圖片來源@視覺中國
文｜險峰創
站在2023年的當下，制約氫能大規模應用的瓶頸是什麼？
展開之前，先分享險峰新能源團隊在近期走訪調研中遇到的兩個小故事：
1、某氫燃料電池企業A和某地方政府B接洽產線落地事宜。B市屬於北方三線城市，相比於一些富裕省份，能給到的優惠政策有限，原本A企業談的興趣不太大，但當聽說當地有工業副產氫的時候，A企業當即表示可以無條件落地。
2、某地方政府C在政策指引下，2022年初上馬了一批氫能車的示範項目，但卻苦於找不到平價穩定的氫源，車輛只能斷斷續續的上路，無法100%運力投入到實地運營之中。
這兩個例子都指向了一個共同的問題：即在2022年政策端大力推動氫能落地的背景下，氫能上下游出現了一些“結構性衝突”。
換言之，化工領域的低碳轉型疊加交通和能源對於高純氫、燃料氫氣的需求不斷爆發，目前上游的氫氣產能與下游需求其實是不匹配的。
這背後的邏輯也非常簡單，傳統上，我國的氫產業一直是依附於化工產業而存在，比如氫的第一大用途是合成氨製造化肥（佔比約55%），第二是用於石油煉化中的脫硫工藝（佔比約25%），兩者合計佔到全國年用氫量的80%。
因此，儘管我國是全球第一大產氫國，每年能生產3500-4000萬噸氫，但真正能分出來且純度滿足「供能」要求的部分非常有限。可以說在2020之前，氫在我國都還是個比較小眾的行業，也從來沒有真正被當做是一種「能源」來看待。
對比來看，目前中國每年從海外進口的原油5億噸，年綜合成本支出1.6萬億人民幣，未來我們要保證國家能源安全，實現3060的碳中和目標，這些化石能源中的大部分都是要轉型為非碳能源的。
而「氫」無論是作為能源載體，亦或是儲能載體，哪怕只佔到20-30%的份額，也將是一個非常巨大的增量市場。
與電動車、光伏行業的發展脈絡相似，氫能未來的發展一定要依靠上下游一起發力：上游擴產帶動下游需求普及，下游需求增長推動上游成本改善。然而站在2023年當下，僅從當前供需情況來看，上游制氫環節對於整個氫能的破局或許更為關鍵一些，與之相關的新興技術也值得投資人們特別關注。
在本篇里，我們將從氫能上游產業鏈入手，談談我們近期的一些投資思考，也歡迎氫能領域的創業者及行業專家聯繫我們，與險峰新能源團隊一起深入交流。
破解氫能上游之困：降本是關鍵
回到開頭的問題——既然供不應求，為什麼上游企業不擴大氫能的產量？
簡單來說兩個字：成本。
在《新能源的第二曲線：聊聊氫能投資的三個機會》一文中我們曾提到，氫是一種典型的二次能源，並不天然存在於自然界，它的產生途徑主要有四種：
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灰氫：直接燃燒化石能源制氫。
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藍氫：化石能源制氫+CCUS（碳捕集與封存）。
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綠氫：通過風光等可再生能源，電解水制氫。
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工業副產氫：來自於氯鹼工業、煤焦化工業里產生的副產氫氣
其中，工業副產氫價格相對便宜，也不產生額外的碳排放，但它的問題是受制於上游氯鹼、焦化的工業規模，過去都是“在工廠里產生，在工廠里消耗”，產量有限，也很難擴張，註定不可能成為未來氫能的主要支撐力量。
而中國是一個典型的“富煤”國家，因此在剩下的三種氫中，煤制氫（灰氫）的生產成本要遠低於綠氫和藍氫；從價格來看，2020年我國可再生能源電解水制氫（綠氫）的成本在20元/kg左右，但煤制氫平均只有8-10元/kg。
過去氫主要用於工業場景，這些行業普遍利潤不高，所以價格便宜是王道，因此灰氫一直是市場上的絕對主力。
