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鋰電和氫能,誰是未來能源之王

發(fā)布者: 奧卡斯   /     2021-05-08   /     3069   /  

  雖然鋰電池和燃料電池是不同的技術(shù)路徑,但它們都實(shí)現(xiàn)了碳中和的主流能源方案,可以一起比較。誰能從兩個(gè)角度評價(jià)終極能源,一是能源利用效率,二是能源密度。前者決定成本優(yōu)勢,后者決定應(yīng)用場景的廣泛性。

  第一,能源利用效率和能量密度的差異。

  一是能源利用效率。

  鋰電池和燃料電池都是用電的,但是鋰電池是直接用電的,氫需要通過電轉(zhuǎn)化,所以氫作為二次能源,能量利用效率肯定很低。如下圖所示,氫燃料電池系統(tǒng)(左)遠(yuǎn)低于鋰電池,這也是馬斯克diss氫能的點(diǎn)。

  以上結(jié)論的前提是未來的電力來自太陽能和風(fēng)力等綠色電力,從新能源普及的角度來看,結(jié)論并不完全相同。

  能源一直是各種并存結(jié)構(gòu)(如下圖所示的各種曲線)。新能源的比例從1%到10%需要50年使用45年,可再生能源在13年內(nèi)只增長5%。

  若仍以化石能源發(fā)電為主,燃料電車與電動汽車的綜合能效其實(shí)差不多,甚至燃料電池也更高。

  二是能量密度。

  就能量密度而言,鋰電池和氫氣完全不是一個(gè)量級,相差超過100倍,這是氫氣的優(yōu)點(diǎn)。就能量保存期而言,電池的電量損失是按日計(jì)算的,氫能是按季度、月計(jì)算的??偟膩碚f,氫能的應(yīng)用場景要比鋰電池多得多。

  通過對轉(zhuǎn)換效率和能量密度的比較,兩者的應(yīng)用場景更加清晰。

  氫能與鋰電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

  一、新能源發(fā)展的動力。

  氫能發(fā)展階段與鋰電池非常相似,2017年燃料電池與2012年鋰電池、2002年光伏、1994年風(fēng)能相同。

  但是新能源的驅(qū)動力很大程度上來自于國家政策的推動,光伏是在歐洲政策的推動下慢慢做起來的,鋰電池在中國和歐盟都是由電動汽車驅(qū)動的。到2020年,歐盟電動汽車的銷量將超過中國,占新車的10%。

  盡管燃料電池似乎比鋰電池晚了5年,但實(shí)際上國內(nèi)外政策差很多,所以實(shí)際差距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5年。對氫能源的國家政策主要是10個(gè)城市和1000輛,主要原因是:

  第一,范圍更小:第一個(gè)試點(diǎn)城市準(zhǔn)備出來,基本上是北京、上海、廣州+河南、河北。第二,補(bǔ)貼更弱:只有170億,電動車?yán)塾?jì)國家補(bǔ)貼達(dá)到1206億(截至2020年5月),相差7倍。第三,時(shí)間更短:十城千輛政策為4年,年平均補(bǔ)貼42.5億,電動車10年,年平均120.6億,相差2.8倍。

  二是兩者發(fā)展基礎(chǔ)的差異。

  氫能與鋰電池行業(yè)所需的技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施有很大不同。在最早的玩具中,電池行業(yè)經(jīng)歷了鎳氫電池、手機(jī)三元電池、從手機(jī)到公共汽車、從低能量密度到高能量密度的乘用車,其技術(shù)發(fā)展和驗(yàn)證迭代是連續(xù)的。與此同時(shí),電動汽車沒有能源問題,一開始就有非常發(fā)達(dá)的電網(wǎng),只要鋪上充電樁就能獲得能源。

  實(shí)際上,燃料電池在這兩端并不占優(yōu)勢。無氫化基礎(chǔ)設(shè)施,無消費(fèi)應(yīng)用鋪墊,直接為車規(guī)級。盡管巴拉德的燃料電池在叉車上已經(jīng)完全可以商業(yè)化,但是市場太小了。所以需要從能源基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用場景兩方面進(jìn)行管理。

