發(fā)展氫儲能 為何需要中國政府主導(dǎo)？

前段時(shí)間，筆者對于美國取消中國光伏行業(yè)關(guān)稅(201調(diào)查)背后的“來龍去脈”進(jìn)行了梳理，在文章的最后，提到由于“531新政”和光伏技術(shù)價(jià)格跟著成本一起降低，獲利有限，一些公司已經(jīng)把目光投向了儲能產(chǎn)業(yè)。恰巧的是，上星期受邀參觀了一家大型電力設(shè)備制造公司的氫燃料電池制造，了解了氫儲能相關(guān)情況，并對目前的儲能技術(shù)發(fā)展近況進(jìn)行了交流。

這里所說的儲能主要是針對電儲能，將電能儲存起來的技術(shù)。按照儲存介質(zhì)進(jìn)行分類，可以分為機(jī)械類(抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能)、電氣類(超級電容儲能、超導(dǎo)儲能)、電化學(xué)類(各種二次充電電池)、熱儲能(儲熱、儲冷)、化學(xué)類(合成天然氣和氫氣儲能)。前面所說氫燃料電池就是氫儲能的關(guān)鍵一環(huán)。

為什么要進(jìn)行電儲能?因?yàn)榘l(fā)電廠所供應(yīng)的電力是持續(xù)不斷的，以水利發(fā)電為例，一旦發(fā)電開始，就會穩(wěn)定輸出電流，但是居民用電量在不同的時(shí)間段，用電的需求不同，白天是用電高峰，夜晚進(jìn)入用電低谷。那么夜晚多余的電力怎么處理?發(fā)電廠不可能頻繁地開啟關(guān)閉發(fā)電機(jī)組。所以為了避免夜晚電站的電力的浪費(fèi)，就需要將低谷時(shí)期的電能儲存起來，在用電高峰是再將儲存的電力輸出，緩解用電高峰。

當(dāng)然，這是針對大規(guī)模電力剩余進(jìn)行儲能，在一些發(fā)達(dá)國家，企業(yè)或居民建立自發(fā)自用的電力設(shè)備，通常利用小型的儲能設(shè)備儲存電力，供企業(yè)或家庭使用。而前者的大型儲能與后者的小型儲能所需要的技術(shù)是不同的。

大規(guī)模電力儲存，使用最多的技術(shù)是抽水蓄能，國內(nèi)對這項(xiàng)技術(shù)的使用已經(jīng)非常成熟，中國抽水蓄能裝機(jī)容量已是世界第一。而對于小規(guī)模電力儲存，使用最多的是化學(xué)電池儲能，我們最常見的電動(dòng)公交車就是利用化學(xué)電池儲能，使用便捷，無尾氣排放。

不過相比于前兩者，氫儲能因其獨(dú)特優(yōu)勢，也成為儲能界的“新寵兒”，歐、美、日等發(fā)達(dá)國家早在很多年前就對氫儲能技術(shù)進(jìn)行研究。中國氫儲能雖然發(fā)展晚，但在近期政策的引導(dǎo)下，也成開始成為了熱門投資方向和研究領(lǐng)域。

抽水蓄能與化學(xué)電池儲能 成熟的儲能技術(shù)

在大規(guī)模儲能方面，我們國家目前應(yīng)用最廣泛的是抽水蓄能。大型的電力企業(yè)，如：國家電網(wǎng)、三峽集團(tuán)等，已經(jīng)在地理?xiàng)l件合適的地區(qū)(上下游能夠形成水位落差)建立有大型抽水蓄能電站。今年2月，國家電網(wǎng)有限公司開工建設(shè)河北撫寧、吉林蛟河、浙江衢江、山東濰坊、新疆哈密抽水蓄能電站。此前，三峽集團(tuán)也投資建設(shè)了浙江天荒坪與內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能電站。

眾所周知，抽水蓄能在調(diào)頻、調(diào)相、事故備用和削峰填谷方面有著無可替代的優(yōu)點(diǎn)。在居民用電低谷時(shí)將水抽取到地勢高的地方儲存起來，在用電高峰時(shí)進(jìn)行發(fā)電。人們一般對“抽水蓄能電站如何運(yùn)行”的問題存在疑惑，實(shí)際上，電站的抽水泵不是單獨(dú)存在的，它和發(fā)電機(jī)(水輪機(jī))是一體的，即水流正向沖擊葉片，機(jī)組發(fā)電。葉片逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行抽水蓄能。而且，據(jù)專家透露，東方 電氣公司已經(jīng)為中國電網(wǎng)和三峽集團(tuán)集團(tuán)提供了這種蓄水發(fā)電一體的水輪機(jī)，這種抽水發(fā)電技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)較為成熟。