以中國氫能聯盟的統計口徑，我國一年的氫產量中，67%都是煤制的灰氫，綠氫與藍氫加起來佔比不超過3%。
在這樣的能源結構下，相當於氫用得越多碳排放越多——這也是很多輿論質疑氫能的主要原因。
但從長期來看，過去10年間，全球光伏的發電成本已經降低了90%，未來隨着鈣鈦礦、異質結以及分佈式光伏的廣泛應用，清潔能源的成本還會進一步降低。
而反觀煤炭石油等化石能源，則基本不可能大幅降價。
因此，與電動車最終替代燃油車的邏輯類似——在氫能領域，可再生能源+電解水的綠氫路線一定是代表着未來。
從這個角度說，如何儘快將綠氫的生產成本降低到8-10元/kg，達到和灰氫一樣的水平，才是解決當前困擾的關鍵所在（因煤價波動大，暫按600元/噸均價計算）。
這也是近期我們在和業內專家交流中大家的共識：即氫完全不需要和鋰競爭，只要能把電解水做到和煤制氫同等價格水平，整個行業正循環就能夠滾動起來了。
繼續向下拆解的話，電解水制氫中70%-90%的成本來自於電力成本，隨着電解槽設備成本的進一步降低，降低電力成本的重要性會進一步凸顯——這一方面依賴於國家政策的補貼，比如碳稅可能成為一個重要的政策變量；另一方面則來自於清潔能源的發展。
2021年，我國新增風電、光伏裝機規模合計已達1.025 億千瓦，風光累計發電量約9785億千瓦時，同比增長35%，風電、光伏發電量佔全社會用電量的比重首次突破10%，達到11.7%。而按照國家能源局《2022年能源工作指導意見》要求，2022年風電、光伏發電發電量佔全社會用電量的比重將提升到12.2%左右。
眾所周知，風電光電一直存在間隙性、隨機性和波動性的問題，而我們的電網系統一時間也還無法消納這麼多的增量，導致了很多棄風、棄光現象。
2021年，全國棄風電量約206.1億千瓦時，棄光電量 67.8 億千瓦時，加起來差不多相當於整個貴陽市一年的用電量。要知道，這些電棄掉了也就棄掉了，而如果用電解水轉化為氫來儲存，每年至少可以新增綠氫約55萬噸。
正因為如此，我們能看到國內已有超過百個在建和規劃中的電解水制氫項目，涵蓋了石油煉化、化工合成、鋼鐵冶鍊和交通等多個領域，隆基、遠景、華電、國電投、中石化等大批巨頭企業也都參與其中。
在走訪過程中我們也發現，幾乎所有的傳統能源企業都對電解水制氫表現出了濃厚的興趣，可以說需求是非常確定的，但大家最為關心的問題，還是成本和技術上能否大規模實現。
路線之爭：雙雄爭霸，鹼性為王
2020年8月，中國科協組織國內了2萬餘名科學家，從490個問題中，票選出了當年「10個對科學發展具有導向作用的科學問題」和「10個對技術和產業具有關鍵作用的工程難題」。
這十大工程難題的其中之一，便是「如何在電解水制氫中實現“大規模”、“低成本”、“高穩定性”的統一」。
由此可見，這三個指標同時達成的難度之大。
根據工作原理不同，目前電解水制氫可以分為4種技術路線：
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鹼性電解制氫（ALK）
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質子交換膜電解制氫（PEM）
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高溫固體氧化物電解水技術（SOEC）
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固體聚合物陰離子交換膜電解水技術（AEM）
圖表：四種電解水制氫技術對比
這裏面，后兩種還處於實驗室階段，真正可以商業化的只有前兩個。
其中，質子交換膜電解制氫（PEM）源於上世紀60年代NASA的太空任務，當時主要是用氫和氧混合後為航天器供電。而把整個反應過程逆過來，就變成了電解水制氫。
它的優點是體積小巧，電流密度高，可以做到瞬時啟停，理論上能很好的適配風光儲能，但缺點是催化劑必須使用鉑和銥等貴金屬。
