氢燃料电池的应用难点及加氢站的成本与收益分析

氢燃料电池的应用和前景

要说清楚氢燃料电池的应用和前景，咱们得看看它在各个环节都面临哪些困难。

一、制备成本高

首先，就是氢燃料的制备。

氢燃料电池车要想行驶，需要带一个储氢罐，这个储氢罐内的压力是700个大气压（70MPa）。这个气压已经很高了。比如，我们在医院常见的钢瓶装的高压氧气，也只有150个大气压左右。

而要加到如此高的高压，除了压缩机要特制之外，容器、接口、灌装方法也都是很特殊的。

即便今后氢燃料电池普及，这些硬件成本下降了，但压缩氢气时耗费的能源还是减少不了的。现在，压缩过程，也就是把氢气灌装到瓶子内，所需的电能已经是这罐氢燃料电池放电总能量的3%了。

二、运输难题

接下来就是运输。

对于煤炭和石油来说，运输都是采用传统方式，利用火车和专用运输车。对于天然气来说，主要是靠管道。氢气是否能用管道，有一个成本上的平衡点——一个加氢站，如果每日消耗超过10吨的氢，在供货距离超过200公里时，采用管道运输是最划算的。

但氢气管道的一次性建设费用特别高，比天然气管道每公里的价格贵1-2倍。而且更多时候，不是你不在乎钱就能建起来的，因为它涉及到沿途土地上的居民是否同意。

而加氢站每天卖出10吨的氢，也是一个很难达到的指标。一般来说，1公斤氢气可以提供100公里续航，10吨氢就相当于提供了100万公里续航。我们对比一下传统加油站。加油站大小不同，每天大概能卖出20吨-100吨的汽油。如果每8L汽油能提供100公里续航的话，加油站每天卖出的油提供的续航就是2.2万-11万公里。

这个比较是什么意思呢？其实就是说，一个加氢站即便在民众和政府都同意建设管道后，仅仅从成本上考虑，也要来这里加氢的车的数量达到一定规模，它使用管道运输才划算。而这个规模，大约是目前最繁忙的加油站的10倍，是一般加油站的50倍。

这是不可思议的。因为加氢需要的时间和加油的时间相差无几，要扩大加氢的规模就只能增加加氢的车位数。现在的加油站普遍有8个位置，而加氢站就需要有50-80个车位才可以在5年内实现收支平衡。

所以，对绝大部分加氢站来说，用管道加氢是不现实的。于是，只能采用传统运输方式，就是把氢罐子用货车拉来。

但用货车把氢罐拉来，又会出现一个矛盾。因为氢气实在太轻了，即便压缩到700个大气压的高压，也不是很沉。但为了承受这样的高压，装氢气的外壳就要非常耐折腾才行。比如，一辆车只拉了500公斤的氢，但实际上货物总重量可能会高达50吨。这种拉货效率，低得令人发指。马斯克说的愚蠢，指的就是这个环节——竟然为了其中1%的货物，让汽车在运输过程中浪费大量的能源。

有没有解决办法呢？

有，继续加压。从700个大气压加到3500个大气压，就能把拉货的效率提升到5%。

5%的效率，好像还是很低。如果我们液化呢？就是降温加压，让氢气变成液体，体积一下缩小几千分之一，不就能把拉货效率立刻提升到30%了吗？

但这样也不划算。因为刚刚我们说了，加压可是要付出真金白银的。加到700个大气压，加压用的电能就相当于这罐氢拥有总能量的3%。如果降温加压成液态的，耗费的能量大约会是这罐氢拥有的总能量的1/3。这件事实在太不划算了。

于是，即便不考虑氢的制备的问题，氢燃料电池在运输中也是矛盾重重。在氢燃料汽车启动阶段，一座拥有80个加氢位并且满负荷工作的站点，才会有运输成本上的优势，才可能赚到钱。但初期，怎么可能想象这样一座站点是满负荷的呢？

所以现在有人提出，如果有技术能让加氢站自己制氢、自己加压，这个问题兴许可以解决。

还有另外一种解决办法是从管道入手的——利用现有的天然气管道，在里面按20%的体积比掺入氢气。在这样的比例下，天然气的管道不会发生脆化，所以就不用大规模改造。现在，天然气管道已经铺设得很完备了，只要在输出口上增设一个装置，就可以对混合气体进行分离。

综合所有的方法看下来，以现有技术对比：最便宜的是用管道，每公斤氢的运输成本大约是1.2元，但是需要前期几亿的投资铺设管道。排在中间的是用长管运输车，以100公里为典型距离，每公斤氢的运输成本是5.6元。最贵的是把氢液化后运输，成本是13块钱每公斤。

