新能源的三大流派:换电、充电、氢燃料,到底哪一个会是未来?

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新能源的三大流派:换电、充电、氢燃料,到底哪一个会是未来?

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Helios学长,瑞士ETH博士| 德国工程师| 玩过科研/混过券商/爱过猹
氢能 vs 锂电 太极图 | 图片来源:丰田研究院,侵删

碳中和政策:锂电/氢能加速中国交通领域深度转型

中国近 90%的温室气体排放源自能源体系

国际能源署 (IEA) 在最新 2022 年 2 月的报告《中国能源体系碳中和路线图》中明确指出,中国近 90%的温室气体排放源自能源体系。二氧化碳排放的主要来源是电力行业(48%)、工业(36%)、交通(8%)和建筑(5%)。因此,能源政策必须推动碳中和转型。在 2030 年前实现二氧化碳排放达峰,有赖于三个关键领域的进展:提高能效、发展可再生能源和减少煤炭使用。

国家政策是新能源行业第一指导旗帜

回答这个问题,新能源三大流派:换电、充电、氢燃料,到底哪一个会是未来?首先最具现实指导性意义的是国家政策,其次才是技术路线和市场成长性。从10多年前的光伏,到5年前的锂电,再到目前的氢能源/燃料电池,每一个行业的龙头公司孵化,都离不开国家对于新能源方面补贴政策的不断输血和给投资者打的N针强心剂。

如果将光伏(太阳能),锂动力电池(电能),燃料电池(氢能)年装机量的数据拉出来在时间维度对比,就会清楚的意识到,他们发展的路径是如此的相似,动力锂电池在2012年之后是一骑绝尘超越光伏和风电,燃料电池在2017年的时候装机量正处于锂电风口的起飞点。这一切的驱动力来源,注意并不是来自于市场,而是政策性驱动

2009 年,中国可再生能源发电占比17.74%
财政部、科技部和国家能源局联合发布《关于实施金太阳示范工程的通知》,启动了诸多光电建筑应用示范项目、金太阳示范工程以及光伏电站特许招标,由此揭开了国内光伏发展的大幕。

2012 年,中国可再生能源发电占比20.41%
国务院印发《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020 年)》,锂电上下游企业争相联动,开启动力锂电池的黄金十年风口,2021 年宁德时代(300750)乘借东风成为创业板首家总市值突破万亿元的公司。

2022 年,中国可再生能源发电占比约27.73%
国家能源局及发改委颁布《氢能产业发展中长期规划(2021-2035 年)》,顶层设计出台之后,氢能产业如沐春风,据统计,仅 2022 年 3 月份,国家层面 7 条氢能政策出台,15 省出台 33 条氢能相关政策。

氢能: 从“化学品”到定义为“能源” vs 锂电: 从“储能器件“到成为“动力源”

2020 年中国国家能源局发布《能源法(征求意见稿)》,明确了氢能作为能源的基石地位。之前,我国将氢气归为“危险化学品”一类,导致氢气相关产业在报批建设过程存在诸多制约。以加氢站为例,要想建设一座合规的加氢站,需要办理危化品经营许可证和气瓶充装许可证,审批流程周期很长。现将氢视为能源,可按照能源项目进行管理,主管部门更明确。(来源:银湖新能源)

风电、光伏、燃料电池和动力电池年装机量 | 图片来源:国际能源网,侵删


技术路线:锂电守稳汽车/小巴堡垒,燃料电池着墨陆海空场景(重卡/巴士/火车 / 船舶/航空)

2022 年,随着电动汽车补贴的逐步减少,而地方政府氢能利好政策不断发布,引发新一轮锂电vs燃料电池的技术路线讨论,其中锂电又分充电和换电的商业模式之争。在我看来其实锂电和氢能并不是竞争关系,而是太极阴阳互补关系。锂电和氢能各自的特性都十分明显,技术从来没有好坏之分,只有用对还是用不对的应用场景之分。

氢能: 储能与转化分开 vs 锂电: 储能 + 转化一体

同为电池,储能 (Energy Storage)能量转化 (Energy Conversion) 的分别,是区分氢能和锂电的优劣势以及应用场景的重中之重。在氢燃料电池中,氢气 (H2) 本身为储能物质,而燃料电池 (Fuel Cell) 本身为能源转化器件,不含任何燃料。燃料电池还可以换不同燃料,比如直接甲醇燃料电池 (DMFC) 等。所以,同样大小的燃料电池,只需要配更大 / 更高压的氢气罐,就可以更长续航

锂电是储能物质 (Li+) 和能量转化器件 (Battery) 一体不可分割,想要更长续航,就必须增大整个电池容量 / 重量,冬季还会因低温引起容量衰减和析锂。但同时,锂电在微型 / 小型设备上的灵活优势是燃料电池无法企及的,以及锂电池直接释放电能,无需再进行能量转化,电效率和电功率调节的灵活性远超燃料电池。

