誰能問鼎未來能源?鋰電池與氫能源比一比!
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誰能問鼎未來能源?鋰電池與氫能源比一比!

2021 年 5 月 12 日


鋰電池和燃料電池雖然是不同的技術路徑,但兩者都實現碳中和的主流能源方案,可以放在一起對比。終極能源是誰可以從 2 個角度去評估,一是能源利用效率,二是能源密度。前者決定了成本優勢,後者決定了應用場景廣泛性。

一、能源利用效率和能量密度的不同

1. 能源利用效率
鋰電池和燃料電池都是利用電,但鋰電池是直接用電,而氫還需要通過電轉化而來,因此氫作為二次能源,能量利用效率肯定是低的。如下圖氫燃料電池系統(左)要遠低於鋰電池,這也是馬斯克不喜歡氫能的點。

上述結論的前提是未來電力都是來自太陽能和風力等綠色電力,從新能源普及的角度看,則結論不完全一樣。

  • 能源一直是多種並存的結構(如下圖各種曲線)。
  • 新能源的佔比從 1% 到 10% 需要 50 年時間,綠色的石油用了 45 年,可再生能源 13 年只成長了 5% 。

如果仍以化石能源發電為主的情況下,燃料電車和電動車綜合能效其實差不多,甚至燃料電池更高。

2. 能量密度
在能量密度上,鋰電池和氫完全不是一個量級,差了 100 多倍,這是氫的優勢。從能量保存時間段來看,電池的電量流失按照天計算,氫能源按照季度、月計算的。總體來看氫能源的應用場景會比鋰電池多很多。

從轉換效率和能量密度比較後,兩者的應用場景就比較清晰了。

鋰電池 氫燃料電池
車輛 乘用車 商用車
儲能 應用側家用、路燈 發電側再生能源、廢熱

二、氫能源和鋰電池產業的發展

1. 新能源的發展驅動力
氫能源發展階段和鋰電池非常像, 2017 年燃料電池與 2012 年鋰電池, 2002 年的光伏, 1994 年的風能,在裝機容量上是一樣的。

但新能源的驅動力很大程度源於國家政策的推動,光伏是在歐洲政策推動下慢慢做起來,鋰電池在中國和歐盟都是推動電動車帶動的。歐盟電動車銷量 2020 年是超過中國一點點的,佔新車比例也達到 10% 。雖然看起來燃料電池比鋰電池等晚了 5 年,但實際上國內外政策力度都差很多,因此實際差距要遠大於 5 年。

針對氫能源的中國國家政策主要是十城千輛,主要原因是:

  1. 範圍更小:第一期試點的城市準備要出來,基本上是北京、上海、廣州與河南、河北。
  2. 補貼力度更弱:只有 170 億(人民幣,下同),而電動車類累計的國家補貼已經達到 1,206 億(截止 2020 年 5 月),相差 7 倍。
  3. 時間更短:十城千輛的政策是 4 年,年均補貼 42.5 億,電動車 10 年,年均 120.6 億,相差 2.8 倍。

2. 兩者發展基礎的不同
氫能源和鋰電池產業所需的技術和基礎設施相當不同。電池產業經歷了最早的玩具裡的鎳氫電池,手機三元電池,從手機到公車,從低能量密度到高能量密度的乘用車,技術發展與驗證迭代是連續的。同時電動車不存在能源的問題,一開始就有很發達的電網,只要鋪好充電樁就可以獲得能源。

燃料電池在這兩端其實都不佔優勢。既沒有加氫的基礎設施,也沒有消費應用鋪陳,直接是車規級。雖然巴拉德的燃料電池在叉車上已經完全可以商用,但市場過小。因此需要從能源基礎設施和應用場景雙管齊下。

在應用上,國內是億華通在公交車上做第一步嘗試,有部分裝在商用車。(以下數據備註:日本、美國及中國的數據截至 2019 年 4 月,歐洲數據中德國數據截至 2019 年 7 月)

