本文来自微信公众号：阿尔法工场研究院（ID：alpworks），作者：滕宇，原文标题：《道阻且长：脱碳背后的中国氢能源》，头图来自：视觉中国
在氢气制取上，目前成熟的制氢手段主要包括化石能源重整制氢、工业副产制氢以及电解水制氢三种。
其中，化石能源制氢通过裂解煤炭或者天然气获得氢气，俗称“蓝氢”。工业副产制氢则是对焦炭、纯碱等行业的副产物进行提纯获取氢气，俗称“灰氢”。
本质上两者的氢气来源仍为传统的化石燃料。虽然通过碳捕捉与封存技术（CCS）可有效降低化石能源制氢过程中产生的碳排放，但长期来看只有可再生能源电解水制备的“绿氢”才能实现真正的零碳排放。
目前可再生能源制氢占比较小，化石能源制氢仍是主要的氢气来源。根据 IRENA 的测算，全球仅有 4%的氢气来自电解水制氢，其余均来自煤炭、天然气以及石油炼化领域。
而在“富煤、贫油、少气”的能源结构下，目前国内煤制氢的占比超过 60%，电解水制氢的比例则不到 2%。可再生能源制氢仍然任重道远，未来的发展空间巨大。
制约绿氢发展的因素是成本，绿氢生产成本中占比最高的为电力和电解槽，占比分别为50%和40%，所以降低电价和电解槽成本是中国实现绿氢工业化、规模化的两大核心环节。
随着光伏、风电的进一步降本，到2030年国内部分可再生资源优势区域，其度电成本到达到0.1~0.15元/KWh。电解槽目前单位造价2500元/W；随着更大的槽体、更优质的制造工艺，以及技术环节的精进和材料的优化，有望降至1300元/W。
届时，绿氢成本将从2020年的30.8元/kg快速降至16.9元/kg，实现与灰氢平价。
这种上游原材料的平价前景一旦达成，意味着氢能源的大规模产业化铺平了道路。那么，这条产业链的上下游，又如何实现传导呢？
四、储运关键指标：单位体积密度
众所周知，氢气在元素周期表位于第一位，意味着其质量小，体积小，因此密度低（ρ=m/V，忘记的朋友请找找初中物理书）。氢气的性质十分活跃，很容易泄露和爆炸，储运过程消耗也大，所以在储氢罐投入的安全设计、存量设计成本很高。
因此，相较于石油、天然气等传统化石燃料，氢气在储运环节具有天然的劣势，发展进度缓慢。
如果按照方式划分，氢气储运可分为气态储运、液态储运以及固态储运三种。
气态储运的成本较低、充放氢速度较快，但储氢密度与运输半径较为有限，所以适用于短途运输。氢气气态经济运输半径局限在200公里以内，每公斤氢运输成本为2块钱，0~100公里运输成本是4块钱/kg，运输压缩氢气的鱼雷车每车仅可运300kg。
中长距离大规模运输考虑管道和液氢运输，液态储运的储氢密度较大，但设备投资与能耗成本较高；固态储运则在潜艇等特殊领域有所应用，整体仍处于小规模试验阶段。
我们可以做一个简单理解：运输一车氢气，瓶子重量在95%以上，需求的氢气只有5%，而且不能长距离运输。所以这笔生意很不划算。
因此，只要是运氢气，总会面临这个问题：怎样在储运瓶里装更多的氢气？这又延伸出一条技术路线：如何增加氢气单位体积密度。举个例子，一个书包想要装更多的衣服，压得越实，装得就越多。同理，储存的时候为了提升单位体积密度，也需要压缩。
但这个问题，并不能只靠单一环节解决，它需要一整套体系的匹配。与电解水制氢类似，产业化程度的提升将有效降低氢气储运的成本，储运基础设施的建设与完善是后续氢能规模化发展的前提。考虑到未来氢能的终端应用场景将更为丰富，氢气的储运环节也将朝多层次、体系化的方向演进。
气态储运方面就是增压减重，从储氢密度、轻量化等角度出发，提升技术及相应材料。
液态储运可以有效增加运输量，达到气态储运的10倍，也是一个很好的方向，目前国外技术相对成熟，国内主要应用在航空领域，未来随着规模化开展以及技术成熟，商用/民用有望得到进一步发展。另外就是建立输氢管道，加强基础建设。
而终端用氢需求，加氢站是必不可少的中转环节。