  就應(yīng)用而言,國內(nèi)是億華通在公共汽車上的第一步嘗試,其中一些安裝在商用車上。(下列數(shù)據(jù)備注:截至2019年4月,日本、美國和中國,歐洲數(shù)據(jù)中德國數(shù)據(jù)截至2019年7月)

  能源方面,氫在整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)中非常豐富,包括工業(yè)副產(chǎn)氫、煤制氫和天然氣制氫,足以支持早期的氫能供應(yīng)。主要缺少的是加注網(wǎng)絡(luò),很可能通過天然氣的發(fā)展來彌補(bǔ)。首先,天然氣在商用車上的運(yùn)營成本比柴油車低20%到30%。現(xiàn)在大量的商用車都在變成天然氣,需要修建天然氣加氣站。如果變成天然氣站,預(yù)留一些設(shè)備,變成加氫站會容易很多。

  第三,應(yīng)用市場和車用市場。

  一、應(yīng)用市場對比:汽車使用。

  以下是整體碳排放,交通占10%以上,供電占44%以上。

  事實(shí)上,乘用車在交通運(yùn)輸中只占20%的排放量,最大的部分實(shí)際上占商用車的77%。

  為何鋰電池不適合商用汽車使用?舉例來說,model3電池的重量大約是800公斤,而低配版的續(xù)航時(shí)間大約是450公里,實(shí)際上應(yīng)該是400公里。就拿最近一家主機(jī)廠狂推的一輛電動商用車來說,2.5t電池的續(xù)航時(shí)間是190km,以9.6m為例,19t的總重量減去7t的自重,以及12t的載重,但這種續(xù)航時(shí)間只有190km,如果想要達(dá)到500km(基本門檻),至少需要3t電池,這也意味著少裝3t貨,成本完全無法計(jì)算。

  如今大家都提出了解決辦法,沿途換電站,我們認(rèn)為換電站的基礎(chǔ)設(shè)施和加油站很相似,要有企業(yè)巨頭去做,還是很困難的。因此電池商用車基本不實(shí)用。

  鋰電大約220wh/kg的能量密度,只有做到半固態(tài)電池,固態(tài)電池才能做到500wh/kg,能量密度加倍后,純電重卡才有使用價(jià)值,5年內(nèi)看不到可能。

  從能源成本(充電/氫)來看,氫燃料車的100公里能源成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電車。目前終端氫價(jià)格在60元/公斤左右,鋰電池平均900元/公斤左右。根據(jù)DOE,當(dāng)氫降至30元/公斤時(shí),鋰電池降至700元/公斤可以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)燃油車的平價(jià)。顯然,鋰電池只差20%,而氫差50%。

  2.汽車市場的發(fā)展路徑不同。

  對所有汽車主機(jī)廠來說,新能源技術(shù)是鋰電池和氫燃料兩條技術(shù)路線,都是非常昂貴的,沒有人能在兩個(gè)方向繼續(xù)投資。所以要根據(jù)市場的不同進(jìn)行有針對性的研發(fā)。

  20年前,歐洲汽車公司開始布局氫燃料電池,奔馳+福特+日產(chǎn)在加拿大合資企業(yè)開發(fā)燃料電池。德國汽車公司一直在用柴油路線清洗能源,達(dá)到歐盟標(biāo)準(zhǔn)。加氫站的缺乏使得燃料電池的應(yīng)用從未落地。

  排放門事件發(fā)生后,歐洲主機(jī)廠有一個(gè)技術(shù)斷檔,開始快速轉(zhuǎn)向電動車。公眾最積極,因?yàn)楣娫谛履茉春腿剂想姵胤矫娴姆e累不夠。奔馳也放棄了在乘用車上使用氫燃料電池的技術(shù)路線。然而,戴姆勒和沃爾沃也合資開發(fā)了氫燃料電池。

