过去八年我以研究能源为主，而铭沨则在汽车领域有超过十年的经验。从车的性能上比较燃料电池汽车比锂电有很多的优势，能量密度、补能时间、安全性、冷启动等锂电依然无法与燃料电池相比，但铭沨说：单从驾驶体验来看，锂电和燃料电池没有太大的区别，政策已然是先支持了锂电，两个产品成熟度相差十年，成本和基础建设都不同，你让消费者怎样选择？倒是需要思考氢的能源属性，氢一定是一个自上而下的产业……”
Industry Observer@01
可再生能源的共识与动力电池的分歧
进入21世纪以来，伴随着中国制造业的崛起，中国的国际经济地位发生了根本性变化。单纯从经济方面几乎很难遏制住中国的前进步伐，欧美发达国家企图从能源和环保的角度来重新建立他们的优势，以抑制处于重工业和高耗能发展阶段的中国经济。而中国为了可持续发展，表现出作为经济大国的担当，对世界作出了减碳的承诺，并适时提出了“双碳”的目标，即2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和。
与发达国家相比，中国需要度过重工业发展和基础建设时期，2020年中国在全球一次能源消费中占26.13%的比例，作为次工业革命主要能源的煤炭依然占据中国能源最重要的地位，2020年，中国煤炭消费量占全球煤炭消费总量的54.33%，中国单位GDP的能耗远远高于发达国家，2020年，中国二氧化碳排放占全球的30.66%。
另一方面，随着汽车工业的发展，我国石油消费持续上升，中国已经成为全球第二大石油消费国，石油进口依赖度达到73%；天然气进口依赖度也大幅上升至40%以上。因此，无论环境还是能源安全，中国都需要对能源结构做出调整。
图1 中国单位GDP能耗与主要发达国家比较（单位：千克油当量/美元）
近年来，我国除了对高排放和高能耗产业的调整以外，为改变高排放的能源结构，并尽力摆脱油气资源的约束，中国对可再生能源和锂电行业的大力支持，并成为全球可再生能源和电动汽车产量的国家，中国也因此成为世界第三次能源革命重要的驱动力。
在新能源中，对于光伏和风电发展方向除了需要储能来避免其天然的波动性外，对于它们的前景几乎没有太多的分歧，但在交通运输领域，锂电和氢能一直都存在较大的分歧。即使今天两个产业的发展阶段已经是截然不同，锂电已经处于爆发性发展阶段，氢能和燃料电池依然处于产业示范期，一些人认为，既然锂电已经成为趋势，就没有必要发展燃料电池汽车了；但支持燃料电池的人则认为，锂电未来只能作为氢电的补充，不能担当主要动力。
这也难怪，锂电发展到现在，不论是环保性还是可持续发展性，始终没有让人信服的逻辑；而在另一方面氢能的发展路径一直很曲折，但越来越多的人认同“绿氢+可再生能源”将成为破解世界能源安全与环境难题的出路。
Industry Observer@02
锂电以及特斯拉的成功之路
诚然，锂电发展至今无疑是成功的，特斯拉以一个成立不足15年的公司力压一众百年汽车品牌成为了全球市值的汽车企业，然而这个成功的背后，却并不是简单的一个汽车公司通过市场化营销获得成功那么简单的案例。
特斯拉的成功因素是复杂的，其中包含了马斯克的坚持和个人魅力，还有其背后的繁杂科技企业互相支持作为技术和估值的底蕴，这方面也是美国创新型企业独有的一种特色。一个出色的老板无疑是一家伟大公司的基石，马斯克是一个继乔布斯，比尔盖茨，扎克伯格之后又一个出色到的老板，也是特斯拉得以成功的基础。
抛开新能源汽车成功的“粉丝效应”，我们把目光回到锂电的本质，马斯克选择这条赛道无疑是聪明的，电动汽车发展至今已有200多年的历史，可以说基础框架已经相当完善，需要突破的更多是从电池以及车辆电脑，管理系统等方面的技术突破，而这些技术也随着工程学和计算机技术的突飞猛进在这个时代都出现了质变，虽然还远远达不到完美，但是已经足够满足当代民用市场对于日常出行的需求。
当续航达到400-500公里的电动车出现时，宣告着传统燃油车在情怀之外的现实之下只剩下了加油速度这一个优势，然而我们相信伴随着技术发展，这一技术壁垒也会逐渐被打破，因此在我们看来，更经济，更新潮，更符合偶像和网红标签的锂电车打败传统汽车也只是迟早的事情，这个“迟早”也只取决于锂电技术在各方面的突破罢了。