截至2020年12月31日，全国在建和已建加氢站共181座，已经建成124座，其中2020年总计建成加氢站 55座。在2020年国内建成的124座加氢站中，105座有明确的加注能力。我国加氢站布局数量最多的前三名为广东、河北和湖北，在运数量分别为61/44/36座，大型加氢站仍然匮乏。
加氢站建设投入成本较大，建设一座35MPa加氢站成本在1200万元。这个费用看起来不低，但如果考虑到它的技术含量与参数要求，就会明白这是必须的。
打个比方，35MPa相当于350公斤的胖子，用大脚趾踩在1平方厘米大的地方产生的力量，或者想象一下，用一根食指将当年压死秦武王的鼎举起来。
那么，又是谁拥有这么大的力量，将氢气灌到氢气瓶里？答案是压缩机。在氢站建设中。整体设备成本占据了氢站建设成本的70%，而压缩机占据设备成本的50%，约450万左右，基本需要进口。
随着中国氢能不断推进，国产化替代进程加速，有望进一步降低成本，关注压缩机是一个很好的投资方向。目前70MPa逐步进入商用，代表着单位体积可以储存更多的氢气。
新能源的商业化应用一定是基础建设先行，加氢基础建设是未来中国新基建的重点内容，随着氢燃料电池汽车应用规模的扩大，加氢站的市场需求也逐步提升。
目前加氢站建设成本仍然过高，随着国产设备突破和规模化生产，加氢成本会大幅下降，预计2050年成本为800万左右，将达到1.2万座，在2050年达到千亿元的市场规模。
新能源能否大力发展下去不只要看其物理、化学属性，也要看商用场景，氢能源车就是最有发展前景的应用，新能源车的动力是最核心的环节，同时适用于氢能能源。
五、氢能汽车的心脏
氢燃料电池可以被广泛的应用于各个场景中，主要的应用可以被分为3类：交通、固定电源及便携式电源。氢能未来最重要的应用场景在交通运输领域，与燃料电池车相比，纯电动车的开发和应用在大多数场景中更加成熟，但由于电池重量和续航里程问题而受到限制。
燃料电池车与其他车辆的主要区别在于动力系统。所有其他零部件本质上是相似的。燃料电池车和纯电动车通过电动机将电能转化为动能，而汽油和柴油车在内燃机中将燃料燃烧产生的热能转化为动能。
燃料电池车和纯电动汽车的主要区别在于电的来源。与燃料电池车不同的是，纯电动汽车的全部能量来自其电池组，电池组在充电站进行外部充电。
氢气作为汽车燃料，其原理已经有很长的历史了。在200年前，氢气就被用在第一代内燃机中作为燃料，与现在内燃机里汽油等燃料工作原理类似。但是因为安全性及能量密度较低，氢气作为内燃机燃料并没有表现出优越性。
然而，在如今的燃料电池技术中，氢气并不直接燃烧，而是和氧气反应转换为电能。
氢能源车以氢燃料电池作为能量来源。在氢燃料电池中，氢气由电池阳极输入，在催化剂（铂）的作用下分解为电子和氢离子（质子）。其中质子通过质子交换膜到达负极，与阴极输入的氧气反应生成水；而电子则被质子交换膜阻隔，经由外电路流向阴极，产生电能为汽车供能。
氢燃料电池汽车主要由高压储氢罐、燃料电池堆栈、燃料电池升压器、动力电池、驱动电机和动力控制单元等组成。
氢能的发展路径和锂电极为相似，中游电池系统成本占据整车接近30%。细剖起来，燃料电池系统由电池堆和支持系统两部分构成，前者是核心动力组件，后者由空气压缩机、加湿器、燃料回路、空气回路等支持组件构成。电堆占据一半以上燃料成本。
电池堆是电池单元串联叠加而成，由于每个单元产生的电压通常不到1伏特，因此往往需要几百片电池单元进行串联。
市场上有5种类型的氢燃料电池单元技术方案，其中最适合车用的是质子交换膜燃料电池。其中，膜电极是氢燃料电池的核心部件，在燃料电池电堆中承担了核心的电化学反应功能，其成本占据电堆总成本的60%以上，被誉为燃料电池的芯片。
膜电极的技术和生产不仅决定了电堆的使用条件和寿命，同时也决定了电堆的成本和氢燃料电池的推广使用。