但是抽水蓄能也有缺點(diǎn)，它受到地理限制，在平原地區(qū)，地勢平坦，無法抽水蓄能形成高水位差，難以將水的勢能轉(zhuǎn)化為電能。對于環(huán)境也存在影響，蓄水后，周邊生態(tài)肯定會受到影響，可能形成小氣候。而且，上游地下巖石是否可以承受巨大的水重力也需要評估。

與大型的抽水蓄能不同，化學(xué)電池是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存起來，它具有分布式儲能特點(diǎn)，直接面向用戶，按照用戶需求就地供應(yīng)能量，滿足中、小型電能需求(如：電動(dòng)汽車用電需求)。

不過，化學(xué)電池能量密度低，大約是汽油的二十分之一，所以電動(dòng)汽車只能在有限的范圍內(nèi)行使。電池的突破難以實(shí)現(xiàn)，這是由于基本的物理學(xué)原理限制，因此，今天的鋰電池和電動(dòng)汽車活動(dòng)范圍還無法有效改善。有一些理論上的電池化學(xué)物質(zhì)，如鋰-硫和鋰-氧，有朝一日可能接近汽油，但目前還沒有制造商將它們用在汽車上。

電化學(xué)儲能在環(huán)境污染，經(jīng)濟(jì)性和儲量大小上的劣勢明顯，一定時(shí)期內(nèi)無法取代抽水蓄能。不過，在多種非抽蓄儲能技術(shù)中，電化學(xué)儲能被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的技術(shù)之一。與抽水蓄能相比，電化學(xué)儲能具有建設(shè)周期較短、選址要求低和建設(shè)規(guī)模靈活等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣泛。近幾年我國電化學(xué)儲能市場發(fā)展迅速，但是由于經(jīng)濟(jì)性和續(xù)航性的制約，電化學(xué)儲能仍無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣

氫儲能備受關(guān)注 原因何在

氫未來可以作為像石油、天然氣一樣的化石原料進(jìn)行運(yùn)輸，而且無污染，能量密度高。作為動(dòng)力而言，氫氣的能量密度約為今天電池的三倍，延長汽車的運(yùn)行里程沒有障礙，加氫速度快，比起電池充電節(jié)省時(shí)間。

未來氫能應(yīng)用的關(guān)鍵是燃料電池技術(shù)，它是一種把燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置。氫燃料在裝置內(nèi)的催化劑作用下，與氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。這種燃料電池發(fā)電率高，反應(yīng)產(chǎn)物為無污染的水，反應(yīng)溫度低，噪聲小。

氫燃料電池與鋰電池各有優(yōu)缺點(diǎn)，細(xì)分下來，在充電/補(bǔ)充燃料時(shí)間、污染程度、續(xù)航里程、充電站成本、電池成本上，兩位各有強(qiáng)項(xiàng)。

比如氫燃料電池只需要幾分鐘就可以補(bǔ)充燃料，但鋰電池即使使用快速充電方法一般也得一個(gè)多小時(shí)。

氫燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域包括：發(fā)電系統(tǒng)、交通動(dòng)力和特種電源。以特種電源為例，軍隊(duì)使用的柴油發(fā)電機(jī)，會被敵方衛(wèi)星掃描檢測到軍隊(duì)的分布，而使用氫燃料電池可以有效避免這種情況。

燃料電池對中國有許多優(yōu)勢，可以幫助中國減少對進(jìn)口能源和原材料的依賴，像鋰電池需要許多貴金屬，如鈷、鋰和鎳，但大多數(shù)燃料電池僅需要鉑，作為催化劑，其水平為每千瓦約0.5至0.6克。

雖然大多數(shù)氫氣是由化石燃料(甲烷)產(chǎn)生的，并用于煉油和化學(xué)工業(yè)。但中國有另一解決方案，通過電解水產(chǎn)生氫氣，因?yàn)檫^去對可再生資源(風(fēng)能和光伏發(fā)電)的投資，產(chǎn)生了大量剩余的電力，可以可利用這些電能制氫，避免了電力的浪費(fèi)，同時(shí)也解決了間歇性風(fēng)能和太陽能不能很好的融入電網(wǎng)的難題。