所以，如果压缩氢气、制造氢气的成本没有突破式的降低，氢燃料规模化后必然选择管道运输。而再铺设一个规模和当前天然气管道相当的大基建工程，也只有在中国这样的地方才没有什么阻力。

加氢站的成本与收益

说完氢燃料的运输，最后就是加氢站了。

现在全球一共有大约500座加氢站，其中中国、美国、日本各有大约100座。虽然我们前面说，加氢站可以自己制氢，再配合外部供应来降低运输成本。但实际上，今天全球几乎所有的加氢站都没有设计自己制氢的功能。因为当前低成本制氢的技术还没有出现，所以它们只能靠外部车辆或者管道把氢运进来。

加氢站最主要的工作有两部分——灌装氢和存储氢，一个讲究效率，一个讲究安全。

有车来加氢了，为了减少加氢所消耗的时间，氢气要预先加载一定的压力。比如，氢罐里是700个大气压，那么直接加氢就需要1000个大气压。

但实际上，站内只有1/10的氢气处于这么高的压力，等待车辆进来迅速补氢，其余10%的氢气处于650个大气压，还有80%的处于400个大气压的低压，它们都是待命的。

这样设计的好处很多：

首先，不会出现加氢的车一多，站内压缩机同时以峰值功率工作的极端情况。

其次，就是省钱。对于绝大部分需要加到400个大气压的氢气来说，只用比较廉价的压缩机就可以完成这项工作。而且，由于大部分气体的压力保持在相对低压，漏气和设备损坏的概率也会低很多。要知道，压缩机占了一个加氢站成本的四成，所以能省就省。

建设一个日加氢500公斤的加氢站，设备和安装成本大约是800万元人民币，土地成本300万。如果运行十年，算上人工、设备折旧、运营管理，成本大约就是170万元每年。核算到每公斤氢气上，成本是14块钱。但是这里还没有加税呢，比如，今天汽油中大约会有40%的税和7%的利润。我们就按这个比例算，那么今后，真正售卖的价格大约是每公斤氢气30块钱。

每公斤氢气，大约支持一辆家用轿车行驶100公里。而加汽油行驶100公里的油钱，如果按百公里8个油算，就是44块钱，比加氢稍微贵一些。如果你的车特别省油，百公里6个油，也是33块钱100公里，还是比加氢贵一些。而且别忘了，现在是国际油价非常低的时候。

氢燃料电池VS锂电池

所以，别看氢燃料电池车离初步成熟还远得很，但它之所以能吸引那么多的投资者，是因为即便在各方面技术都有巨大优化空间的基础上算，它对实际消费者也仍然是有吸引力的。

一般来说，一个技术从初步可用到普及，成本下降为最初的1/10是很保守的比例。所以，如果单单看氢燃料电池，它好像是一种非常有希望的下一代能源。

但别忘了，对终端消费者来说，同级别吸引力的还有纯电动汽车。而且，从行驶耗能的成本上看，电动汽车的花费现在已经是燃油的1/10了。而现在，纯电动汽车的保有量依然没有达到汽车总保有量的1%。

一个新生事物是不是一股不可忽视的力量，5%的市场占有率是一个门槛。如果能迈过5%的门槛，那它未来至少是占领市场百分之三四十的命运。

其实，纯电动汽车和氢燃料电池车大约是在前后脚被市场和资本关注到的，它们从正式获得车型认证到今天，都经历了15年左右的时间。但现在，纯电动汽车已经是一个刚会走路的孩子了，而氢燃料电池汽车还是一个襁褓中的婴儿。

氢燃料电池车对比纯电动汽车无法胜出的本质原因是，氢燃料提供的能源和电能提供的能源都不是一次能源。

一次能源指的是，能源在自然界最初的形态，比如煤、石油、天然气、太阳能等。氢燃料提供的能源必须通过两次转化才可以，而电能虽然在今天大部分时候，也需要两次转化才能用到实际用电器上，但已经有部分电能可以只通过一次转换就到用电器了，而且就算是需要两次转换，它涉及到的理论和元件也都是成熟、可靠、高效的。在这方面，氢燃料的应用和电还相差很远。

当然，氢燃料电池的应用肯定不止于汽车，但汽车动力方面的应用是非常有代表性的。这个方面始终不能突破襁褓，就说明氢燃料电池的应用面很可能不在大众领域。也许氢燃料电池在某个专业领域会比传统方式更有优势，但那也要看它在制备、压缩、安全上有没有突破性的进展。

总之，氢燃料电池是可行的，但在起跑时远远落后于锂电池。要在这方面投资布局，光是基础设施就要花一大笔钱，很容易被忽悠出泡沫。