作為一種稀有小金屬，銥礦的來源非常單一，全球基本只有南非可以提供，如果中國大規模使用銥做催化劑，未來還是會有“卡脖子”風險。
此外，22年鋰價飛漲的例子也說明，稀有金屬一旦用在量產設備上，價格必然快速上漲，很難同時滿足“大規模”與“低成本”的要求。
當然，也有很多科研團隊在嘗試用錳、鈷等金屬繞開銥，或者用團簇結構減少銥的用量，但目前這些研究都還停留試驗階段，我們對此也在持續關注，相信未來一定能看到技術突破。
不過歸根到底，大規模製氫還是一個工程學問題，而工程和科學最大的區別，是科學更關注「可能性」，工程則更關注「實用性」。
就像馬斯克把9台梅林發動機捆在一起造出了獵鷹9火箭，工程思維追求的是”在現有條件下，如何把事情做成，且成本能盡量低”。
從這個角度來看，另一條鹼性電解水（ALK）路線距離工程化落地可能會更近一些。
鹼性電解制氫（ALK）的歷史非常悠久，源自於200年前的氯鹼工業，當時人們發現可以通過電解食鹽水來製取氯氣和燒鹼，陰極的生成物就是氫氧化鈉和氫氣。
1893年，美國紐約建成全球第一家電解水制氯鹼工廠；隨後一戰二戰相繼爆發，戰爭期間無論是漂白、殺菌亦或是製造化學武器都需要用到氯氣，於是全球對於氯的需求量激增，整個氯鹼工業開始興起。
此時，大家使用的電解水技術還是「水銀法」，利用流動的水銀薄膜作為陰極，但水銀有巨毒，會造成環境污染。於是到上世紀60年代，荷蘭發明了「隔膜法」，不過效率又太低，最後日本在隔膜法的基礎上，於70年代開發出了「離子隔膜法」。
「離子隔膜法」綜合了隔膜法和水銀法雙方的優點——產量高，能耗低，無公害，從行業發展角度看是一項偉大的技術進步，但它同時也對隔膜材質提出了更高的要求。
圖表：鹼性電解水制氫原理
因為在動態條件下壓力不一致，很容易失衡導致電解槽內的氫氧互竄，特別是分子量小、運動速度特別快的氫分子，容易穿透隔膜，跑到陽極那一端。
在氯鹼工業中，這還不是個大問題；但如果是電解制氫，因為氫氧分子不對等，一旦氫氧發生混合，就意味着巨大的安全風險。
比如，我們也在調研中也了解到：隨着2022年氫能需求集中爆發，很多非專業團隊湧入了這個賽道，但因為使用的電解槽和隔膜材料不合格，制出的氫純度不夠，導致了不少“炸槽”的情況發生。
複合隔膜：皇冠上的明珠
這些企業之所以找不到合格的隔膜材料，是因為它的生產技術非常困難，需要同時滿足以下要求：
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保證氫氣和氧氣分子不能通過隔膜，但允許電解液離子通過；
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能夠耐高濃度鹼液的腐蝕；
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具有較好的机械強度，能夠長時間承受電解液和生成氣體的衝擊，隔膜結構不被破壞；
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有較小的面電阻，降低電能損耗，因此隔膜孔隙率要盡可能高；
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在電解溫度和鹼液條件下隔膜能夠保持化學穩定性；
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原料易得、無毒、無污染，廢棄物易處理。
而能生產這種隔膜的企業，全球目前基本只有愛克發（Agfa-Gevaert Group）一家。
這是一家來自歐洲的材料科技巨頭，至今已佔據了國外鹼性隔膜95%以上的市場份額，處於絕對的壟斷地位。但因為眾所周知的原因，愛克發生產的複合隔膜並不在中國境內出售，國內企業無法買到，只能使用相對落後的PPS來代替。
