4、 電驅(qū)動的核心在控制
我們在本節(jié)專注討論一下電的未來發(fā)展趨勢。未來的社會，電池可能成為整個 能源系統(tǒng)的核心——包括現(xiàn)有的離子型電池，燃料電池，以及未來可能開發(fā)出 來的性能指標更好的電池。
電自從被發(fā)明出來之后，在很短的時間內(nèi)成為了人類的主要能源模式。和電同一 時期發(fā)明的一項重要技術(shù)是內(nèi)燃機技術(shù)?？梢哉f是電動機和內(nèi)燃機提供了過去
100 年經(jīng)濟發(fā)展所需要的動力。作為目前人類社會最為主要的動力裝置，一個是將電能轉(zhuǎn)化成機械能，一個是將燃油的化學能轉(zhuǎn)化成機械能。
在具體的應用場景上，電的主要用途還是用于固定和半固定設備上，以工廠環(huán)境 下的使用為主，我們可以稱之為在網(wǎng)動力裝置。在當下社會，制造業(yè)工廠中的多 數(shù)動力裝置已經(jīng)選擇了電力作為主要能源，電傳輸迅速，清潔，安靜，易控，通過電網(wǎng)傳輸?shù)目煽啃院蛡鬏敼β识伎梢詽M足現(xiàn)代大工業(yè)發(fā)展的需求。而在離網(wǎng)設 備中，內(nèi)燃機仍然是主要的動力裝備。
內(nèi)燃機的主要用途在汽車、飛機、輪船、工程機械等需要大范圍移動的裝置上， 為這些設備提供動力。中國目前有超過 60%的石油消耗是為交通工具提供能源。 在過去 100 年的發(fā)展過程中，二者一直沒有什么重大沖突。但是未來 5 年可能 是電能侵入內(nèi)燃機行業(yè)的關(guān)鍵性 5 年，一旦技術(shù)上成熟起來，有望帶來新一輪的 能源革命。發(fā)達國家未來的終端能源消費模式中電（氫）的消費有望突破 50%的占比，使得人類社會對化石能源的依賴大幅減輕，進而進入真正意義上的低碳 社會。同時由于氫的來源方式十分廣泛，一次能源的大幅調(diào)整也必將發(fā)生變化， 石油的戰(zhàn)略定位也將受到極大的影響。
電和內(nèi)燃機作為動力系統(tǒng)的區(qū)別主要來自兩個方面：1）能量密度；2）控制。
在內(nèi)燃機發(fā)展的初期，電池的技術(shù)發(fā)展也處在初期，在選擇離網(wǎng)動力設備的時候， 在早期的汽車是以鉛酸電池為主的。在 19 世紀下半期開始的半個世紀里，由于 石油工業(yè)的落后（那個時候主要是用石油生產(chǎn)煤油進行照明），以及內(nèi)燃機性能 的不穩(wěn)定，鉛酸電池在很長的時間里成為了重要的離網(wǎng)設備的動力裝置。技術(shù)性 能上在當時已經(jīng)可以實現(xiàn)續(xù)航 40 英里的水平，在商業(yè)模式上，早就出現(xiàn)了更換 電池模組的方式（Hartford Electric Light）。但是在內(nèi)燃機成熟和石油工業(yè)發(fā)展起來以后，汽車的動力裝置迅速由鉛酸電池轉(zhuǎn)向了內(nèi)燃機，一個非常關(guān)鍵的原因在于續(xù)航里程——特別是在汽車發(fā)展早期。
續(xù)航里程的關(guān)鍵其實是動力裝置的能量密度。就我們從系統(tǒng)（而非材料）能量 密度的角度來看，人類過去 100 年中發(fā)明的經(jīng)濟適用的離網(wǎng)動力裝置只有內(nèi)燃 機?，F(xiàn)在內(nèi)燃機形態(tài)多種多樣，最常見的是汽車用活塞式內(nèi)燃機，也有船用燃氣 輪機、柴油機，也有飛機用的渦輪\渦扇發(fā)動機。