膜电极的研发和生产是一个集合了电化学、高分子材料化学、无机材料化学、精密涂布技术、自动连续化工业控制和功能寿命测试的产业，流程周期长、投入大。目前的前沿技术主要由国外大企业掌握，以丰田、巴拉德和Hydrogenics为典型，研发历史悠久，其中巴拉德对膜电极的研发已超过40年。
国内虽有部分企业和机构突破技术难题，但由于成本问题难以形成规模化生产，因此国内还没有公司具备膜电极的大规模连续化生产的能力，产业化基础非常薄弱。那么产业基础如何夯实，成本如何下降？这其中的关键，在于规模制造。
根据Strategic Analysis Inc测算，以丰田氢燃料电池车Mirai为例，在年产 1000 台时燃料电池（FC）系统与储氢系统制造成本分别为20180美元和8002美元，占整车成本分别为30.7%和12.2%；当年产量增至3000台时，燃料电池系统与储氢系统制造成本分别为15821美元和6040美元，占整车成本比例降至28.2%和10.7%。
可以明显看出来，在规模制造下，二者成本有了明显的下降。但是传统燃油车发动机占整车成本比例仅为15%，燃料电池系统与储氢系统合计成本约为占整车的40%，显著高于传统燃油车。
如何进一步降低储氢和燃料电池系统的成本，尤其是后者是氢燃料车大规模商业化的前提，更大规模的制造和技术精进有望进一步降本。
如何实现规模制造？它的背后，在于需求上量。
根据我国《节能与新能源汽车技术路线图》中对燃料电池汽车总体技术路线的规划：
2020年，计划实现燃料电池汽车在特定地区公共服务用车领域的小规模示范应用，达到5000辆规模；
2025年在城市私人用车、公共服务用车领域实现大批量应用，达到5万辆规模；
2030年在私人乘用车、大型商用车领域实现大规模商用化推广，达到百万辆规模。
在需求的推动下，商用燃料电池系统与储氢系统价格较去年已经有了较大幅度的下降，目前行业水准不到1万元/KW，车用储氢系统价格不到5000元/KG，未来随着氢燃料电池应用范围与规模扩大，商用燃料电池价格至2025/2035/2050有望降至3500/1000/500元KW。商用储氢系统价格有望降至3500/2000/1200元/KG。
成本的下降带来下游需求的爆发，预计2021/2025/2035/2050年燃料电池汽车空间规模将达到165/869/3850/9900亿元。
此外，近期我国鼓励发展氢内燃机，潍柴动力等企业多年已经布局，一汽集团在该领域取得了突破式进展。技术的竞争与落地实验，将极大地促进行业的发展。
六、补锂不足，减排关键
围绕氢燃料电池汽车与纯电动车的争论已经存在数十年，且随着全球各大整车厂商将电动化发展重心转向纯电动汽车，是否应该发展氢燃料电池汽车的质疑声也越来越大，相比较纯电动汽车而言，氢燃料电池汽车发展缓慢的原因主要有以下几点：
（1）氢燃料电池汽车购车成本远高于纯电动汽车，是纯电动汽车1.5~2倍；
（2）初始加氢成本高，当前加氢站加氢成本在50~80元/kg；
（3）加氢站等基础设施匮乏。与密集的加油站及充电桩相比，现有加氢站数量明显不足。
为使氢燃料电池汽车具备与燃油车相近的燃油经济性，其终端加氢成本需至少降到40元/kg以内，假设以当前储运及加注成本计算（25元/kg），制氢成本至少需降到15元/kg以下。那么如此来看，氢能源不具备经济性，那么大力推广的因素是什么呢？
由于锂电池本身的电能充放特点，纯电动汽车适合于较短距离行驶的小型和轻型车辆。但锂电池相对氢燃料电池能量密度较低，在商用车领域采用锂电设备，将提高车辆自重，降低重卡等重型商用车长途运输的经济适用性。
以49吨重的锂电重卡和氢能重卡对比，需要锂电池重量为17.86KG，氢燃料仅需要12KG，显然车辆自重层面燃料电池优势突出，有效载荷优于锂电车型。
氢燃料电池车更适用于重型商用车领域。一方面可以补齐锂电池的不足，另一方面可以实现深度脱碳。
商用车排放占比高，是交运领域重要的减排对象。在碳排放（CO、HC）以及污染物排放（NOx、PM）中，由于发动机结构与燃烧方式的不同，商用车（绝大多数搭载柴油机）的碳排放水平明显高于乘用车，合计占比达到 77.3%，是交运领域碳排放首要减排对象。
