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氢能PK锂电池：2050风光储氢充能源场景研究

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2021-04-19 23:23:53

这个周末，发生了两件事情：
（1）4月17日晚上，CCTV对话节目上，中石化、隆基股份、明阳智能、国电投四家公司的主要负责人就氢能源展开对话。而此前的4月13日，中石化与隆基股份就光伏绿氢等方面达成战略合作。
（2）4月16日午间，北京某知名锂电池企业投资参股并提供核心设备的25MWh储能项目发生严重的火灾事故，并导致至少2人死亡、1人失联。
一件事情是全社会对氢能的热度快速升温，一件事情是锂电池因安全性问题而面临降温。基于此，今天我们讨论以下几个对长期而言极为重要的问题：
在2060碳中和的大背景下，光伏发电量占比是否接近甚至超过50%而成为第一大主力能源？
光伏发电场景、汽车的供能网络，究竟是集中式的，还是分布式的？
汽车及其他移动用能设施未来的第一大主力能量来源，究竟是氢能还是电能？
在风、光、储、氢、充的组合下，30年后的主力能源生产、运输及应用场景究竟是怎样的？

一、能源的九大属性
2020年来，SOLARZOOM新能源智库提出能源的九大属性（充足性、清洁性、独立性、和平性、经济性、安全性、时间可移动性、空间可移动性、能量密集性），从而站在国家、能源终端用户、投资者的立场上，评价各种能源的优劣。
我们知道，光伏发电在充足性、清洁性、独立性、和平性等属性上显著优于第二代能源（煤油气）。但在2010年以前，在其他5大属性上并不具备优势。而经过了10年的发展，2021年的光伏发电在经济性、安全性上已经与第二代能源相当，在能量密集性上永久性的劣于第二代能源，并且尚不具备时间可移动性和空间可移动性特征。
在未来的10-20年时间内，光伏发电要全面取代化石能源而成为人类的第一大主力能源，必须解决其在时间可移动性、空间可移动性、能量密集性三个问题上的缺陷。

二、光伏还是风电？集中式光伏还是分布式光伏？
在光伏还是风电这个问题上，答案是很清晰的。风电自2010年以来，技术进步及成本下降速度较为缓慢。而2021年的光伏发电，在度电成本上已经低于风电。并且，光伏发电的技术进步与降本并未结束。在电池片环节，以HJT异质结电池为核心的新一轮技术已经进入了量产阶段并处于真正爆发与革命的起点上。这将推动光伏的度电成本全面的超越风电、煤电、核电、气电。
而集中式光伏还是分布式光伏的问题，本质上是在对光伏的能量密集性较低（每平方公里130-150MW）的问题进行解答。在SOLARZOOM新能源智库看来，虽然屋顶资源是闲置的，用户侧基准电价相比发电侧的基准电价要高很多（两者的差异是输配电价），但分布式光伏的增量成本也是巨大的：（1）光伏组件背面发电的浪费，（2）规模不经济，（3）安全成本（对投资人+对电力用户及业主），（4）主体风险成本。从30年的时间窗口看，在“2060碳中和”的目标得以贯彻的前提下，在能源领域发展国内大循环（即克服我国能源严重依赖于进口的问题）的历史背景下，在城市周边200-300公里的范围内，是可以找到大量适合光伏产业发展的土地的（政策明确支持）。
鉴于SOLARZOOM智库在分布式光伏、用户侧储能上近十个项目的实践与探索，在综合量化考虑集中度光伏电站及分布式光伏的收益、成本后，我们认为：全社会光伏发电的最低成本、最主要的场景在集中式电站，而非分布式光伏（分布式光伏只是一个补充项）。
对于每一个有强烈环保意识的工商业企业而言，我们认为除了在屋顶建设光伏以外，以下支持碳中和事业的做法也是较好的：（1）与集中式光储新能源运营商签署购电协议，100%购买其全天候的新能源电力。（2）有余力的情形下，以产业投资或金融投资的形式投资集中式光储新能源电站。