  而美國則完全走電動汽車路線,整個(gè)美國能源網(wǎng)絡(luò)非常市場化。政府只給購車補(bǔ)貼,沒有補(bǔ)貼建加氫站,氫能很難發(fā)展。

  中國的電網(wǎng)、發(fā)電、石油等企業(yè)都是國有企業(yè),上足夠大的國內(nèi)市場,可以支持鋰電池+氫能兩個(gè)方向的發(fā)展。因此,李克強(qiáng)總理于2018年前往日本考察后才開始進(jìn)入國內(nèi)氫市場。

  堅(jiān)持氫路的豐田和現(xiàn)代,日韓市場很小。其實(shí)豐田和現(xiàn)代可以看出美國是主要市場的主機(jī)廠。所以我們認(rèn)為商用車主要用氫能。

  應(yīng)用市場對比:儲存能源。

  從效率的角度

  利用鋰電池儲存能量:光伏發(fā)電的效率基本上是20%,再加上10%的損耗,就是18%的效率。

  PV發(fā)電后(18%)-電解槽電解水制氫(80%)-氫氣儲存-需要時(shí)再用氫氣燃料電池系統(tǒng)發(fā)電(60%),這是氫氣儲存的鏈條。計(jì)算16%*60%=9.6%的效率。

  就成本而言:

  目前鋰電池的度電費(fèi)用(每儲存一度電費(fèi)用),用于光伏或風(fēng)能,最好能做到四毛左右,梯次利用即汽車上使用的鋰電池淘汰后最大的兩種用途,一種是外賣小哥三輪車上使用的電池,另一種是鐵塔儲能,另一種是路燈。這類電池也差不多要200-300,基本上是兩毛多/kwh。

  為什麼將來的鋰電池要花兩毛多的錢?近幾年來,鋰電實(shí)際上降低了80%的成本,但儲能成本并非線性降低,鋰電池的規(guī)模越大,耗電量和成本就越高。反之,氫電池的規(guī)模越大,單罐越大,壓縮機(jī)越經(jīng)濟(jì)。從長遠(yuǎn)來看,燃料電池絕對是碾壓鋰電池。

  當(dāng)然也有市場孵化的問題。由于電網(wǎng)市場化,美國的電價(jià)大約是中國的8倍,所以美國消費(fèi)者有動力儲存和調(diào)節(jié)波峰谷。但是中國不一樣。零售價(jià)幾毛,商業(yè)價(jià)一元多,所以中國的儲能不會發(fā)生個(gè)人。其實(shí)中國的儲能會更多的放在發(fā)電端,中國的儲能設(shè)備會更大更集中??错n日走的技術(shù)路線,就在發(fā)電端,包括熱電站的廢熱。

  二者的投資邏輯。

  鋰電池產(chǎn)量大,新車年銷量2000萬輛,產(chǎn)業(yè)鏈上每個(gè)公司都足夠大,所以龍頭公司規(guī)模大,技術(shù)強(qiáng),可以形成強(qiáng)大的馬太效應(yīng)。因此,鋰電池行業(yè)的發(fā)展規(guī)律非常適合參考太陽能電池板。中國最大的單晶硅隆基董事長說了兩點(diǎn):

  賭博理論值轉(zhuǎn)化效率最高的技術(shù)路線,所以他選擇了單晶硅,單晶硅當(dāng)年的轉(zhuǎn)化效率其實(shí)遠(yuǎn)不如多晶硅。技術(shù)不領(lǐng)先,不盲目擴(kuò)大生產(chǎn),因?yàn)槿繑U(kuò)大生產(chǎn)+技術(shù)升級的舊生產(chǎn)能力很快被淘汰。