能源上,氫氣在整個工業體系裡面很豐富,包括工業副產氫、煤製氫和天然氣製氫,足夠支持早期的氫能源供給。主要缺乏的是加註網路,這部分很可能會通過天然氣的發展得到彌補。首先天然氣在商用車上營運的成本要比柴油車低 20% 到 30% ,現在大批量的商用車在改成天然氣,需要修建天然氣加氣站。如果改成天然氣站後,預留一些設備再改成加氫站會容易很多。

三、應用市場和車用市場

1. 應用市場對比:車用
下面是整體的碳排放量,交通佔百分之 10 幾,電力供應佔最多 44% 。

交通運輸裡乘用車其實只佔了 20% 的排放量,最大的部分其實在商務車上佔 77% 的排放。

為什麼鋰電池不適合用在商用車上?舉一個實際的例子, model3 電池重量差不多 800 公斤,低配版大約 450 多公里的續航,實際應該是 400km 左右。商用車以最近一個主機廠狂推的某款電動商用車為例, 2.5t 電池續航 190km ,以 9.6m 為例, 19t 總重量扣掉 7t 自重,還有 12t 載貨重量,但是這個續航只有 190km ,如果想做到 500km (基礎門檻)的話,至少還需要 3t 電池,這也意味著少裝 3t 貨,成本上就完全算不過來。

現在大家提出解決方案,建沿途換電站,我們認為換電站基礎設施跟加油站很像,要有企業巨頭來做,還是有難度的。所以電池商用車基本沒有實用性。

鋰電池差不多 220wh/kg左右的能量密度,只有做到半固態電池、固態電池才能做到 500wh /kg,能量密度提高一倍之後,純電重卡才有使用價值,在 5 年之內看不到可能性。

從能源成本(充電/氫氣)來看,氫燃料車的百公里能源成本遠大於電車。目前終端氫氣價格大約是 60 元/kg,鋰電池平均 900 元/kwh。據DOE,氫氣下降到 30 元/kg時,鋰電池下降到 700 元/kwh可實現與傳統燃油車平價,很明顯,鋰電池只差 20% ,而氫則差 50% 。

2. 車用市場的發展路徑不同
新能源技術對於所有汽車主機廠而言,這是鋰電池和氫燃料兩個技術路線都是很燒錢,沒有人可以持續在兩個方向投資。因此需要根據所在市場進行針對性研發。

歐洲的車企 20 年前就開始佈局氫燃料電池,賓士(母公司 DAI-DE)、福特(F-US)與日產在加拿大合資公司開發燃料電池。德國車企一直是在用柴油路線走清潔能源去達標歐盟的標準,加氫站的缺乏,使得燃料電池應用一直不落地。當排放門事件發生後,歐系主機廠有個技術的斷檔,開始迅速的轉向電動車。大眾最積極,因為大眾在新能源和燃料電池上的累積都不夠多。賓士也放棄了在乘用車使用氫燃料電池的技術路線。但戴姆勒(DAI-DE)和 Volvo 又合資開發商用車的氫燃料電池。

美國則完全走的電動車路線,美國整體的能源網路非常市場化。政府只給了購車的補貼,並沒有補貼修建加氫站,因此氫能源很難發展起來。中國的電網、發電、石油等企業都是國營企業,加上足夠大的國內市場,是可以支持鋰電池與氫能源兩個方向發展的。於是國內氫市場是在 2018 年李克強總理去日本考察之後才開始啟動。

堅持氫路線的豐田(7203-JP )和現代,所在的日本和韓國的市場很小,其實豐田和現代都可以看出把美國當成主要市場的主機廠。因此我們認為商用車將主要用得是氫能源。