三、新能源电力的时间可移动性和空间可移动性
当光伏在未来30年替代煤油气而成为第一大主力能源的过程中，有几个深刻的变化及需要去解决的问题：
（1）电力能源由二次能源变为一次能源。在第二代能源时代，煤油气是一次电源，火电是二次电源。而在第三代能源时代，光伏、风力发电是一次电源，而基于光伏、风电的氢能则为二次能源（在煤油气时代，氢能也是二次能源，但来源不同）。
（2）电力的时间可移动性问题在煤油气时代并不突出，但当间歇性、波动性、不可预测性的光伏风电成为主力能源之时，电力的时间可移动性变得重要。为了平抑电力供给，锂电池储能、氢能储能成为了解决时间可移动性问题的两个重要手段。经过SOLARZOOM新能源智库的长期研究后认为：
a）锂电池储能的经济性好、循环寿命长、功率密度高，适合成为高频次应用场景下提升风光电力时间可移动性的重要工具。
b）氢能作为储能的能量转换效率显著低于锂电池，但具备“能量转换与能量存储相分离、能量存储成本低”的优势，适合成为低频次应用场景下提升风光电力时间可移动性的重要工具。
c）锂电池、氢能在储能的高频、低频应用场景下是优势互补的。
（3）电力的空间可移动性问题在煤油气时代并不突出，但对于依赖于电网敷设的光伏、风力发电而言则是一个需要解决的问题。克服风光时间不可移动的方式包括锂电池、氢能两种相互竞争但又有略互补的方式：
a）在电网末梢配置充电桩，并在移动用能设施上配置锂电池储能。由充电桩给移动用能设施上的锂电池充电，并由其给移动用能设施进行供能。
b）在光伏、风电场加装可再生能源电解氢装置，将电能转为氢能并加以运输、存储，并通过氢能运输网络、加氢站将氢能分配至移动用能设施上，并由燃料电池将氢能转为电能后使用。
c）锂电池、氢能在克服电力的空间不可移动缺陷问题上，竞争性与互补性共存（有可能竞争性更为明显）。

四、氢能和锂电池的本质属性差异？
氢能和锂电池在功能上是类似的，具备两大功能：（1）能量的转换，（2）能量的存储。由于氢能和锂电池在能量的转换、存储上的功能近似，但又各有特点，由此导致两者之间竞争与互补。
氢能和锂电池的相同点和差异点包括：
（1）氢能和锂电池本质上都是“电能→化学能→电能”，两者都是几乎零排放的清洁能源。
（2）氢能的能量转换和能量存储是可以分割的，由不同的装置（电解装置、燃料电池系统是能量的转换装置，储氢罐是能量的存储装置）完成两大功能。而锂电池的能量转换和能量存储是不可分割的，锂电池既完成能量转换又存储能源。
（3）氢能的两步能量转换（电转化学、化学转电）是在不同装置下进行的，可以分割；锂电池的两步能量转换是在同一装置下进行的，不可以分割。
（4）氢能的能量转换效率是较低的（电能→氢能的转换效率约为80%+，而氢能→电能的转换效率为60%左右，两者合计只有50%左右），锂电池的能量转换效率效率是较高的（电能→化学能→电能的综合效率超过90%）。
（5）在汽车端，氢能装置的能量密度、功率密度远高于锂电池。
（6）氢能的能量存储从成本、占用重量、占用体积的角度而言，均优于锂电池（主要原因就是锂电池的能量存储及能量双向转换是一体的、不可分拆的，而拆分后的氢能存储成本则很低）。
（7）锂电池的安全性问题存在隐忧，三元锂电池的温升系数约为106℃/秒；氢能源汽车即使氢罐泄漏也大概率是燃烧而非爆炸。固态锂电池是解决锂电池安全性问题的重要技术方向。
以上几个方面是氢能与锂电池的本质属性差异，也将是导致在氢能与锂电池的终极PK中天平发生倾斜的重要因素。