我們在此給出一個簡單的能量密度的估計數(shù)據(jù)。這種估計不是基于簡單的材料 的化學能估計，而是基于系統(tǒng)重量進行的估計。
一個常用的汽車鋁制發(fā)動機的重量在 120kg 左右，供油系統(tǒng)和控制系統(tǒng)一般估 計在 30-50 公斤左右。60 升的燃油重量一般在 40 公斤左右。這樣一個能做動力 輸出的內(nèi)燃機系統(tǒng)內(nèi)含燃料的情況下重量可以控制在 200 公斤以內(nèi)。汽油的熱 值是 43070kJ/kg，按上述數(shù)據(jù)這算，內(nèi)燃機系統(tǒng)的能量密度大約在 8614kJ/kg的水平。
鋰電池以現(xiàn)在的技術(shù)水平多數(shù)維持在 150-200Wh/kg 的水平（三元材料），較高 的松下已經(jīng)基本能做到 220Wh/kg 左右，在這種情況下這算下來的能量密度大約 在 500-700kJ/kg 的水平。這只是鋰電池單體，在實際應用中需要考慮 pack 的概念，填充，散熱、控制等系統(tǒng)的重量考慮進來以后，能量密度很難做到 500kJ/kg。
在這種情況下，我們看到的系統(tǒng)能量密度水平，鋰電池大約是內(nèi)燃機水平的 6%左右。如果考慮到內(nèi)燃機效率和電動機能量轉(zhuǎn)化效率的差距，大約其中效率的差 距是 3 倍，從做功效果（行駛里程）的角度來看，如果按照一箱油標準 700-800KM計算的話，特斯拉的能量系統(tǒng)重量差不多要是內(nèi)燃機系統(tǒng)的 5 倍左右。目前特斯 拉的行駛里程大約在 600KM 左右，電池能量系統(tǒng)的重量差不多要在 600kg 左右。 從整車重量的角度來看，一般家用 B 級轎車重量在 1600kg 左右，而特斯拉的車 重在 2100kg 左右，基本數(shù)據(jù)是吻合的。
而鉛酸電池基本就不可能了，目前的鉛酸電池的能量密度大約只有鋰電池能量密 度的 30-40%左右，從續(xù)航里程的角度來說，不太適合在電動車上使用。在不考慮續(xù)航里程的室內(nèi)電動車輛上，有一定的市場空間。
圖 3：不同動力系統(tǒng)在考慮效率情況下的功效比較
資料來源：電車之家官網(wǎng)、國海證券研究所
上圖是我們根據(jù)主流產(chǎn)品的性能指標計算出的不同動力系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化過程中的效率和損耗情況，其中藍色部分是真實的有效做功情況。從數(shù)據(jù)上來看，這個差距還是非常大的。在汽車上鋰電池對內(nèi)燃機的替代，還有一定的技術(shù)可行性，但是在長航時飛行器上，鋰電池能量密度的缺陷就會非常明顯，是技術(shù)上是否可行的問題。在長航時的無人機上，多采用固定翼的飛機，就是出于這方面的考慮，多旋翼飛行器無法解決航時的問題。
在過去的 100 多年，關(guān)于動力裝置的發(fā)展和發(fā)明，基本延續(xù)了電機和內(nèi)燃機完 全并行的兩條發(fā)展路徑，其中也有技術(shù)融合（80-90 年代的發(fā)動機電噴技術(shù)使得 電子控制技術(shù)引入內(nèi)燃機，大幅提升了燃燒控制水平，改善了燃油效率）。最新 的產(chǎn)業(yè)技術(shù)讓我們看到了二者合流的希望：未來電機全面替代內(nèi)燃機在離網(wǎng)動 力設備上的主導地位，離網(wǎng)動力設備的全電化是未來的大趨勢。
