21世纪“终极能源”：日本赌输了，但赌对了

去年，全球新能源领域经历了一场巨大的动荡。

日本汽车巨头日产首先在年初宣布，暂停与戴姆勒及福特合作开发燃料电池车的计划，将力量集中于发展电动汽车;

(资料图)

年中7月，另一家巨头本田汽车也宣布，终止以氢气为燃料的氢燃料电池汽车的生产;

最震撼的事发生在年前最后几周：全球氢能源汽车“头号推手”、20多年来一直押宝氢能源的丰田，也“背刺”了氢能源路线。

曾经在2020年12月炮轰“纯电动车被过度炒作”的丰田章男，1年后来了个180度大转身，在发布会上毫无预兆地公布了丰田的电动车转型计划

——一口气发布了16款电动车，并宣布未来10年要投入350亿美金用于相关的研发和设备投资。

媒体纷纷高呼，日本押注氢能的“国运之战”已经全面失败!

而作为氢能源路线最坚定的拥护者，也是探索的急先锋，日本的剧变，在很多人看来意味着氢能路线的失败。

然而，事实并非如此。

近年来，不计其数的科学家和汗牛充栋的研究文献越发确定，人类社会工业化带来的巨量温室气体排放，是气候变化的罪魁祸首，也是人类社会未来的最大威胁。

从《联合国气候变化框架公约》，到《京都议定书》，再到《巴黎协定》，在联合国这个全球框架的协调和约定下，控制气候变化已经确认为人类社会的共同目标，低碳减排正从上到下，逐渐成为全球事务的基础价值观之一。

对于全人类，这是命运的转折点。

对于国家而言，谁能在碳中和上做得更好，不仅在具体事务上有了更大的话事权，对于国际声望的提升也意义非凡。

而就个人而言，宏大叙事的影响或许一时半会还传递不到自己身上，但在接下来无论是社会舆论还是经济活动上，都会逐渐感受到其影响。

因此，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，”第七十五届联合国大会上，我国领导人斩钉截铁的承诺落下，打响了“双碳”战略的发令枪。

“双碳”的第一枪，打的是化石能源。

顾名思义，化石能源来自于古生物化石沉积。地球上的生物都是碳基生物，它们的化石也都是含碳的。化石能源燃烧过程中，里面的碳不可避免地会释放出来，就成了碳排放。

国际碳行动伙伴组织统计数据显示，2020年我国碳排放中，来自能源领域的碳排放占比高达77%，其余的不到四分之一来自工业过程碳排放、农业碳排放及废弃物碳排放。实现碳达峰、碳中和，能源领域的变革势在必行。

能源转型的过程，实质上就是摆脱化石能源的过程。

但是对于怎么摆脱化石能源，一直存在争议。其中最典型的，就是氢能和电能的“路线之争”。

实际上说二者是路线之争并不贴切，因为氢能实际上并不完全脱离电能而存在。论来源，绿色氢气的制备需要电能，论使用，氢能最后也要转化为电能，二者并不排斥。

然而，大众为什么会产生二者对立的误解，甚至认为“氢能被电能击败”了呢?

首先，二者确实在部分环节存在差异，这点放在后面细说。

其次，从现实来看，在汽车这个新能源产业里大众关注度最高的领域，以日本为代表的氢能源汽车路线和其他国家的电动路线发生了对立，使得大众加剧了误解。

在新能源时代，电的地位是毋庸置疑的。电能可以方便地充当不同能源转化的媒介，使用普遍。

与此同时，电本身还是信息的载体，以电流和电磁波为基础的通讯系统，是全球民众日常生活不可或缺的一部分。

更重要的是，人类自从发现电磁之间互相转换的关系之后，沿着这个科技发展路线已经走了很远，形成了依赖于电磁技术的科技树和庞大工业集群。

现在所有国家都将使用核能、光伏等清洁能源发电，作为能源转型的主流路线。

但是，电能并非是各方各面各个环节完美无缺的。

电能的最大缺点在于，电不能储存。电本质上是一种正负电荷间存在电位差而形成的一种势能，如果不能即时使用，不仅只能浪费，还会对电网产生冲击。

因此，电能的生产、输配和使用必须保持动态平衡。如果电能供需出现不平衡，需要由控制设备及时调节发电机的出力，以维持电能的供需平衡。

在过去，这个问题相对好解决。燃烧化石能源的火力发电，无论是烧煤、烧油或是烧气，调节发电功率相对灵活，而且还有更灵活的水力发电作为补充。

但在新能源时代，问题出现了。在主流新能源发电方案中，由于风的间歇性的特点，风力发电输出的电能也具有间歇性;

阳光与气候、季节、区域强烈相关，甚至一日内的变化也极度明显，导致光伏发电具有极强的随机性。这些电接入后便会对电网产生冲击，带来潜在不安全因素。

水电虽然稳定，但周期长，对地理条件要求高，不可能无限制扩张，甚至有可能对地质环境有影响。

因此在新能源时代，如何把电能转换成其他能源形式储存起来，成为了新的问题。而这个问题，就是纯电和氢能“路线之争”的实质。

按照直观的认知，电池作为人类发展最久，原理最明白，产业链最完备的储能项目，将其延伸下去就好了啊?