而在性能方面，PPS在今天已經很難與複合隔膜競爭，一個例子就是連全球最大的PPS生產商日本東麗，也已經開始轉攻複合隔膜，國內各主要制氫龍頭也都開始嘗試採用複合隔膜，替代趨勢已非常明朗。
不過，愛克發雖然是材料界巨頭，但其實也不太重視這塊市場。
畢竟，電解水制氫此前一直是個小眾的行業，愛克發整體業務龐大複雜，每年營收的17億歐元中，複合膜只有約4億人民幣，佔比不到4%，其背後也沒有強有力的政府來整合產業的發展方向。
而與歐美不同，中國正處在能源轉型的關鍵節點，對各類清潔能源設備的需求非常巨大：比如現在給很多地方在給光伏/風電批地的時候，都會硬性要求配置制氫裝置，未來隨着風光能源的加速落地，整個制氫行業也會持續提速。
舉個例子，根據國家《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035 年)》，到2025年，中國要達到10萬噸可再生能源制氫，不過按照目前的行業發展速度，這個数字很可能2023年就能實現——在這種增速下大家依然感覺氫不夠用，需求增長之快可見一斑。
2022年，中國電解槽出貨量在800MW左右（其中的絕大部分都是鹼性制氫），一台1000標方的電解槽要用大約1200平米隔膜，以5MW=1台1000標方=800噸/年產能計算，現階段國內複合隔膜的市場規模約在1.6億左右。
按照勢銀的預測，2030年中國電解槽裝機量可以達到100GW，以此測算，屆時國內複合隔膜市場規模在200億以上，相當於10年會有一個百倍的增長。
因此我們認為，「複合隔膜的國產替代」是一個屬於中國科技公司的大好機會，首先它的需求是非常確定的，只要能做出來就能賣得掉，此外壁壘足夠高，可以在一個較長的時間內享受到技術紅利帶來的高溢價。
目前在這個方向上，國內也有很多創業團隊在進行探索，不過因對其綜合性能要求較高，國內能夠達到有小批量生產的企業並不多，險峰此前在天使階段投資了其中的一家「刻沃刻科技」；根據客戶反饋，其產品在500微米、300微米和200微米厚度的產品初步測試中，測試結果已經趕超愛克發。
擁抱變化，是唯一不變的東西
從投資的角度看，氫能產業鏈是一個典型的「中間模糊，兩頭確定」行業。
中游儲運環節，是用管道摻氫、有機溶劑還是現場制氫，業內還存在爭論，也很難說哪種會成為主流，但下游的應用領域大家已經有了共識，就是工業生產、燃料電池和儲能這三大方向。
上游制氫方面，主流觀點也很一致，就是如何把綠氫的成本降一半。
就像前文提到的邏輯：只要綠氫能做到比藍氫便宜、比灰氫稍貴，目前所有的下游應用就可以直接承接過來了，而對於國家能源戰略來說，這也會是比較舒服的轉型方式。
站在行業發展角度，2022年氫能才第一次作為能源登上歷史舞台，是一個非常年輕、充滿機會的賽道。在此之前，因為下游沒需求，上游即使做出好產品也賣不掉，人才和資金也不願意進來，很多技術只能沉澱在高校裏面，整個行業循環處於“鎖死”狀態。
這其實和2015年的自動駕駛非常相似，當時自動駕駛非常依賴激光雷達，全世界能供貨的只有LiDAR一家，一台雷達賣7萬5千美金，相當於50萬人民幣。
但是隨着中國新能源車的興起，到2022年，國產激光雷達已經可以做到單台700美元，要知道激光雷達屬於光學机械，不是半導體也不遵循摩爾定律，中國企業單單隻是靠上下游合力，就把生產成本降低了100倍。
氫能未來大概率也會遵循類似的邏輯——因此，我們會非常看好氫能行業里關鍵材料和器件的突破，這些領域很適合中國的科技初創公司，我們國家的巨大市場和成本優勢，都有助於構建企業的護城河。
總之，在碳中和的大背景下，氫能已經成為未來中國一個重要的發展趨勢，無論心理上是否接受，這都是正在發生的客觀事實。
擁抱變化是早期投資人必經的過程，也是必然的宿命，畢竟唯有變化，才是世間唯一不變的東西。
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