這個判斷基于三方面技術(shù)的成熟：人工智能，傳感器技術(shù)，燃料電池/鋰電池。 最近這 5 年科技前沿最重要的技術(shù)變革就是來自于傳感器技術(shù)，人工智能的發(fā)展 初步進入了一個新的階段，燃料電池初步的量產(chǎn)和成本下降。如果這三項技術(shù)任 何一項都沒有成熟，那全電動的汽車想成為大眾普極品是較為困難的。能源系統(tǒng) 的調(diào)整如果沒有這三項技術(shù)的支持，也很難得到內(nèi)生性的推動力量。
因而我們對全電動汽車的看法和行業(yè)邏輯有非常大的不同：電動車的發(fā)展與趨 勢的決定因素是控制的精細化和智能化——這些都需要電力供應，而非環(huán)保等行 業(yè)主流的觀點，控制精細化的極致就是 5 級汽車自動駕駛技術(shù)的實現(xiàn)，在只需要 知道目的地的情況下，系統(tǒng)可以直接完成全部駕駛功能而不需要人的干預，并且 在安全性能上顯著超越人的駕駛水平。
因而總結(jié)一下我們上述第一部分我們闡述的核心觀點：
在歷史發(fā)展路徑上來看，19 世紀動力裝置最重要的發(fā)明是電動機和內(nèi)燃機兩項 提供動力裝置的設施。過去 100 年二者發(fā)展相對獨立，對控制系統(tǒng)要求沒有那 么高，因而決定系統(tǒng)應用場景的主要決定性因素是能量密度。就廣泛商用的角度 來看，內(nèi)燃機幾乎是唯一的離網(wǎng)動力設備，主要是源自于化石燃料的高能量密度， 和鋰電池相比，即便是效率上有一些差距，但是能量密度仍然在最終做功效果上 有顯著的優(yōu)勢。因而內(nèi)燃機和電動機在離網(wǎng)動力裝置和在網(wǎng)動力裝置上的市場份 額是完全不同的。電能在這方面最大的劣勢是電的儲存成本過高，能量密度過低。
即便是發(fā)展到目前的鋰電池階段，在能量密度上相比于內(nèi)燃機仍然有非常大的劣 勢，但是已經(jīng)基本可用了，這是在補貼情況下鋰電池電動汽車發(fā)展起來的一個大 技術(shù)背景。如果是鉛酸電池的能量密度，一個續(xù)航能達到 7-800 公里的車自重可能超過 3 噸，這是技術(shù)上不可接受的。
汽車電動化的核心驅(qū)動因素是控制技術(shù)的發(fā)展，背后是傳感器技術(shù)和人工智能算法在這兩年的發(fā)展，設備的控制、運算和智能化要求能源的供給必須是電力，這個通過機械設備是無法實現(xiàn)真正意義上的自動駕駛的。因而全電化的汽車動力系統(tǒng)是未來發(fā)展的重點，這個行業(yè)趨勢的決定性因素不是環(huán)保。也就意味著特斯拉一開始的技術(shù)驅(qū)動就是控制和自動駕駛，這個在第一代特斯拉車型中就是非常突出的特征了，但是在現(xiàn)有技術(shù)線實現(xiàn)全電驅(qū)動能用的最成熟的技術(shù)是鋰電池，但是這并不代表未來還是鋰電池。對特斯拉這個公司而言，方向選對并不代表一 定會成功，還是需要解決的關(guān)鍵是：供應鏈+成本，以及給用戶提供的新功能——自動駕駛。
至于控制系統(tǒng)的核心：傳感器感知和人工智能算法，我們后續(xù)的報告會詳細介 紹其發(fā)展歷程和現(xiàn)在的技術(shù)水平，相比較而言我們持有一個非常樂觀的判斷。
從控制的角度來說：未來能源變革的核心不是能源的生產(chǎn)方式，而是在消費模 式上實現(xiàn)終端能源消費模式的全電化，未來電力消費的占比在能源總能耗上可 能超過 50%。
