氫儲能發(fā)展為什么需要中國政府主導(dǎo)

　　前段時間，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。

（氫燃料電池汽車正在組裝）

　　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？因為發(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)在地理條件合適的地區(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。在居民用電低谷時將水抽取到地勢高的地方儲存起來，在用電高峰時進(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，實際上，電站的抽水泵不是單獨存在的，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，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，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，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，所以電動汽車只能在有限的范圍內(nèi)行使。電池的突破難以實現(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汽車活動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，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，細(xì)分下來，在充電/補(bǔ)充燃料時間、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。

　　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多小時。

　　氫燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域包括：發(fā)電系統(tǒng)、交通動力和特種電源。以特種電源為例，軍隊使用的柴油發(fā)電機(jī)，會被敵方衛(wèi)星掃描檢測到軍隊的分布，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，因為過去對可再生資源（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，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，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，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)塾嬤\(yùn)行里程超過40萬公里。

　　氫儲能實用的關(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，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，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)實的例子就是，一輛日本產(chǎn)的氫能汽車，售價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)剛興起時有點類似，當(dāng)時，無序市場會造成大量的光伏產(chǎn)業(yè)的資源浪費(fèi)。

　　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，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)計到2023年成本將降至與汽油發(fā)動機(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技術(shù)，于2014年底推出首款燃料電池車Mirai，售價約為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)動機(jī)制造商濰柴動力以1.84億美元收購巴拉德20％的股份。濰柴還以4800萬英鎊的價格收購英國燃料電池制造商Ceres Power 20％的股份。

　　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，中國政府實際上正在推進(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。（【文/科工力量專欄作者 程小康】）