图2 电动汽车销售
Industry Observer@03
锂电的电能主要来自灰电，不能称为“新能源”
其实从最早特斯拉，菲斯克等电动车企标榜自身电动车为新能源时，就有很多人提出了质疑：电，真的算是新能源吗？
人类真正将电变为稳定可用的能源，可以追溯到19世纪早期尼古拉·特斯拉发展完善的交流电系统以及托马斯·爱迪生发明的直流电系统。200多年过去，人类在电能技术上不管如何突破，依然是以这两种技术作为基础，而在发电层面，虽然这么多年过去我们发展出了相对清洁的核能和光伏风电，但是由于技术的各种自身利弊，火力发电依然占据了全球的主流市场。
2020年燃煤发电占据了全球发电总量的35%，而中国的电力结构中煤炭依然占据着63%的比重，中国煤炭发电量占全球的比例高达52.2%。而燃煤发电的污染一直都为人诟病，那么，在这样的能源电力结构下电动汽车对环保帮助到底有多少呢？
图3 全球和中国电力结构比较
2019年我国二氧化碳排放量相较上年增加了4%，达到了140亿吨，是全球排放总量的27%；2020年受新冠疫情的影响，全球二氧化碳排放量在2020年下降了5.8％，不过中国因为基本控制住了新冠疫情的影响，排放量自4月份随经济复苏而反弹，全年排放量比2019年的水平增长0.8％，中国是2020年二氧化碳排放增长的主要经济体。
2020年，全球可再生能源在发电中的比重从2019年的27％上升到29％。交通运输的排放量比2019年的水平下降了14％，而这一年石油消费下降了9.4%。交通运输的排放一是因为疫情期间人们出行减少，另一方面新能源汽车达到312.48万辆，渗透率4%，也一定程度上减少了交通运输的排放量。
不过，我们发现煤炭的消费只减少了3.95%，水电和可再生能源的消费分别增长了2.65%和30.85%，表明来自交通领域的部分消费开始小部分转向发电端的消费。预计随着电动汽车渗透率的上升，更多的交通领域的能源消费将转移到电网端的消费。
这样的结果是：（1）来自电网端的负荷压力不断增加，对电网的基础建设需要更多的投入和维护；（2）交通领域的排放向电网端的排放转移，综合排放的下降取决于可再生能源比例的上升，但可再生能源并不能直接替代油气的排放。
图4 2020年主要经济体二氧化碳排放
2019年，蔚来，理想，小鹏三家“汽车新势力”逐渐成熟并进入量产阶段，而同年特斯拉上海工厂也建成并且开始向车主进行国产Model 3的交付工作，2021年，我国电动汽车渗透率达到15%，存量渗透率达到2.59%，预计2022年电动汽车渗透率达到20%，存量渗透率达到4.23%，所以，锂电在交通领域带来的排放下降是可以预期的。
只是，虽然交通领域的排放是我国二氧化碳排放的第三大来源，大约占到全部排放的11%，的排放来自电力。即使电动汽车渗透率达到50%，即使交通领域的排放全部来自汽车，对全社会排放的贡献也只有5.5%，这可能需要15-20年，这还是基于汽车运行总量不变的假设，而且交通领域的排放转移到电力领域，更何况船舶和飞机几乎无法用锂电来实现它们的运输。可以说，实际上锂电在交通领域带来的减排效果是微乎其微。
图6 2020年我国二氧化碳排放来源
要知道我国的电动车销量目前牢牢占据着全球的位置，由此可见想要达到碳中和，仅仅凭借锂电还远远不够，因为说到底，锂电和百年之前的铅酸电池一样，依然只是一种储能放电载体，并不是能量的来源。
如果不对能源结构作出变革，那么锂电就算效率再高，依然无法从真正意义上做到环保。我们都知道能量守恒定律，就算你能通过技术手段改变电压电流，但是总电量依然不会有变化，只要能源结构不发生改变，再高效的电池依然使用的是不环保的“灰电”！
一个参与改变能源结构的方案是储能，近两年来，锂电的储能实现了快速增长。无论作为车用端的动力还是储能的应用，锂电实现起来都是相对容易的解决方案，但其可持续发展受制于锂电的安全性、资源约束以及储能的时效，单凭锂电的储能无法从能源结构上实现变革。
图7 汽车销售和中国电动汽车市场份额
图8 按行业分类的煤炭消费情况
图9 煤炭消费
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新能源“新”在哪里？