四、應用市場對比:儲能

從效率角度:
光伏發電後利用鋰電池儲能:光伏發電的效率基本上是 20% ,然後加上鋰電池的損耗 10% 的的話,就是 18% 的效率。

光伏發電後( 18% ) -電解槽電解水製氫( 80% ) -氫儲能-需要時再用氫燃料電池系統發電( 60% ),這個是氫儲能的鏈條。算下來 16% * 60% ≈ 9.6% 的效率。

從成本角度:
現在鋰電池的度電成本(每儲存一度電的成本),用在光伏或者風能上,最好的能做到四毛左右,梯次利用即汽車上用的鋰電池淘汰下來之後最大的兩個用途,一個是變成外賣小哥三輪車上的電池,或做鐵塔儲能、或做路燈用。這種電池差不多也要 200 到 300 ,基本上是兩毛多/kwh的成本。

為什麼未來的鋰電池做下來還要兩毛多的成本呢?鋰電池在過去這些年其實降低了 80% 的成本,但是儲能成本並不是線性下降,鋰電池的規模越大,耗電量和成本都越高。氫電池相反,規模越大、單個罐子越大就上壓縮機越經濟長期看燃料電池絕對是碾壓鋰電池的。

當然還有市場孵化的問題,美國由於電網市場化,電價大概是中國的 8 倍,所以美國消費者有動力進行波峰波谷的儲能和調節。但中國不一樣,零售端價格幾毛,商業端一元多,所以中國的儲能並不會發生個人端。中國儲能其實更多會放到發電端,中國儲能裝備會更加大型化和集中化。觀察韓國和日本走的技術路線,他們就在發電端,包括用熱電站的廢熱等。

1. 兩者的投資邏輯
鋰電池產量很大,新車年銷量 2000 萬輛 ,產業鏈上每個公司的規模足夠大,因此頭部公司的規模大,技術強可以形成很強的馬太效應。因此鋰電池產業的發展規律很適合參考太陽能板。

國內最大做單晶矽的隆基股份董事長說過 2 個觀點:

  1. 要賭理論值轉化效率最高的技術路線,所以他選單晶矽,單晶矽當年的轉化效率其實遠遠不如多晶矽。
  2. 技術不領先不盲目擴產,因為所有都擴產與技術升級老產能很快被淘汰。

在技​​術路線上,鋰電池未來技術的固態電池也有多個方向,短期的改進也有多個技術方向,如下圖。

  • 黃色的三元的技術路線是高鎳,比如常見的 ncm811 ,現在又開始做無鈷,這兩個技術線的瓶頸都在 280 之內,下一步突破一定在正極材料上做 4 元或者新三元。
  • 紅色的磷酸鐵鋰的理論值非常低,由於成本非常有優勢,適合短距離的低階車型,等到三五年後高能量密度電池價格降下來之後,才會對磷酸鐵鋰有競爭壓力。

在擴產上,電池產業會投大量固定資產,基本上國產設備投 1GWH 需要 1.5 億元,進口就需要 2~2.5 億元。現在看到每一家的計劃至少都是在 3 年之內要投進 150 到 200 億元進去。大額固定資產的問題是到底這條生產線可以用多久?如以前的太陽能板都是標准設備,新一代設備出來後,老設備就被淘汰了。車規級鋰電池也一樣,如果不升級設備的話,成本沒有任何優勢,整個生產線會變成一個巨大的包袱,折舊本來預計 10 年,但可能就 3 年就廢了。

特別是 10 年之內技術不斷演變,售價不斷下降的情況下,能自研設備的廠商才可以極大的延長設備的使用時間,改進工藝和材料後,可以再去技改生產線,寧德和比亞迪(002594-CN )都跟上游設備廠有很大的深入合作去做技術改造。包括像中航鋰電、蜂巢(蜂巢是長城汽車( 601633-CN )下面的動力電池事業部獨立出來的公司),都做了非常多的改造,這些公司還能玩下半場,有些上市公司這塊投入的資源和技術儲備不夠,可能兩三年之內就會被淘汰,所以鋰電池要買龍頭。