陆上:

锂动力电池适用于短途,功率较小,路线灵活的驾驶场景;燃料电池适用于长途,功率较大,路线较为固定的驾驶场景。

海上:

锂动力电池适用于短距离,湖面,水库等小型船只 / 舰艇;燃料电池适用于远距离,江河湖海等大型船舶 / 舰艇。

空中:

锂动力电池适用于短程,小体量无人机;燃料电池适用于长程,中大体量无人机,航空乘用飞机。

图片来源:电池中国网,侵删

虽然锂电汽车当红炸子鸡特斯拉 (NASDAQ:TSLA) 坚持发展超充路线,但为解决锂电池的长途里程焦虑冬季里程缩水的问题,锂电汽车市场又划分出充电 or 换电的商业模式蔚来 (NYSE: NIO) 首当其冲引领换电模式,曾一度不被看好,但随着 2021 年,中石化入局换电服务,目标建成 5000 座充换电站,紧随其后,2022 年宁德时代官宣进军换电市场,将发布换电品牌 EVOGO,换电模式反而卷土重来。

国家电网公司首先在新能源乘用车领域进行换电技术研究,提出了“换电为主、插充为辅、集中充电、统一配送”的商业运营模式 ,完成相关技术储备和出租车换电试点,首次提出并验证了“车电分离,里程计费”的商业模式。(来源:爱卡汽车)

充电痛点:

“充电一小时,排队五小时”,在假期高速公路,锂电充电电动汽车的里程焦虑可谓十足。特斯拉一直以来追求提升充电速度及功率,汽车之家使用 V3 超级充电桩(250kW),测试一辆特斯拉 Model 3 车型(电池容量 75kWh)从 3%充到 90%的电量所需时间约为 37 分 26 秒表显续航增长了 428km。约 0.5-1 小时的充电时长,在节假日,冬天户外等特殊情况下,是很难以接受的。除此之外,特大城市的市区也难以接受高额充电场地租赁成本低充电桩周转率以及错峰使用率等问题,那么车主势必转向夜间在小区 / 车库充电。在 2021 年中国出现拉闸限电,以及每年夏天夜间空调使用导致电力不足的背景下,未来随着锂电充电车辆的销售量攀升,夜间小区 / 车库充电是对市区电网超负荷 / 急需升级的一个巨大挑战

换电痛点:

换电模式通过分布式充放电,提供了错峰充放电调节电网负荷的可能性,消除了用户里程焦虑,大幅缩短补电时间(蔚来换电速度约 100 秒以内),并且有机会借此发展电池回收利用产业。但是随之而来的痛点是,目前各厂商并未有一个统一的换电标准,以及换电对硬件投资要求更高(特斯拉因成本问题放弃换电模式),导致换电站建设可能存在不同厂牌非必要的重复建设。

来源:界面新闻,中时新闻网,汽车总站网,侵删

同为高效清洁能源的燃料电池,其实并非一种电池,而是一个庞大的大家族。按照电解质的不同分类,包含最常被用于交通车辆的质子交换膜燃料电池(PEMFC/PEFC),以及碱性燃料电池(AFC),固体氧化物燃料电池(SOFC),熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)等。燃料电池的能量效率通常为40-60%之间;如果废热被捕获使用,其热电联产的能量效率可高达 85%

氢燃料电池乘用车(FCV/FCEV)商业化的引领者为美国通用汽车(NYSE:GM),日本丰田汽车(NYSE:TM)和韩国现代汽车 (HYMTF) ,后两者分别于 2015 年和 2018 年左右推出过Toyota Mirai系列(最新一代续航 850KM)和Hyundai Nexo 系列(最新一代续航 866KM)。氢燃料电池商用车的领头羊当属加拿大巴拉德动力公司 (Ballard Power Systems),以及在此赛道深耕的德国戴姆勒卡车 (Daimler Truck),国内清华院士背景的上市公司亿华通(688339)等。而在航空领域,空客 (Airbus, EADSF) 于 2020 年成立子公司 Aerostack GmbH,专注研发下一代燃料电池航空飞机。

制氢端痛点:

氢 (H) 作为最轻的元素,地球引力不足以吸引氢气(H2),因此地球上游离态的氢气几乎不存在,绝大部分以化合物形式存在,比如水分子 (H2O)。氢能虽然来源广泛,除了以化石燃料制氢(灰氢)以及天然气制氢(蓝氢)外,还可利用风电、太阳能等通过电解水形式制氢(绿氢),我国风光年弃电约 1000 亿千瓦时,可制氢约 200 万吨。但利用可再生能源制取氢气目前价格高昂,据未来智库测算,2020 年我国氢能总成本约为 60-80 元 /kg,距离 30 元 /kg 的可商用价格相距甚远