从我国汽柴油表观消费量以及CO2排放情况来看，我国的交运行业减排工作已取得明显进展，但碳排放水平依然处于较高位置，仅靠节能减排或者尾气回收显然无法完成碳中和目标。
此外，续航和充电时长方面也会限制重型商用车的运输效率。相比之下，燃料电池车能量密度高，加注燃料便捷、续航里程较高，低温环境表现优异，更加适用于长途、大型、商用车领域，未来有望与纯电动汽车形成互补并存的格局。
根据规划，到2035年我国氢燃料电池车保有量将达100万辆。根据《节能与新能源汽车技术路线图2.0》规划，我国将发展氢燃料电池商用车作为整个氢能燃料电池行业的突破口。
以客车和城市物流车为切入领域，重点在可再生能源制氢和工业副产氢丰富的区域推广中大型客车、物流车，逐步推广至载重量大、长距离的中重卡、牵引车、港口拖车及乘用车等。
到2035年，实现氢燃料电池汽车的大规模推广应用，燃料电池汽车保有量达到100万辆左右，完全掌握燃料电池核心关键技术，建立完备的燃料电池材料、部件、系统的制造与生产产业链。
除了公路运输之外，更长远来看，氢气还有可能促进铁路运输、船运和航空领域的脱碳化：
在确定了氢能源为未来发展路径后，氢燃料电池的成本是决定何时大规模商用的关键，现阶段，氢能源应用主要依赖于财政补贴和政策支持。在未来，随着规模的扩大和全产业链技术的进一步成熟，市场化进程有望加快，下游应用领域将迎来爆发阶段。
七、全生命周期总拥有成本（TCO）
这是一个读起来不通顺，听起来生僻的词组，但在阅读这一段的时候，请大家尽量记住理解TCO的含义。
从消费的角度看，氢能源车与锂电等竞品成本平价是提升渗透率的关键，成本包括购买成本和使用成本，我们将其统称为全生命周期总拥有成本，简称TCO。通过分析全生命周期总拥有成本（TCO），可以对氢能源产业链未来发展趋势及大规模商用时间节点的判断，形成准确认识。
目前国内商用最多的领域在于公交车，占据了氢能源车60%以上的应用，在2030年氢能源公交车TCO成本有望优于锂电池电动车，未来进一步降本，2035年、2050年分别为2.73元/KM、1.62元/KM。
随着氢能电池技术和储氢系统的提升，氢能续航里程将大幅优于锂电池，有望超过800KM，百公里氢耗下降至4KG以下。
宇通客车（600066.SH）自2009年开始研发燃料电池客车，通过燃料电池客车整车集成与控制、动力系统匹配等关键技术突破，目前第四代产品已投入推广应用。宇通自动驾驶氢燃料客车采用了60kW燃料电池系统+动力电池的混合动力系统方案，充氢仅需10分钟，续航能力高达500公里。
佛山市飞驰汽车制造有限公司是首批列入国家公告目录的大中型客车生产厂家之一，产品在港、澳、台及华南地区具有较高的知名度和影响力。2019年飞驰汽车生产的氢燃料电池汽车销量376辆，在氢燃料电池汽车市场中市占率达13.7%，其中在广东省市场占有率高达96%，目前有超过769台氢燃料电池客车在佛山正常运营。
众多车厂纷纷布局氢能源客车，在政策推进下，产业爆发在即。2022年北京冬奥会就是一个良好的发展契机，2000辆氢燃料电池冬奥用车，是基础配套设施建设的挑战，更意味着氢能产业不可多得的发展机遇。
同时，在日前召开的张家口市第十五届人民代表大会第一次会议上，张家口市提出，未来五年，将加快构建绿色交通体系，倡导低碳出行，大力推广新能源汽车，提升氢能源汽车使用比例，完善充电、加氢等配套设施，到2025年公共交通领域实现新能源汽车全覆盖。
据了解，张家口市连续先后投入资金76034万元购置氢燃料电池公交车，其中张家口市财政投入资金67325万元，推动新能源公交车建设。