燃料電池和電池邏輯完全不一樣,燃料電池更像燃氣供暖產業,典型的公司比如新奧燃氣。通過不斷的做項目,累積現金流,再去投新項目,收購新的項目來滾動。畢竟整個卡車的保有量才 3600 萬,而不是乘用車的 2.4 億,單靠一個環節是很難養活公司的。

為什麼要有這個模式?氫能源有一個死亡谷,在規模沒有達到一定的數量之前,整個商業鏈條都會虧損且現金流一直是負的。這個過程會多痛苦?美國能源署DOE估算年產 10 萬台時才能實現與電車平價,中國現在才 1000 多台/年。由於死亡谷要靠國家補貼,而國家補貼是針對性落地的,且加氫站不可能大規模修建也需要針對性修建。

因此我們判斷:未來氫燃料電池公司要活下來,也必須是一個個地方拿項目,建加氫站與裝車。而且如果營運的不出問題,一個公司拿了一個地方,其他家就不太可能拿到。這意味著未來 4 ~ 10 年的補貼都被佔據了,因此氫燃料電池的發展模式很類似燃氣供暖公司。

這裡舉個典型例子美國氫燃料電池重卡公司 Nikola ,它的模式就是客戶買車後不用管加氫,公司與合作夥伴修好加氫站,同時與物流公司合作(車也可以租賃),在物流公司兩端的倉庫設好加氫站,保證每一條線路跑下來客戶算帳足夠經濟的。這種全鏈條總包的角色相當於所有商業化的虧損 Nikola 來背負,這些燒的錢又是其通過資本市場融資來支撐的,因此其號稱是卡車屆的Tesla。這個模式也非常具有美國特色,其實與國中國方政府大金額投資車企很類似,如合肥投資蔚來。

現在看,國內基本沒有公司能做到 Nikola 這樣。燃料電池的推動主要是電堆廠,主機廠只是一個代工方,但是國內燃料電池廠除了技術外,其他能力都較弱。雖然 Nikola 做的事看似簡單其實很難,需要會技術研發、整車集成、開發終端客戶、修加氫站。

2. 兩者上游設備的投資機會
鋰電池上游材料的集中性比較高。設備廠分前中後 3 段,各佔 433 的比例。

前段設備集中度非常高,比如塗佈機基本上在前端佔 75% ,國產化率非常高,核心的塗佈用的頭要做到 0.3 的精度,基本上就 LG 能做到,部分核心零組件還是要進口,但是整體產業鏈已經國產化,可以較好的配合電池廠進行研發,這部分更新較慢基本要 6 年。

中段設備是組裝機,這是現在電池生產效率的主要瓶頸,也是升級最快的部分,中國國內基本 4 年全換。之前組裝技術分成圓柱形的捲繞和方形的疊片,下一代的熱複合堆疊技術其實可以海放這 2 種,不但增加電池的循環使用壽命和能量密度,效率更高所以還降低成本。但一直礙於 LG 的專利沒法普及,好消息是專利 2020 年 2 月已到期,比亞迪推出的刀片電池就是基於這種技術。

後段是化成分容。鋰電池做出來後,裡面的化學材料需要經過一次充放電才能使材料形成鈍化,需要有充電放電的設備,這個設備也會檢測電壓一致性,用一致性高的電池裝車。這個地方也有一些公司做,就不具體說了,我們認為中端會有比較好的自研和提升的空間,不會像其他兩個環節會有一些卡脖子的核心路線。

氫燃料電池的設備可以看下哪些環節是降低成本的關鍵。按 DOE 的估算,要降低成本的幾個著手點在於:空氣壓縮機,雙極板、整個系統設計和集成、空氣加濕器、低鉑或無鉑技術等。燃料電池每個環節比較分散,且國產化程度還很低,基本上都還在國外。

最後share一個有意思的資訊:特斯拉(TSLA-US)挖的人主要是博世和 SAFT,以前做燃料電池和氫氟酸電池。

虎嗅網》授權轉載

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