加氢站痛点:

加氢气的速度(类似加油,约 5 分钟)是氢能车辆的一大优势,然而加氢站的建设复杂度及高昂成本,却是构建氢能经济社会的一大痛点。基础设施建设从来是蛋生鸡,鸡生蛋的问题,如果氢能没有得到广泛推广,加氢站无利润,进而没有动力持续建设,需要国企及政策带头铺路基础设施建设,才有机会形成良性循环。商用车领域的运行路线比较固定,所以目前加氢站的建设目标为满足基础需求,比如在公交始发站附近建设即可。国家能源局表示,截止 2022 年 4 月,我国已累计建成加氢站超过 250 座,约占全球数量的 40%,加氢站数量位居世界第一。

燃料电池痛点:

作为能量转化电化学装置,氢燃料电池目前的技术痛点在于膜电极(MEA)以及双极板(BPP)的研发。膜电极的寿命会随使用时间(约 1-2 万小时)而下降,而且所使用的铂催化剂体系对氢气的纯度要求十分之高(>99.9999%),普通工业用氢无法直接用于氢燃料电池交通车辆,需进一步提纯。而双极板的水热管理和流道设计很大程度会影响电池本身性能,目前主流技术路线为碳材(商用车)或钢材(乘用车)。国家能源局 2022 年表示,我国现阶段氢能应用以客车和重卡为主,正在运营的以氢燃料电池为动力的车辆数量超过 6000 辆,约占全球运营总量的 12%。

图片来源:国际可再生能源署,侵删

技术安全性:锂电易燃持久+灭火艰难,氢气易逃逸+条件爆燃

提起新能源车安全性,想必很多人都有看过一些惊悚的新闻报道,让大众明白新能源汽车的风险点以及安全性显得尤为重要。

电动汽车自燃的原因主要有以下几种: 一是碰撞引起的燃烧,二是电池散热不够引起燃烧,三是系统短路引起燃烧,四是电控系统出现问题,导致在充电过程中的燃烧。目前主流锂动力电池采用的工艺路线为磷酸铁锂,其安全性比较好,一般需要升温到 500-600 度才会分解。而特斯拉采用的三元锂电池能量密度高,但在 250-350 度就容易发生分解,安全性差。继 2020 年 3 月比亚迪发布针刺不起火的刀片电池(磷酸铁锂)之后,广汽埃安于 2021 年发布弹匣电池(三元锂电),首次实现三元锂电池整包针刺不起火。

新能源汽车国家大数据联盟发布的《新能源汽车国家监管平台大数据安全监管成果报告》显示,2019 年 5 月起 3 个月内共发现 79 起车辆起火安全事故,涉及 96 台车。从动力电池类型看,86%的事故车辆使用三元锂离子电池、7%的事故车辆使用磷酸铁锂电池、7%的事故车辆电池类型不确定;在已查明起火原因的车辆中,58%的车辆起火源于电池问题,19%的车辆起火源于碰撞问题。(来源:中国证券报)

图片来源:谷歌图片,侵删

氢燃料电池车辆的安全性问题主要在于氢气罐在一定条件下的爆炸燃烧,燃料电池本身作为能量转化装置不会发生剧烈燃烧。众所周知,氢气作为自然界中最轻的气体,分子直径很小,具有最大的浮力和扩散性(扩散速度为天然气 6 倍),业界谈氢色变的原因是因为其易燃易爆性质。

日本某实验室曾对比汽油车在漏油和氢燃料电池车在漏气的情况下的安全性,汽油车很快就猛烈燃烧,而氢气则是在车顶上方燃烧,泄漏的氢气将会很快上升并向各个方向快速扩散,使得浓度难以达到爆炸所需浓度,在爆炸之前已经开始快速燃烧,火焰为冲天焰,而且一分半钟以后,火焰就熄灭,与汽油车泄漏产生的持续车底燃烧的火焰区别很大。

