21世纪的终极能源——氢能产业梳理分析
“碳达峰、碳中和”的横空出世，燃爆了光伏发电产业链，推动了锂电池产业大跃进，打响了储能产业进击战，催生了氢能发展新潮流。目前来看，光伏发电和锂电池产业已经发展较为成熟，我国相关产业也都处于全球领先地位，涌现出了宁德时代、比亚迪、隆基股份、阳光能源等一大批全球龙头企业；储能产业受新能源发展后平滑波动需求和锂电池技术不断进步的双重刺激，受到市场的高度关注，成为了前一阶段最热门的投资赛道。反观氢能产业，虽然有21世纪终极能源的美誉，但总体还处于培育期和探索期，尚未形成一定的体量，核心技术也不够成熟。但在新能源逐步替代化石能源的大进程中，氢能具有自身独特的优势，也必然会起到举足轻重的作用，产业的发展空间也非常广阔。根据国际氢能委员会预计，到 2050 年，氢能将承担全球 18%的能源终端需求，创造超过 2.5 万亿美元的市场价值，燃料电池汽车将占据全球车辆的 20%-25%，届时将成为与汽油、柴油并列的终端能源体系消费主体。而根据中国氢能联盟预计，2050 年氢能在中国终端能源体系中占比至少达到 10%，氢气需求量接近 6000 万吨，其中交通运输领域用氢 2458万吨，约占该领域用能比例 19%，燃料电池车产量达到 520 万辆/年。
那么，什么是氢能？首先，我们需要区分一个概念，一次能源和二次能源。一次能源是指天然能源，即大自然中本身存在的能源，包括煤炭、石油、天然气等；二次能源是指一次能源经过加工后形成的能源形态，如煤炭加工形成的焦炭、石油加工形成的汽油和柴油、煤炭发电形成的电能等，是我们日常生活中更容易接触和使用的能源。氢能是典型的二次能源，需要通过各种途径，从一次能源转化而来。根据转化方式的不同，氢能又分为灰氢、蓝氢和绿氢。其中，灰氢是以煤炭等化石能源为原料提取的氢气；蓝氢是以煤炭等化石能源为原料提取氢气，但会辅之于碳捕捉、储存等技术，实现更为低碳的制氢；绿氢则是以光伏、风电风清洁能源为原料，通过电解水提取氢气，可以称之为零碳氢气。从目前我国的市场规模来看，灰氢占据了绝大部分市场，其中煤制氢占比达62%，天然气制氢达19%，电解水制氢只占1%，工业副产制氢占18%。可见，目前氢能并不属于清洁能源，而更多的是通过消耗大量化石能源、产生大量二氧化碳而实现制氢，对能源的消耗和环境的污染并不低于直接用火电、汽油等能源，因此对于双碳目标实现的促进作用有限。要实现大规模运用，就必须大力发展蓝氢和绿氢，特别是绿氢。
从运用领域来看，目前的氢能利用以原料为主、燃料为辅，主要运用于原料工业领域，其中生产合成氨用氢占比37%，甲醇用氢占比19%，炼油用氢10%，直接燃烧占比15%，其他用途占比19%。可以说，目前的氢能更多的是作为化学品的中间产品，用在氢燃料汽车、储能等新兴领域的体量非常小。
氢能作为一种未来重要的清洁能源，本质其实是一种更高密度的电能存储介质，核心优势在于能量密度高，能量转换效率目前约在50%-60%，能量密度远高于以能量密度相对较高而被高端电动车广泛使用的三元锂电池，非常适用于大栽重、长距离的商用车场景，假设在车辆总质量49吨、续航800公里需求下，三元锂电需要装载约3立方米体积、11吨重的3000kwh电池，充电时间更是会长达数十个小时，而氢燃料电池只需2立方米，有效载重可提升50%以上，加注时长接近于传统加油。
那么，当前发展氢能尤其是绿氢，主要有哪些问题和障碍呢？一是氢储运难度大、成本高，运输过程耗损多，对储运设备的要求高。特别是制氢所需的火电或新能源一般分布在西部和北方为主，而未来用氢更多的是在东部和南方，氢能的储运是卡脖子的重要一环，而目前尚未出现性价比高、技术成熟的储运技术，制约了氢能的进一步发展；二是制氢成本高。目前中国的氢主要来自炼焦的工业副产氢，每年仅800万吨，未来最可行的大规模制氢方式，是通过光伏发电后电解水制氢，才能满足双碳目标达成的需求，但目前通过光伏发电后电解水制氢的成本相对较高，与直接使用汽油或锂电池相比，还不具备性价比。三是氢燃料电池和氢燃料电池汽车的技术还不够成熟，氢燃料电池单电堆功率何时需做到240kw以上，才能在享受补贴后具备经济性。四是相关配套基础设施不健全，与锂电池产业链已经发展较为成熟相比，氢燃料电池的产业链还处于建设初期，包括储运设施、加气站等，距离形成成熟的市场还有很长的路要走。
但无论如何，氢能作为未来清洁能源的重要形式，成长道路虽然还很漫长，但发展空间非常广阔，值得长期跟踪研究和介入投资，其中最值得关注的细分赛道是电堆。从氢能源商用车的成本构成来看，燃料电池系统作为核心部件，在整车成本占比超过60%，而其中主要成本又在于电堆，电池电堆占电池系统成本超60%，在整车成本中占比近40%。进一步细分
电堆成本构成，膜电极和双极板分别占比77%和23%。因此，氢能行业市场爆发后，电堆及燃料电池系统厂商将成为最大赢家，占据产业链的关键环节。但令人遗憾的是，氢能源产业链的核心零部件技术国外处于显著的领先地位，国内厂家在部分零部件产业实现了一定突破。
1.电堆：目前国外可以单独供应车用燃料电池电堆的知名企业主要有加拿大的Ballard和Hydrogenics，欧洲和美国正在运营的燃料电池公交车绝大多数采用这两家公司的石墨板电堆产品。
2. 双极板材料：目前主要是石墨双极板和金属双极板，国内石墨双极板已基本实现国产化；金属双极板国内大部分公司还处于研发试制阶段，爱德曼公司在金属双极板方面实现了技术突破。
3. 膜电极：电堆的核心，类似于电脑里的CPU，决定了电堆性能、寿命和成本的上限。国产膜电极性能与国际水平接近，但专业特性上（例如铂载量、启停、冷启动、抗反极等）与国际水平还有一定差距。国内领先公司爱德曼自主研发工装模具、专用设备及专用生产线，已具备产业化生产能力。
4. 催化剂：是燃料电池的关键材料之一，直接决定成本高低。目前燃料电池中常用催化剂是Pt/C，国内有贵研铂业，武汉喜马拉雅，中科中创、苏州擎动动力、昆山桑莱特、爱德曼等公司生产，其中爱德曼已自主掌握膜电极制造工艺与催化剂浆料配方，具备极大灵活性与成本优势。