近些年，因为锂电的快速发展，电动汽车被赋予了“新能源汽车”的身份，对于“新能源”。首先，应该是能源，即能够提供能量的资源。
百度上按照来源将能源分为三大类：（1）来自太阳的能量。包括直接来自太阳的能量（如太阳光热辐射能）和间接来自太阳的能量（如煤炭、石油、天然气、油页岩等可燃矿物及薪材等生物质能、水能和风能等）。（2）来自地球本身的能量。一种是地球内部蕴藏的地热能，如地下热水、地下蒸汽、干热岩体；另一种是地壳内铀、钍等核燃料所蕴藏的原子核能。（3）月球和太阳等天体对地球的引力产生的能量，如潮汐能。
我们也可以按照资源的赋予方式将能源分为三类：（1）生物质能源，主要是以生长在地球植物、动物所吸收自然能量在燃烧或提炼成油类释放能量，包括柴薪时代的木材、动物油等；（2)化石能源，主要是指沉积在地表下的煤炭、石油、天然气等能源；（3）自然能源，包括太阳能、风能、水能（含潮汐能）、地热等。
其次是说“新能源”的“新”。人类对自然能源的应用比化石能源更早，只是就像柴薪时代一样，来自自然的风和阳光能够给予地球生命的能量，仅仅能够满足农业社会的能量所需，人类工业文明则是在高密度碳基能源的支持下才得以实现的。但化石能源的困局是有限性和碳排放。“新能源”是从排放和可持续两个角度来界定的，那么，理想的新能源应该是一个什么样的形式存在呢？
1、环保性
我们都知道，化石燃料已经作为能源市场的主导存在了几百年，人类从蒸汽机时代一直到现在，化石燃料一直见证并且推动着工业和科技的发展，而化石燃料不管是直接燃烧或者是参与到能源二次开发，都牢牢占据着主导市场。
然而经过多年的发展，地球的环境无疑逐渐被人类经济发展推向了危险的边缘，化石燃料不论是直接燃烧亦或是参与到工业制造的过程中，都会排放出大量的温室效应气体以及有毒气体，其中二氧化碳、二氧化硫以及氮氧化物都对大气环境造成了严重的破坏，而排放出的可吸入颗粒物也从18世纪的欧洲一直延续到21世纪的当下，持续伤害着人类以及各类生物的生理健康，所以人类对于真正新能源的需求，其环保性需要被放在一个非常重要的位置作为评估标准。
表1 各种能源的二氧化碳排放
2、经济安全性
虽然化石燃料已经伴随人类工业发展多年，除了环境约束，还有一个巨大的问题就是每个国家的化石燃料储量不均，能源需求国与能源生产国错位，因为化石能源的资源属性太强，往往能源价格不是由成本定价，而是由掌握资源的输出方来控制产量和价格，为了争夺资源甚至不惜发动战争，这样的代价不是可以用简单的经济模型可以计算的。
近年来地缘政治加上新冠肺炎疫情对于运输业的影响，导致进出口成本不断增高，这无疑大大提高了生产成本以及生活成本，进而加剧了全球通货膨胀的速率，地缘政治甚至使得石油价格再次失控。因此提高能源的经济性和价格的稳定性，无疑对于全球的经济有序发展具有很大的意义，作为“新能源”，我想也非常必要具备这样的属性。
图10 油价与通货膨胀的关系
3、可持续发展性
化石燃料作为一种耗竭性资源，需要百万年时间才能从生物遗骸转化为可用燃料，虽然就目前来说，全球探明的原油储量足够满足人类工业发展一段时间需求，然而毕竟这种燃料依然是会有枯竭的一天，如果站在人类历史发展的角度来看，我们必须为我们的后代寻找一种更加科学的能源，保证其可持续发展，一方面可以减少开采和使用化石燃料对环境造成的破坏，另一方面也可以为人类的后代创造一个更加干净环保的未来，不论是从环保角度还是从道德角度，可持续性发展都是非常重要的。
近期，俄乌战争将布伦特原油价格再度推到了139美元/桶，让国际能源公司在俄业务变得进退两难；而LME镍的上涨更是让人心惊肉跳，囤积资源的人一夜暴富，而做空的人则一夜破产。能源的资源属性始终都无法满足人类永续发展的需要，可再生能源，无论是一次还是二次能源才可以支撑人类的持续发展。
图11 中国新增发电量
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氢能能担当未来的新能源吗？
1、氢能的环保性
对于环保，从木材（-C10H-）到煤炭（-C2H-)，再到石油（-CH2-）、天然气（-CH4-)，世界能源是一个不断脱碳加氢的过程，正因为这样，氢成为各国实现双碳目标的选择。