  在技術(shù)路線上,鋰電池未來技術(shù)的固體電池也有很多方向,短期改進(jìn)也有很多技術(shù)方向,如下圖所示。

  黃三元的技術(shù)路線是高鎳,如普通ncm811,現(xiàn)在又開始做無鈷,這兩條技術(shù)路線的瓶頸都在280以內(nèi),下一步突破必須在正極材料上做4元或新三元。紅磷酸鐵鋰的理論價(jià)值很低,因?yàn)槌杀竞苡袃?yōu)勢,適合短距離低端車型,等到三、五年后高能密度電池價(jià)格下跌后,才會對磷酸鐵鋰產(chǎn)生競爭壓力。

  在擴(kuò)大生產(chǎn)方面,電池行業(yè)將投入大量固定資產(chǎn)。基本上國產(chǎn)設(shè)備投資1GWH需要1.5億元,進(jìn)口需要2~2.5億元?,F(xiàn)在看到每個(gè)家庭的計(jì)劃至少要在3年內(nèi)投資150-200億元。

  大量固定資產(chǎn)的問題是,這條生產(chǎn)線能使用多長時(shí)間?比如以前的太陽能板都是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,新一代設(shè)備出來之后,舊設(shè)備就被淘汰了。汽車級鋰電池也是如此,如果不升級設(shè)備,成本就沒有任何優(yōu)勢,整條生產(chǎn)線將成為一個(gè)巨大的負(fù)擔(dān),折舊原本預(yù)計(jì)為十年,但可能在三年內(nèi)被廢棄。

  特別是在10年內(nèi)技術(shù)不斷發(fā)展,銷售價(jià)格不斷下降的情況下,能夠自主開發(fā)設(shè)備的以大大延長設(shè)備的使用時(shí)間,改進(jìn)工藝和材料后,可以再去技改生產(chǎn)線,寧德和比亞迪都與上游設(shè)備廠有很大的深合作進(jìn)行技術(shù)改造。

  包括中航鋰電池和蜂巢(蜂巢是長城汽車下的動力電池事業(yè)部獨(dú)立的公司),都做了很多改造。這些公司還可以玩下半場。一些上市公司投資資源和技術(shù)儲備不足,兩三年內(nèi)可能會被淘汰,所以鋰電池要買龍頭。

  燃料電池和電池的邏輯完全不同。燃料電池更像燃?xì)夤┡袠I(yè),典型的公司,比如新奧燃?xì)?。通過不斷做項(xiàng)目,積累現(xiàn)金流,然后投資新項(xiàng)目,購買新項(xiàng)目滾動。畢竟整輛卡車的數(shù)量只有3600萬,而不是乘用車的2.4億。單靠一個(gè)環(huán)節(jié)很難養(yǎng)活公司。

  為什么要有這個(gè)模式?氫能有一個(gè)死谷。在規(guī)模達(dá)不到一定數(shù)量之前,整個(gè)商業(yè)鏈都會虧損,現(xiàn)金流總是負(fù)的。這個(gè)過程會有多痛苦?美國能源署DOE估計(jì)年產(chǎn)量10萬,可以實(shí)現(xiàn)與電車的平價(jià),中國現(xiàn)在只有1000多輛/年。因?yàn)樗拦纫繃已a(bǔ)貼,國家補(bǔ)貼有針對性,加氫站不可能大規(guī)模建設(shè)。

  所以我們判斷:未來氫燃料電池公司要想活下來,還必須是一個(gè)個(gè)地方拿項(xiàng)目,建加氫站+裝車。并且如果經(jīng)營沒有問題,一家公司拿了一個(gè)地方,其他家庭就不太可能拿到。也就是說,未來4~10年的補(bǔ)貼將被占用,所以氫燃料電池的發(fā)展模式與燃?xì)夤┡痉浅O嗨啤?/p>

  舉例來說,美國氫燃料電池重卡公司Nikola,其模式是客戶買車后不用管加氫,公司與合作伙伴修理加氫站,同時(shí)與物流公司合作(汽車也可租賃),在物流公司兩端的倉庫設(shè)置加氫站,確保每條線路都能跑下來,客戶算賬足夠經(jīng)濟(jì)。