五、氢能与锂电池的终极PK？
在储能的应用中，上文已经讲到：锂电池储能适用于高频储能，氢能储能适用于低频储能，锂电池与氢能两种技术互补。
在汽车能源的应用场景，基于锂电池的电动车与基于氢能的燃料电池汽车则在互补中更多体现竞争性。下面展开对比：
（1）氢能的优势：
a）由于氢能的能量存储和能量转换是分离的，而储氢罐的体积可调、成本低，故而可轻松解决“里程焦虑”问题。
b）由于氢能的运输、存储、分配、应用与天然气极为相似，故而传统的加油站、加气站可以迅速改造为加氢站。对于第二代能源的既得利益集团——石油企业而言，氢能的出现并不颠覆其商业模式。由于氢能的来源除了光伏、风电绿氢外还有煤制氢、天然气制氢、氯碱副产品氢等等，故而石化企业较为欢迎氢能。由此，氢能的终端网络从30年的时间窗口来看，将得到石化企业的极大支持。
c）从汽车消费者的角度看，充氢和加油在消费习惯上是高度近似的，1-3分钟内完全可以搞定。不需要像使用纯电动车那样改变消费习惯（充电时间长）。
d）燃料电池汽车的“能量存储+能量转换装置”在体积、重量上有显著超出锂电池汽车的优势。
e）氢燃料电池汽车的能量转换效率显著高于燃油车（约是其1.6倍）。
f）可以充分利用光伏与风电的弃电。
g）基于氢能的燃料电池汽车的安全性优于汽油车。
（2）氢能的劣势：
a）燃料汽车电池系统的核心部件（质子交换膜、催化剂、扩散层、双极板、空气压缩机、氢循环泵等）大多没有实现国产化。
b）当前的产业规模较小，严重依赖于补贴。
c）当前的燃料电池系统成本极高。
d）当前的氢能价格仍然不够低廉。
e）氢燃料电池汽车的能量转换效率低于电动车。
f）如果大规模发展，损害了锂电池企业的既得利益。
（3）锂电池的优势：
a）能量转换效率极高。
b）产业发展较为成熟，对补贴的依赖较低。
c）燃料成本较低（其中，夜间充电成本<集中式充电站白天充电成本<商业楼宇充电成本<油车燃料成本）。
（4）锂电池的劣势：
a）由于锂电池的能量存储和能量转换是不可分割的，且锂电池的能量密度较低，故而在“里程焦虑”问题与经济性问题、汽车重量问题之间没法做到兼顾。
b）充电较为不方便，只有购买了固定车位、行车线路附近有充电桩的，才能实现充电。不考虑经济性问题，电动车相比燃料电池汽车而言对80%以上的城市消费者而言是较为不方便的。
c）当前锂电池的充电倍率只能实现2C左右，充电时间过长。要近乎于燃油车的体验，则充电倍率要提高到10C以上（这依赖于固态电池技术的突破），且对应500KW以上的充电功率（对电网冲击较大，从而必须依赖于储能克服这一矛盾）。
d）石化利益集团的加油站如欲改造为充电站成本较高。要么受制于电网，要么需要配置极大规模的充电站侧储能装置（成本较高）。且由于电动车的燃料成本较低，故而极大降低了石化利益集团的收入。锂电池的大规模发展对石化利益集团的既得利益有巨大的负面影响。
e）楼宇侧须建设密集的充电站网络。如果在实施充电桩的同时实施储能，则面临一定的安全性隐患（4月16日北京起火的25MWh储能项目就是一个很好的明证），除非电池技术突破；如果在实施充电桩的同时不配套储能，则一方面会导致极高负荷冲击及基本电费的抬升，另一方面楼宇物业在电费上的加价问题也较为严重从而导致商业楼宇充电成本并不特别低廉。
f）锂电池“过重”，导致在重载货车上没法使用。而基于重量的问题，在飞机、火箭上，完全无法使用锂电池，只能使用氢能燃料电池。
g）锂电池对于电力的消费无法使用到弃电，对社会资源而言是一种浪费。
h）三元锂电池的安全性极差，一旦出现温度失控，由于温升系数极高，车上人员风险较大。
基于上述几方面，从互补性的角度看，对重量及时间敏感的应用场景更适合燃料电池汽车，而对价格敏感对重量及时间不敏感的应用场景更适合电动汽车。但SOLARZOOM提出一个直击每一个电动车从业人员及投资者灵魂的问题：如果氢能源汽车大规模国产化了、具备经济性了，氢能源汽车会不会全面替代电动车？
在这里，我不想给出答案，留着给大家思考，一切皆有可能。锂电池造就了万亿级的公司，带动了整个产业的发展，也给投资者带来了极高的回报，但固态电池（可以同时克服安全性问题、里程焦虑问题、充电速度问题）什么时候出来并达到经济性？解决锂电池的充电网络问题的过程中怎么处理好与石化既得利益集团间的利益关系，如何解决用户侧储充网络的安全问题（注：用户侧储能的工程管理较为粗放，其安全性远低于电动车的生产）？
但至少有一点是确认的：如果像固态电池这样能极大改变锂电池物理属性的技术在未来30年的时间内都没得到突破，就当前的锂电池技术而言，是存在被氢能燃料电池技术“弯道超车”的可能性的。