據(jù)估計(jì)，中國每年約有150千兆瓦的可再生能源發(fā)電量，它無法整合到電網(wǎng)中。國際氫燃料電池協(xié)會副秘書長表示，這些電能可用于為1800萬輛乘用車提供動(dòng)力，中國不需要擔(dān)心氫氣供應(yīng)。

國內(nèi)的氫燃料電池技術(shù)瓶頸

氫燃料電池最核心的就是膜電極與催化劑，需要在膜電極上噴涂催化劑(含有鉑金屬)，然后將膜電極與雙極板壓制在一起，形成膜燃料電池堆。在這方面，東方 電氣集團(tuán)走在前列，其膜電極產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用于交通動(dòng)力，備用電源、發(fā)電等領(lǐng)域。

(氫燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu))

但該集團(tuán)相關(guān)負(fù)責(zé)人也表示，國內(nèi)公司可以制造膜電極制造設(shè)備，但是設(shè)備的效果不太理想，所以公司進(jìn)行膜電極制造設(shè)備采購時(shí)，選用的是美國的設(shè)備。膜電極上噴涂的催化劑目前主要由美國或日本進(jìn)口，國內(nèi)對于催化劑這種新材料的研究與國外還有差距。

氫燃料電池制造的上游設(shè)備和原材料目前還需要依賴國外，這與十年前的中國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況有點(diǎn)類似，制造電池板的設(shè)備和多晶硅原材料需要依賴進(jìn)口。

氫燃料電池里面催化劑含有鉑金屬，這種金屬含量不高，但是對于氫燃料電池非常關(guān)鍵。鉑金屬的高價(jià)值，也是氫燃料電池高成本的主要原因。所以需要技術(shù)突破，在降低鉑金屬含量的同時(shí)，提高燃料電池的效率。同樣，如果氫燃料電池如果可以批量大規(guī)模生產(chǎn)，也可以將舊電池中的鉑金屬進(jìn)行回收再利用，降低成本。

(鉑金屬目前仍然是氫燃料電池最有效的催化劑)

電堆是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所，將雙極板與膜電極交替疊合，構(gòu)成燃料電池的電堆。國外車企大多自行開發(fā)電堆，并不對外開放。由于空間限制，所以家用小轎車氫燃料電池的雙極板采用的是金屬板技術(shù)方案，不過金屬板容易被腐蝕。歐美正在運(yùn)營的燃料電池公交車大多數(shù)采用石墨板技術(shù)方案，石墨板不易腐蝕，使用壽命長。國內(nèi)東方 電氣公司生產(chǎn)的氫燃料電池也是采用石墨板技術(shù)方案，其與成都客車廠聯(lián)合開發(fā)的10輛示范客車?yán)塾?jì)運(yùn)行里程超過40萬公里。

氫儲能實(shí)用的關(guān)鍵是降低成本

發(fā)達(dá)國家，例如：美國、日本、韓國將氫儲能提升至國家戰(zhàn)略。以日本為例，其在1994年就開始了氫儲能的研究，日本掌握的氫燃料電池技術(shù)非常先進(jìn)，像豐田、本田、三菱等公司都掌握成熟的技術(shù)。我國的氫儲能研究起步較晚，前期只有一些研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行這方面的研究，如：中科院大連化學(xué)物理研究所、清華大學(xué)。雖然之前對氫能有所關(guān)注，但基本上還是由國企牽頭。在國營企業(yè)中，東方 電氣集團(tuán)在十年前就開始?xì)淙剂想姵氐难芯?，與此同時(shí)，一些大型車企(如：東風(fēng)汽車)也在進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究，民營企業(yè)由于成本問題，涉足較少。

不過東方 電氣集團(tuán)的專家指出，在對日本氫儲能產(chǎn)業(yè)進(jìn)行考察時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)日本雖然氫能領(lǐng)域方面的技術(shù)較為成熟，但是成本仍然較高，超過50%的成本由日本政府“掏腰包(補(bǔ)貼)”?，F(xiàn)實(shí)的例子就是，一輛日本產(chǎn)的氫能汽車，售價(jià)30萬元，其成本卻高于30萬元。日本政府為支持氫能發(fā)展，補(bǔ)貼了額外的成本。

為什么成本高?主要原因是日本的氫能全產(chǎn)業(yè)鏈還沒有發(fā)展起來，技術(shù)成熟并不表示產(chǎn)業(yè)也已經(jīng)成熟，所以成本居高不下。只有氫能相關(guān)的配套全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展起來，總體成本才能降下來。

值得注意的是，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省官員此前表示，日本的自然資源非常少，很難用可再生能源覆蓋超過一億的人口，對清潔能源和能源安全的需求意味著氫氣正在受到關(guān)注。