不过，今天全球95%的氢气来自灰氢和蓝氢，这一定不是氢能发展的路径。灰氢时代对氢的需求是作为原料，或作为实验期的动力燃料先让设备实现功能，可持续发展一定是绿氢。
目前，光伏和风电都已经实现平价上网，光伏和风电的技术成本每度电已经只有几分钱，非技术成本占据了的比例，所以，与其通过拉闸限电来实现双碳目标，不如早一点理顺机制鼓励绿电制绿氢。
目前已经商业化的电解水制氢主要分为两类，碱性电解槽制氢和PEM电解槽制氢，虽然我国碱性电解槽是成熟产业，在全球范围内技术也具有一定的优势，但长期以来，这个行业都是小规模经营，到2020年不过0.5GW，所以，基本上没有规模效应；而PEM电解槽也有几十年的发展，只是技术上还不十分成熟，不过目前主要是成本问题，这也是PEM电池技术进步的空间。
以目前的技术，无论碱水还是PEM电解槽，要实现绿电制绿氢已经没有技术上面的障碍，只是如何通过技术进步、零部件国产化和规模效应来降低成本的问题。
图12 碱性电解槽目前制氢成本
图13 PEM目前制氢成本
表2 不同技术路线电解槽指标比较
简单来说目前氢气不论是制造端还是应用端，相较于化石燃料都是更加环保的选择，而且氢气不仅仅能够通过电解水的方式获得，更是目前工业制造中一个常见的附属产品，充分将其加以利用不仅经济环保，加上氢气的可燃性更是能直接提升工业生产的基础效率，而氢在制氢反应中又能产生水，而水是一种一次能源，这也就代表着在技术允许下，氢可以做到一次能源和二次能源之间的转化。
虽然说根据能量守恒定律我们不可能让氢和水一直反复质变去达到永动效果，但是在技术飞速发展的当下，我相信在未来氢能化效率时，可以在做到真正意义上的环保的同时，让我们目前的能源结构发生质变。
2、摆脱资源约束
要讨论氢能是否具备未来能源的潜力，首先我们要来重新了解一下氢在未来将要扮演的角色，作为元素周期表的位，氢原子大量存在于我们的地球甚至宇宙之中，而氢气作为氢原子的双原子分子结构，相较于传统的化石燃料，是无法用“储量”这样的量级来进行对比的。氢，这个距离人类最近、分布最广泛、能量密度、最清洁、却最难以控制的能源正在科技发展下变得驯服。
锂电不管怎么发展，都只是一种储能和放电形式，锂自身并不能成为能量的来源，而只是能量的载体，在适合和需要的时候进行释放，这就好比是汽车的油箱一样，你并不能说油箱是燃油汽车的能源，它仅仅只是一种能源载体。而氢，则拥有在整个能源结构中扮演多重角色的能力。即使都是电池，锂电与燃料电池的驱动原理也不同：锂电是储能放电的过程，而燃料电池是发电的过程。
氢能发展至今，业内一直都认为氢能有成为优质的二次能源的潜质，这点确实不假，对比传统的化石燃料，氢能不管是能量密度亦或是其储量都具备的优势，现在的技术难点已经从早年的由氢制能变成了成本控制。
3、能量密度与效率
能量密度意味着能源的效率，如果将各种能源进行比较，有两个维度，一个维度是能量密度。能源的运输效率理论上只与比能有关系，比能越大的燃料，其运输效率越高，反之亦然。现有的常用能源中，比能较高的有氢燃料（142Mj/Kg）、天然气（55.2Mj/Kg）、柴油（48Mj/Kg）、汽油（46.4Mj/Kg）和无烟煤（30Mj/Kg），而以锂电池为代表的各种商用电池的比能一般不超过1.8Mj/Kg。
另一个维度是能量转换率。一般燃油车（ICE）的能源效率大概为30%，燃料电池转换率大约40-50%，锂电池的能源效率80%。6Mj/100Km的能量输入即需要8.33Kg/100Km（按照锂电池上限200Wh/Kg计算）的电池，以负担每新增100Kg电池对整个体系的增重。
看起来在能量密度上氢能更优，而在能量转换率上锂电更优，不过最终还是要落到成本和效率上。
假设将电动车的续航里程从500Km上升至700Km，则需要多携带120Kg的电池组为增加的电池继续提供燃料，这还不包括后续再为120Kg电池组提供能量需要新增的电池。利用泰勒展开（Taylor），最终要半吨的增重才能为200Km的锂电池车，增程提供足够的电力（体积上至少增加一个后备箱）。随着续航里程的增加，锂电池车的增重也越来越快，且很快会将新增电池组的电量吃完，达到续航的瓶颈。