六、氢能的长期来源及充足性问题
氢能这一产业在目前我国具有2500万吨/年的规模。但其中，96%的氢气来源是所谓的“灰氢”（煤制氢、天然气等）和“蓝氢”，而只有4%是来自于“绿氢”。
从长期的氢能来源上看，SOLARZOOM新能源智库认为：伴随着风光发电成为主力电源，未来主要的氢气来源将是光伏和风电的弃电，特别是光伏。对于光伏和风电而言，只要国家要求的可再生能源发电量占比超出40%甚至是70%，即使是按照1W：5Wh的比例配置储能，也必然会导致限电率上升至15-20%。上述弃电是由于作为主力电源的风光资源的波动性与负荷的波动性在时间上的不匹配所导致的，无法避免。但这恰恰为氢能提供的低廉而清洁的能量来源。
以2050年为例，如果国内风光装机量达到10000GW，平均发电小时数为1500小时，年度发电量将达到15万亿度。如按照15-20%的弃电率计算，将有2.25-3万亿度电的弃电。如按照制备1kg氢气消耗50kWh电能（对应4.5kWh/Nm3，能量转换效率接近80%）计算，可制备4500-6000万吨/年的氢能。由此可见，从30年的时间窗口来看，氢能的来源结构将发生重大变化，光伏风电弃电将替代煤制氢、天然气制氢、副产氢而成为氢气的第一大来源，并且是最清洁的来源。
对于一辆功率在100kW左右的汽车而言，在氢能、汽油之间，氢能的每100公里消耗量是1kg，汽油的每100公里消耗是7L（考虑密度为0.725g/cm3，对应于5kg）。4500-6000万吨/年的氢能对应于2.25-3亿吨左右的汽油供给。而2020年我国汽油+柴油的表观消费量合计为2.6亿吨左右。因此，以10000GW的光伏风电的弃电（假设是15-20%）用于制氢并供给氢能源燃料电池汽车，则基本可以替代高排放的汽油和柴油。
综上所述，有光伏风电的大规模发展，氢能的长期来源并不是问题；而当光伏风电成为第一大主力能源时，其弃电部分用于制氢，其总量也恰好能保障氢能源汽车的燃料供给（氢能用于汽车供能，其在充足性上是完全满足的）。
当然，对于氢能的发展而言，还存在两个问题：光伏的土地问题、水源问题（氢能是通过电解水而获得的）。
SOALRZOOM认为，在每一个城市负荷周边200-300公里的范围内选择贫瘠但地质结构满足要求的土地实施集中式光伏，是大规模发展光伏的一个基本场景。而4500-6000万吨H2对应的耗水量为4.05-5.4亿吨，约占我国年供水量（6000亿立方米）的1/1000不到。在中东部省份（负荷中心），即使是城市周边200-300公里，水资源也并非是一个特别难解决的问题。

七、氢能的成本问题
对于未来氢能的第一大来源（可再生能源电解制氢）而言，如考虑以下边际条件，综合的制氢成本将控制在10元/kg左右：
（1）光伏、风电的弃电部分的电价为0.15元/kWh（之所以取0.15元/kWh，是因为其水平大致等于煤电的度电边际成本）。
（2）每kg氢能制备消耗50kg电能（转换效率约80%）。
而若考虑氢能被大规模应用于50%以上保有量的汽车（替代燃油车），则氢能的运输（远郊用气氢管道，城市内用气氢拖车）、加氢站成本均不会太高，再考虑运输和加氢站的合理利润，而不考虑国家的“燃油税”，最终氢能的价格有望实现20元/kg的极低水平。（注：氢能价格在40元/kg左右时和7元/L的汽油在燃料成本上基本相当，故而氢能价格如能降低至20元/kg，则相比汽油的燃料成本降低50%）