在國內(nèi)，國營企業(yè)的前期探索也取得了成果。東方 電氣(成都)氫燃料電池科技有限公司與成都客車廠聯(lián)合開發(fā)的氫燃料電池客車2017年正式下線，10輛客車在成都市的郫都區(qū)示范應(yīng)用，載客運(yùn)行。

由于近幾年，國家將氫能提升到了戰(zhàn)略高度，關(guān)注的人越來越多，熱錢也開始地涌入，導(dǎo)致氫儲能市場的秩序出現(xiàn)了混亂。這種前期無序的情況與我國光伏產(chǎn)業(yè)剛興起時(shí)有點(diǎn)類似，當(dāng)時(shí)，無序市場會造成大量的光伏產(chǎn)業(yè)的資源浪費(fèi)。

(氫能與燃料電池已經(jīng)被列入2016版目錄)

現(xiàn)在許多企業(yè)從觀望轉(zhuǎn)向涌入，但氫儲能市場需要避免“重蹈光伏產(chǎn)業(yè)的覆轍”。專家也給出了建議，氫能發(fā)展的前期需要政府進(jìn)行主導(dǎo)，像日本一樣拿出國家戰(zhàn)略規(guī)劃，避免資源浪費(fèi)。找出有能力企業(yè)，進(jìn)行技術(shù)研究，將資源整合集中。在一些地區(qū)進(jìn)行示范建設(shè)，如：成都。先行先試，摸索經(jīng)驗(yàn)，并且建立以企業(yè)為主，高等研究所參與的路線，突破核心技術(shù)，縮短研發(fā)周期。

雖然國家已經(jīng)出臺氫儲能的發(fā)展計(jì)劃，但是具體政策(如何補(bǔ)貼氫能發(fā)展的政策)還沒有落地，只有某些地方政府出臺了一些政策，所以相關(guān)企業(yè)(包括國企)也不太敢在氫能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域大步邁進(jìn)。具體產(chǎn)業(yè)政策出臺是非常必要的，這樣可以調(diào)動(dòng)企業(yè)積極性，氫能發(fā)展的前期成本高，沒有政府進(jìn)行補(bǔ)貼，公司無法承擔(dān)高成本。業(yè)內(nèi)人士表示，如果國家電價(jià)4毛錢，氫能要5毛錢成本，企業(yè)虧損的1毛錢，需要有人補(bǔ)貼。

國際電池儲能市場競爭激烈 中國正在搶占

燃料電池面臨來自充電化學(xué)電池的激烈競爭。根據(jù)伯恩斯坦研究公司(Bernstein Research)的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)中葉，全球電池市場將增長10倍，達(dá)到5000億美元，預(yù)計(jì)到2023年成本將降至與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)，這是沒有任何政府補(bǔ)貼的。從特斯拉到戴姆勒的汽車制造商也推出了將與燃料電池競爭的電動(dòng)卡車。

中國在燃料電池方面技術(shù)排名靠后，稍遜于日本，韓國、美國和歐洲。豐田公司一直在押注這項(xiàng)技術(shù)，于2014年底推出首款燃料電池車Mirai，售價(jià)約為65000英鎊。韓國現(xiàn)代公司的Nexo燃料電池型號今年以同樣的價(jià)格上市銷售。

為了克服這種落后狀態(tài)，去年，中國公司開始齊心協(xié)力收購和整合外國技術(shù)。5月，比亞迪宣布與美國混合動(dòng)力公司合作開發(fā)氫燃料電池公共汽車，在檀香山機(jī)場運(yùn)行。11月，中國最大的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)制造商濰柴動(dòng)力以1.84億美元收購巴拉德20%的股份。濰柴還以4800萬英鎊的價(jià)格收購英國燃料電池制造商Ceres Power 20%的股份。

(山東省濰柴動(dòng)力)

對于此次收購，Ceres Power首席執(zhí)行官Phil Caldwell 給出了自己的看法，中國市場的規(guī)模太大，他的公司無法忽視。該公司計(jì)劃將其技術(shù)轉(zhuǎn)讓給濰柴，并共同投資于山東省的一家制造工廠。

中國在燃料電池領(lǐng)域不斷發(fā)力，所以借用Phil Caldwell的一句話，當(dāng)歐洲談?wù)撨@些技術(shù)時(shí)，中國政府實(shí)際上正在推進(jìn)，中國可以創(chuàng)造市場并創(chuàng)造需求，未來可將這些技術(shù)推向成本曲線。