  這一全鏈總包的作用相當(dāng)于Nikola的所有商業(yè)虧損,這些燒掉的錢都是由資本市場融資支撐的,所以它被稱為卡車行業(yè)的Tesla。這一模式也很有美國特色,實(shí)際上與國內(nèi)地方政府大量投資汽車企業(yè)非常相似,比如合肥投資蔚來。

  目前國內(nèi)基本沒有公司能做到耐克。燃料電池的推廣主要是電堆廠,主機(jī)廠只是代工廠,但是國內(nèi)燃料電池廠除了技術(shù),其他能力都比較弱。耐克做的雖然看似簡單,但實(shí)際上很難,需要技術(shù)研發(fā)、整車集成、終端客戶開發(fā)、加氫站維修。

  二、兩種上游設(shè)備的投資機(jī)會。

  鋰電上游材料集中度較高。設(shè)備廠分為前、中、后三個(gè)階段,各占433。

  前面的設(shè)備集中度很高,比如涂布機(jī)基本上在前端占75%,國產(chǎn)化率很高,核心涂布用的頭要達(dá)到0.3的精度,基本上就LG能做到,部分核心部件還是要進(jìn)口的,但整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)國產(chǎn)化,可以更好的配合電池廠進(jìn)行研發(fā),這部分更新緩慢基本上需要6年。

  中段設(shè)備是裝配機(jī),是電池生產(chǎn)效率的主要瓶頸,也是升級最快的部分。國內(nèi)基本4年全換。以前的裝配技術(shù)分為圓柱形卷繞和方形疊片。下一代熱復(fù)合堆疊技術(shù)實(shí)際上可以提升這兩種,不僅增加了電池的循環(huán)使用壽命和能量密度,而且降低了效率,降低了成本。但是由于LG的專利無法普及,好消息是2020年2月專利到期,比亞迪立即推出的刀片電池就是基于這種技術(shù)。

  后面是化學(xué)成分容量。鋰電池制作完成后,內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)需要經(jīng)過一次充放電才能使材料形成鈍化,需要有充放電設(shè)備,該設(shè)備還可以檢測電壓的一致性,用高一致性的電池裝車。這地方也有一些公司做,就不具體說了,我們認(rèn)為中端會有更好的自我研究和提升空間,不會像其他兩個(gè)環(huán)節(jié)那樣有一些卡脖子的核心路線。

  氫燃料電池的設(shè)備可以看到哪些環(huán)節(jié)是降低成本的關(guān)鍵。根據(jù)DOE的估計(jì),降低成本的幾個(gè)要點(diǎn)是:空氣壓縮機(jī)、雙極板、整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和集成、空氣加濕器、低鉑或無鉑技術(shù)等。燃料電池的每個(gè)環(huán)節(jié)都比較分散,國產(chǎn)化程度也很低,基本上還在國外。

  不管是鋰電池和氫能,在未來無人操作純電載具都是最有希望的發(fā)展方向,而無人操作對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交換需求將會非常大,就網(wǎng)絡(luò)設(shè)備而言,奧卡斯科技擁有一條線延續(xù)(從網(wǎng)線到光纜到數(shù)據(jù)中心),在國內(nèi)建立了一條龍的營銷和售后服務(wù)運(yùn)營體系。奧卡斯通過了ISO9001(2008)質(zhì)量管理體系認(rèn)證。開發(fā)了6種以上系統(tǒng)的UTPCat.6A屏蔽布線系統(tǒng),滿足大數(shù)據(jù)中心的需求,同時(shí)通過了多個(gè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量檢驗(yàn)認(rèn)證,在美國、歐洲、馬來西亞、瑞士、德國、中東、南非等國家設(shè)立了自主品牌的聯(lián)絡(luò)處和銷售處,在30多個(gè)國家和地區(qū)提供了OEM服務(wù),提供了全球化的產(chǎn)品服務(wù)。

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