而以氢能源作为动力的燃料电池车，目前主流车型的每百公里耗氢少于1Kg，2Kg氢燃料可以增加续航里程200Km。按照70mpa氢气瓶的氢气质量含量比5%计算，每增加2Kg氢气需要增加40Kg的总质量装备，而每增加40Kg的重量，每百公里需要耗费大约0.0448Kg的氢气来为增加的200Km续航，同时也需要增加40Kg高压气瓶等总质量装备，而为了这样的增重需要付出0.314Kg的氢气，但为这部分增加的续航里程带来的燃料增重付出的整体交通工具质量仅仅增加了6.3Kg。
而且氢的储能还有很大的空间，近期，由巴拉德燃料电池驱动的重型汽车能够使用由液氢作为燃料的查特HLH2汽车燃料系统。与气态氢相比，液氢可以在不影响空间和载荷的情况下将里程增加一倍，并简化了重型车载应用（如工程车辆、公共汽车、铁路和船舶）的燃料补给基础设施。
4、经济性需要规模化来实现
我们目前对于氢能的质疑，主要集中在可靠性，经济性，以及效率三点，然而要知道的是，任何一项技术，在刚刚起步的时候都不可能是完美的，现如今的多数高精尖领域的技术在早期都是以一个粗旷的形式示人，芯片的发展脱胎于晶体管，计算机的发展起源于图灵机的数学计算逻辑，这些技术在起步之时甚至不如氢能在当下的表现。
如今人类的技术早已不是当年那般粗旷，人类从木炭，到石油，再到氢能，也是能源不断精细化的一个过程，氢能在未来的发展一旦得到了突破，作为一种能量的来源，完全具备改变能源结构的能力，而当氢能成为了人类的能量来源之时，也宣告了摆脱能源限制的问题。
尽管锂电储能业务处于爆发性增长，就像锂离子电池汽车一样，只是因为实现起来比较容易，但要想用有限的锂资源来实现未来庞大的可再生能源系统那只是杯水车薪，但如果氢储能解决了能源结构的问题，也就为锂电的生产和制造端都提供了更多的绿色电源。
相信不论是对工业生产还是对技术产业的提升，都会进入一个全新的时代，而锂电，作为一种能源的载体，它应该不会消失，甚至可能会和氢能相辅相成进一步提升我们对能源使用的效率，但终归，锂电不会成为我们的“能源”。
也许欧洲的氢能产业发展路径给我们更多的启示，和亚洲国家一样，欧洲最早也是从燃料电池汽车开始的，但主要生产商的样车出来后并没有顺利实施规模化，而是将重点放到了氢气能源的投入，他们计划到2030年进口氢气1000万吨，自制绿氢500万吨，预计电解槽设备需求超过100GW，而宝马公司近期公布其燃料电池汽车将于下半年进入量产。显然，当氢的能源端基础建设趋于完善，燃料电池汽车的量产也将变得水到渠成。
参考文献：
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现代化工《电解水制氢成本分析》
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CarbonBrief《客座文章：为何中国二氧化碳排放在2019上半年增长了4%》
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PwC and Strategy&《电动车销售评论 2021年第三季度》
-
UN Environment Programme《Emission Gap Report 2019》
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中联钢《2020年美国原油和天然气探明储量分别下降19%和4%》
-
Made for Minds《中国碳排放量超过所有工业发达国家总和》
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维基百科《氢》 《火力发电厂》
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储能世界：《新能源车主体能源选择：锂电、氢能、燃油能源利用效率分析》
原创作者：郑贤玲,李铭沨
转载自《产业观察者》公众号
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