八、燃料电池系统的降本问题
对于氢能源的发展而言，当前最大的问题便是燃料电池系统尚未国产化且成本过高问题。
2019年国内氢能源燃料电池汽车的燃料电池系统成本为8000元/kW，而《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》则指出2050年的目标成本为300元/kW，100KW车辆的系统成本将降低至3万元以内。
如果氢能燃料成本若能保持在汽油燃料成本的50%左右（20元/100km PK 40元/100km），则按照15000公里年行驶里程计算的年燃料成本节约约为3000元，10年的燃料成本节约则可达3万元。
届时，氢能源实现经济性。
当然，燃料电池系统当前极高的价格与未来目标之间的距离或许并没有30年那么久，但主要要解决以下4个问题：
（1）规模问题，1000辆车和50万辆车所对应的成本差距至少在6-8倍左右。当前国家在氢能源上所给出的补贴政策，将很好的解决这一问题，“补贴→超额利润→放量→规模降本→超额利润过高→补贴退坡→利润下滑→技术进步→超额利润→进一步放量……”。类似的经历可对照光伏、锂电池。
（2）国产化问题，当前无论是质子交换膜、催化剂、扩散层、双极板、空气压缩机、氢循环泵，均未实现充分的国产化。这是未来要克服的核心问题（当前氢能及燃料电池产业的时点类似于2004年的光伏产业）。
（3）各环节的深度技术进步。
（4）充分竞争压低产业利润。
SOLARZOOM新能源智库认为：氢能源燃料电池的技术是成熟的，当前主要的问题是尚未国产化。过去6-7年以来国内在新能源汽车方面主要将精力放在了锂电池及电动车这一路线上。而在当前国家给出较高的补贴背景下，资本充分关注氢能源，若再加上光伏产业的全力支持和石油巨头的发力，拉长时间而言，国产化问题将不构成任何障碍（注：极限情形下，国内氢能源产业链公司在高额补贴、资本市场融资的双重支持下可收购海外技术源头企业，这就把所有的问题全部解决了）。
氢能当前所面临的问题，相比锂电池所面临的问题（固态电池的研发、产业化及降本+充电商业模式的构建），事实上要容易的多。

九、氢能对光储新能源的贡献及光伏对氢能的贡献
氢能对光储新能源有以下贡献：
（1）通过在光伏电站边建设绿氢电解装置，帮助光伏解决弃电的就地消纳问题。当光伏、风电发电量占比接近70%时，高限电率是完全无法避免的。氢能的介入可显著提高这部分发电的收益，避免资源的浪费。
（2）以氢能作为储能的形式，在光伏发电的低频率调度（数天以上一次循环的）中实现降本。从而确保光储新能源的度电售价在2022-2050年间始终低于火电的度电售价约20%。
光伏对氢能有以下贡献：
（1）提供一种几乎完全不产生碳排放、成本有极高竞争力、体量极大的氢能供给。
（2）光伏与石油产业强强联合并对弱小的燃料电池产业进行赋能，帮助其快速发展壮大。

十、关于2050年“风光储氢充”能源生产、运输、应用场景的畅想
SOLARZOOM新能源智库对于碳中和背景下的风光储氢充基本能源场景的畅想如下：
（1）全国14亿人口，人均用电量1.3万度电/年（相当于现在美国的情形），合计全社会用电量为18.2万亿度。
（2）光伏、风电为主力电源，10000GW装机量（光伏、风电的比例为7:3），年发电量15万亿度。限电率15-20%，实发电量12-12.75万亿度，占全国电力需求的比例为65-70%左右。
（3）光伏发电主要以负荷中心周边200-300公里以内的集中式电站为主。
（4）风光发电的弃电部分2.25-3万亿度用于氢能生产，可产生绿氢4500-6000万吨/年。
（5）风光弃电电解制氢广泛用于燃料电池乘用车、商用车及其他移动用能设施（工程机械、农业机械、轮船、飞机等），作为解决光伏、风力发电空间可移动性问题的重点突破方向。
（6）在固态电池技术突破的前提下，锂电池在乘用车中有一定的份额，应用于对燃料成本价格敏感度较高而对载重量不太敏感的情形（比如，运营车辆、无人驾驶共享车辆），同样提升光伏、风力发电的空间可移动性。
（7）在固态电池技术突破且经济性问题解决的前提下，城市中心楼宇侧形成密集的储充网络。
（8）居民生活领域（如取暖）的主要化石能源消耗全部由电能（来源是非化石能源）所提供。
（9）10000GW光伏风电至少配置50000GWh的储能。其中40%左右部分为每日2个循环左右的高频储能，由磷酸铁锂电池提供；其余60%左右部分（300亿kWh）为多日、多月、多年的低频储能，由氢能装置（电解+氢罐+燃料电池）提供（对应125万吨氢能）。
（10）为了满足百年一遇的风光资源波动，可以作为国家能源储备，再配置1500000GWh（15000亿kWh）的战备能源，可满足全国上下30天的电力供应。这部分能源可以氢能的形式存储，对应于6250万吨氢能。
（11）发电侧储能、楼宇侧储能、无人驾驶汽车的调度系统、氢能共同实现对风光资源高峰的需求支撑及电价支撑，并平抑等效负荷（负荷扣减可再生能源发电功率）高峰时的高电价。由此，光伏风电的时间可移动性特征满足。
基于上述场景，在能源消费的主要领域，以风光储氢充为核心的第三代能源全面替代以煤油气为核心的第二代能源。

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