想法很好，但是没有那么简单。

首先，电池的能量密度太小了。

目前国内主流的磷酸铁锂电池，能量密度在150Wh/kg左右，三元锂电池则达到200Wh/kg，而特斯拉Model 3使用的2170锂电池能量密度可达300Wh/kg，但也仅仅为汽油能量密度的1/40。

从物质特性和产业发展规律来看，电池能量密度在未来或许还有增长空间，但取得突破性进展——比如提升一个数量级，追上传统化石燃料，可能性不大。

在需要高能量密度的使用场景下，使用电能完全取代现有的化石燃料存在瓶颈，因而需要另外的方案作为补充。

更重要的一点，是资源问题。从长远来看，使用基于锂离子电池的储能方案，会面临锂资源不足的困局。

诺贝尔化学奖得主、“锂电池之父”惠廷厄姆也在去年未来能源发展论坛上向全世界发出了警告：“5到10年之后，目前用于生产锂离子电池的原材料就会被消耗殆尽。”

对于中国来说，锂资源还有一重隐患。

2020年全球锂资源地区分布相当不均，中国只占7%，智利和澳大利亚锂资源最为丰富，锂资源储量分别为920万吨和470万吨锂金属当量，合计占到全球的66%。

这些锂资源的使用受制于其他国家，极端情况下还有被切断的风险，极大威胁着国家能源安全。

事实上，这2年国内已经感受到了锂资源带来的震荡。

2020年下半年起，国内新能源汽车销售火爆，带动锂需求激增，然而此前锂价低迷，矿山纷纷减产停产，一时间拿不出这么多产量。于是在一夜间，全球碳酸锂市场从供过于求变成了严重的供不应求。

从2021年以来，碳酸锂价格走出了一波疯狂的上涨行情。国内碳酸锂现货市场报价从年初的5万/吨左右，涨到了年末的超过25万元/吨，仅1年时间就涨了约4倍。今年以来，碳酸锂继续上涨，目前已经突破50万元/吨关口。

这种情况传递到下游，近几年电动汽车市场的多次集体涨价，已经让消费者苦不堪言。

这正是氢能的机会所在。

从很多方面看，氢气是绝佳的低碳乃至零碳能源方案，亦或者说，是人类的“终极能源”。

第一也是最重要的原因是，氢气很多。氢是世界上最多的元素，氢气来源极其广泛并且是可再生资源。如果能用氢气作为“燃料”，那人类将彻底摆脱对能源的焦虑。

其次，从理论上来说，氢气的制备和使用过程是可以完全脱碳的。只需要朝水中通电，就能发生2H20→2H2+O2的反应，产生氢气和氧气，没有化石能源参与，也不会产生碳。

而在使用时，以最常见的质子交换膜燃料电池来看，氢气进入电池负极后，在催化剂的作用下分解成氢离子和电子2H2 → 4H+ +4e-。氢离子穿过薄膜，同时电子经过外部电路到达阴极，氢离子、电子和氧原子在催化剂作用下反应成水分子O2+4e-+4H+=2H2O。

这个过程的总反应就是2H2+O2 → 2H2O，反应结果也只有水，不产生任何碳排放。

第三，能量密度大。如果以质量能量密度比较，氢气高达39000Wh/kg，比汽油的12000Wh/kg高出2倍有多，可以在任何场景提供澎湃充足的能量。只要几公斤的氢气，就足以支持一辆汽车行驶数百公里。

固然，氢能目前存在技术不成熟，产业链不完备，各环节成本高企等问题，但从大趋势看，氢能是未来能源的不二之选。

从学术圈到产业界，不少人都认为，“氢能是21世纪的终极能源”。

可能看多了对新能源汽车产业竞争的演义化解读，很多人有着“纯电路线压倒氢能源”的印象，但在国家看来，事实相反

——纯电动汽车产业成熟，正是氢能源产业发展的起点。

以政策为基准，国家对于纯电动汽车产业分为3个阶段：

2009-2012年，产业尚不成熟，需要大量的补贴和扶持政策;

2013-2015年，产业格局雏形初现，形成一定规模，补贴开始小幅度退坡;

2016至今，产业爆发已成定局，补贴大幅退坡，门槛大幅提高，引导产业升级。

随着纯电动汽车产业步入成熟升级阶段，也是在2016年，国家首次提出氢能发展路线图，将“氢能和燃料电池技术创新”列为重点任务。

2019年，氢能首次写进《政府工作报告》。此后，从国家到地方，关于支持和规范氢能产业发展的政策密集出台。

今年初，国内氢能产业迎来一项重大利好。

3月23日，国家发改委、国家能源局联合重磅印发《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》，使得国内氢能产业第一次有了顶层设计。同时，这份文件规格和内容超出预期，使氢能产业发展有了更明确的方向和节奏。

对此，国际能源署在《2021年全球氢能评论》中指出：“利用氢能对可再生能源系统的潜在贡献的时机已经成熟;氢能的使用范围将被扩大;各国政府需要扩大雄心壮志扩大对氢能的需求;而低碳氢在未来10年会变得更有竞争力。”

转头看同一时间日本氢能产业的变故，他们实际上并没有赌错技术路线，只是步子迈大了伤了身体，过早押注了过于超前的技术，却没有国力参与后续竞争。赌输了，却也赌对了。

前瞻经济学人APP 产业观察组

更多行业研究分析详见：

[1]《2022-2027年中国氢能源行业深度调研与投资战略规划分析报告》，前瞻产业研究院

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参考资料：

[1]《国际能源署发布《2021年全球氢能评论》提出五大建议》，国际能源网

[2]《碳酸锂“向上飙” 新能源车“往哪走”?》，电池中国网

[3]《锂电池的原料会在近年内耗尽?》，中国粉体网