截至目前，全市共有公交车2375辆，其中新能源公交车1870辆，占比78.7%；主城区共有公交车905辆，其中新能源公交车712辆（包括氢燃料电池公交车304辆、插电混合公交车197辆、纯电动公交车211辆）。至今年底，该市氢燃料电池公交车将再增加140辆，届时氢燃料电池公交车将达到444辆。
除了在客车上的应用外，氢燃料电池物流车是氢能在城市或城际中长距离货运领域的一个细分应用场景，目前是国内在运行氢燃料电池汽车的主要部分。载荷能力>3吨，续航里程>400KM的氢燃料电池物流车将于2025~2030年间TCO成本经济性优于纯电动车。
脱碳最关键的一环是重卡，重卡造成的碳排放和环境污染远远高于其他车型，目前国内已推出多款氢能源重卡车型，并已展开小范围小批量的试运营。
2020年9月，北汽福田32T氢燃料电池重卡车型发布，搭载了109KW大功率氢燃料电池发动机，电堆为国内自主开发，采用了液氢储能系统，已通过-30摄氏度低温冷启动试验。
江铃重汽在2020年3月向上海智迪交付首批10台江铃威龙燃料电池重卡，采用了95KW燃料电池系统，上汽集团、长城汽车的氢能重卡也已经陆续签约或交付。
对于载荷能力>35吨的重卡，在城际干线或支线物流等长距离运输场景下，氢燃料电池重卡的全生命周期经济性将在2030年左右超过纯电动车型。
从消费者角度看，氢燃料电池重卡的每公里TCO成本2025年将降低至5.6元/KM，相比2020年的降幅达到43.3%。到2035年、2050年分别降到3.21元/KM、1.94元/KM。
随着氢燃料电池动力系统的急速发展，氢燃料电池重卡的动力性能和续航能力将在干线或支线重载长途物流领域发挥极大的优势。到2050年，氢燃料电池重卡的电池功率提升至300KW，氢燃料耗能降低至6.1KM/100KM，续航能力提升至700KM。
八、溯洄从之，道阻且长
在国内，氢燃料电池乘用车仍未实现量产与销售，整车处于样车制样阶段，购置成本接近150万元。500KM以上的乘用车将于2040年后达到同等续航能力的纯电动车相当的全生命周期成本性。
国际上，美国、日本氢燃料电池乘用车累计销量（含租赁）超过1万辆。多国在相关规划中提出要推广氢燃料电池乘用车。
如韩国政府于2019年发布的《氢经济路线图》指出，在本土与海外范围推广氢燃料电池轿车，到2022年累计7.9万辆，2040年累计590万辆（本土275万辆），并在出租车领域进行示范应用。
长城汽车早在2016年6月开始研发燃料电池，2021年3月发布了最新的氢能战略计划，发布了氢柠技术平台，首款搭载氢能源乘用车预计2022年可以实现量产上市。
上汽集团于2020年9月13日，公布中国汽车行业首个“氢战略”：上汽大通计划在2025年前，推出至少十款燃料电池整车产品，上汽捷氢科技已建立起千人以上燃料电池研发运营团队。
虽然汽车纷纷大力布局氢能乘用车，但氢能乘用车的应用却存在着两点硬伤：
其一，深度脱碳的目标主要是商用车，可以在一定时间内容忍在氢能源在重卡等商用领域的补贴。乘用车造成的碳排放比起商用车较小，脱碳路径已经确定是锂电池，氢能乘用车补贴脱碳不具备必要性。
其二，平价时间过长，可能需要等到2040年，和现有锂电技术对比，在一定时间内在经济性没有展示出太大的竞争力。
所以未来的一段时间内氢能源车主要应用在商务车上面，乘用车应用还需等待技术突破和规模化降本。
九、尾声
氢能源车作为深度脱碳的使者，正向我们缓缓走来，我们要做的是与其签订一份约定，将双碳目标进行到底。能耗、碳排放的确与经济发展息息相关，通过技术手段解决是各国政府的共同目标，无论技术路径如何变革，最终改善的是环境，受益的是自身。
在全球双碳背景下，各国对氢能源尤为重视，做出了详细的产业规划，一直在不断推进更新中。技术进步、迭代的速度有可能大幅超出我们的预期，会加速推进产业化的进程。在这个背景下，过度关注眼前，可能会暂时保有经济性，却很可能会让我们错失一个迎接氢能大时代的机会。
本文来自微信公众号：阿尔法工场研究院（ID：alpworks），作者：滕宇