目前燃料电池车用的储氢瓶都选用铝内胆碳纤维缠绕,并且燃料运输管道大多采用 316 不锈钢材质,可避免氢脆产生的安全风险。

图片来源:界面新闻,日本某实验室,侵删

能源安全性:上游锂矿定价权未在我国,氢气来源制取方式多样化

能源安全是国家战略的首要问题

2020 年以来,疫情和战争带来的复杂的地缘政治形势,给中国的海外锂矿资源带来极大的不确定性。中国经济网报道,2021 年下半年以来,动力电池主要原材料,锂、钴、镍均大幅涨价。最新数据显示,自 2021 年 12 月 21 日以来,镍的报价由原来的不到 15 万元 / 吨,涨到 3 月 20 日的 22 万元 / 吨,最高点一度超过 30 万元 / 吨;钴的华东市场报价从不到 49 万元 / 吨涨到 56.6 万元 / 吨;磷酸铁锂生产价由原来的不到 10 万元 / 吨一路上涨到超 15 万元 / 吨,涨幅接近 60%。动力电池涨价带来的成本压力最终传导至新能源汽车整车。2022 年 3 月份以来,近 20 家新能源车企宣布涨价,涉及车型近 40 款。多数车企整体价格涨幅都控制在了 1 万元以内,小鹏汽车全系涨价幅度在 1.01 万至 3.26 万之间。这些非正常锂电池原材料的价格剧增,成为了锂电汽车的卡脖子问题,目前看来并无很好的原材料替代品。

中国锂矿探明储量仅可生产 8 千万余辆特斯拉 Model S

我做了一点 Back-of-the-envelope 的计算,据 USGS 数据,2020 年全球已探明的锂资源量达到 8551 万吨,其中中国占比约为 6%,为 5130600 吨。截至 2021 年底,全国机动车保有量达 3.95 亿辆,据 Electrek 测算,一辆特斯拉 Model S 含锂 63KG,全中国的锂矿仅可供8 千万多辆特斯拉使用,而全世界的锂矿仅可生产 13 亿辆特斯拉。当然,我们不可能挖出全中国,甚至全世界的锂矿,全世界的锂矿也不可能仅仅用于汽车,还有电脑,手机等等需求。寻找可再生能源的替代势在必行。

数据来源:USGS,五矿证券研究所
资料来源:Wind,东兴证券研究所,侵删

氢气作为所有燃料中能量密度(33.33 kWh/kg)最高的二次能源,由一次能源(煤炭、石油、天然气、水力)转换而来,并不受上游单一原材料的来源所限制,因此氢能在保障国家能源安全里扮演重要的角色。氢气可作为灵活智慧的能源载体,通过电解水制氢技术及氢气与其他能源品种之间的转化,可提高可再生能源的消纳提供长时间储能优化区域物质流和能量流,进而建立多能互补的能源发展新模式。目前中国氢供应主要还是来自于石油化工制取氢气,未来会逐渐过渡为利用风,光,水,地热等清洁能源电解水制取为交通所需的氢气。

来源 :南方能源建设,高工氢电,侵删

市场成长性:锂电领头中小型车辆,氢能贯穿能源供需两端

2014 年到 2021 年,全球新能源汽车的销量整体呈现出不断增长趋势,全球新能源汽车由 2014 年的 100 万辆增长到了 2021 年的 240 万辆。据五矿证券研究所预计,2021 年之后到 2030 年,全球新能源汽车的销量将会呈现出极速上升趋势,2030 年全球新能源汽车销量有望超过 3680 万辆,渗透率将会达到 37%。在这当中,中国新能源车销量有望超过 1200 万辆,渗透率将会达到 12.5%。

总体而言,国内锂动力新能源汽车的渗透率一直在持续提升,欧洲方面进一步降低碳排放,德国、意大利、西班牙 等国家新能源汽车补贴政策延长,美国方面继续放量,提高单车补贴,加快推广高端车型和推进新碳排放标准落地,未来全球新能源汽车销量增长动力充足。(来源:国元国际)

资料来源:中商产业研究院整理

能源生产能源传输存储,再到能源消费端,氢能源给大家提供了一幅很美好的蓝图。光锥智能预测,2025 年之前,氢燃料电池电堆产销量处于低水平,降本依靠技术进步(材料替换,工艺改进,国产替代),2025 年之后,产销量增加成本进一步降低,规模效应显现。氢能是实现碳中和不可或缺的一环,未来将催生十万亿级别的市场,各产业链环节都将从中受益。当前氢能产业已跨过从 0 到 1 的技术阶段,正步入降本应用的良性循环。从中央到地方的扶持政策正形成一个完整的体系。

氢能 2050 年应用规模预测,资料来源:维科网
资料来源:势乘资本,光锥智能,界面财经号

总结一下,望各位批评指正:

新能源政策:

氢风吹,战鼓擂,当下的氢能源,恰似处在10年前锂电的风口之上。

锂电 vs 氢能:

未来会是太极生两仪,共存共荣的局面,锂电发力在中短途中小型车辆以及小型船只和无人机,氢能支撑中长途中大型车辆以及船舶和飞机。

充电 vs 换电:

充电需要继续提高功率和速度,但市区场地周转率和夜间电网负荷的问题存在巨大挑战;换电需要厂商之间统一换电标准,高额硬件投资会筛选巨富玩家入场。

新能源股票:

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