電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
2011年三月，東京的櫻花落地速度大概比每秒5厘米快了一點。
一場九級強震襲擊日本，隨后而來的海嘯對日本東北部地區造成毀滅性破壞，也包括其中的福島第一核電站。
受制于有限的陸地面積和自然資源，日本的能源安全一直備受關注。福島核電站事故讓日本的核電走向歷史的角落。日本開始滿世界地尋找比核能更安全、更清潔的能源。
福島核電站事故只是“最后一根稻草”。事實上，日本發展新型能源早已勢在必行。
一方面，日本人口密集、能源消費量大、資源匱乏、災難頻發，為保證能源安全，新型替代能源成為日本能源發展的唯一出路；
另一方面，包括日本在內的眾多發達國家都有減少碳排放的壓力。為應對全球氣候變化的加劇，日本又提出了2050年前CO2排放量比1990年減少80%的目標，促使新能源替代傳統能源是必然選擇。
基于眾多考量，日本把目光投向氫能。事實上，氫能源被譽為21世紀的“終極能源”，有望成為下一代的基礎能源。而燃料鋰離子電池，則是氫能最筆直的載體。
接下來我們將從日本能源發展歷史的角度來分解，為甚么氫能源最可能成為將來全球能源的主角。
日本氫能源的過去、今朝、未來
日本的能源發展戰略，遵循著能源發展的規律。自二戰結束年至今日本能源發展經歷了大致5個階段：
1973年，第一次石油危機爆發。日本強烈感受到能源安全對國家、經濟和社會生活的緊要性。同年，日本成立“氫能源協會”，以大學研究人員為中心開展氫能源技術研發，氫能源與燃料鋰離子電池的發展從此拉開了序幕。
氫能源發展歷程
1973年
成立“氫能源協會”，以大學研究人員為中心開展氫能源技術研發。
2008年
燃料鋰離子電池商業化協會（GCCJ）制定2015年向一般用戶推廣燃料鋰離子電池車計劃。
2013年
安倍政府推出的《日本再復興戰略》，把發展氫能源提升為國策，并啟動加氫站建設的前期工作。
2014年
內閣修訂《日本在復興戰略》，發出建設“氫能源社會”的呼吁。
第四次《能源基本計劃》，將氫能源定位為與電力和熱能并列的核心二次能源，提出建設“氫能源社會”。
公布《日本氫和燃料鋰離子電池戰略路線圖》
2015年
安倍政府在執行政方針演說中表達了實現“氫能社會”的決心，旨在持續建造燃料鋰離子電池加氫站之后，通過氫能發電站的商業運作來新增氫能流通量并降低價格。
NEDO出臺氫能源白皮書，將氫能源定位為國內發電的第三支柱。
數據來源：CNKI、國泰君安證券研究
1.制氫：零碳+低成本制氫是終極目標
依據日本氫能源發展戰略，日本計劃了兩種并行的制氫路線：一是海外進口廉價氫氣；二是國內可再生能源制氫。
日本國內資源稟賦較差，海外制氫成為日本氫燃料的緊要來源。
海外制氫的辦法緊要有以下兩種：
利用海外廉價褐煤制氫
利用可再生能源稟賦條件好，發電成本的低的國家電解水制氫。
執行海外制氫的首要目標就是建立國際供應鏈氫能供給體系。
2014年，川崎重工業公司計劃利用在澳大利亞沒有用武之地的褐煤提取氫氣，冷卻到零下253度，制成液態氫。再利用專用的輪船，像運輸LNG（液化天然氣）一樣運以前本。
為了向日本運輸氣態氫，該公司開發出了“SPERA氫”技術。通過利用甲苯吸附氫氣，實現了常溫常壓下的大量運輸。利用這一技術，氫就能夠像汽油一樣在常溫常壓下運輸，實現對現有設備的充足利用。
2018年四月十二日，日本川崎重工與澳大利亞政府達成一致，雙方將攜手開展一個價值5億澳元（約合3.88億美元）、為期4年的煤制氫試點項目。這是煤制氫技術從實驗走向市場的一次重大嘗試。其后，日本先后同新西蘭、文萊、挪威等開展氫能合作，日本海外制氫項目陸續落成。
另一方面，在國內可再生能源制氫方面，目前日本國內緊要的制氫辦法緊要有以下幾種：工業副產氫、化石燃料制氫、水電解制氫、生物質能制氫/高溫分析和光催化劑制氫等。
日本國內氫氣制造技術現狀
數據來源：日本氫能源白皮書，國泰君安證券研究
倘若考慮到環境、經濟、實用等方面，目前制氫仍多采用化石燃料重整制氫和工業副產氫等高碳排放技術。但考慮到CO2排放問題，將來將逐步推廣到可再生能源電解水、生物制氫、光催化劑等低碳技術。
鹽水電解是日本目前緊要的氫燃料來源
數據來源：氫能和燃料鋰離子電池、國泰君安證券研究
2018年八月九日，NEDO、東芝、東北電力和巖谷產業宣布在福島開始建立全球最大的可再生能源點解裝置（太陽能電解水制氫）——福島氫能源研究站（FH2R）。
2.氫能源的運輸和儲存是氫能源使用的關鍵
由于海外制氫成為日本獲取氫氣的緊要來源，優化長途運輸和長期儲存也就成了日本在儲運方面面對的緊要問題，氫供應鏈的成本結構是海外氫供應經濟的可行性的關鍵性因素。
關于長途儲運來說，氫氣通過壓縮、液化、有機氫化物吸附或者轉化為其他氣體（如NH3）和合成甲烷（CH4），不僅可以新增氣體密度、提高單位質量的熱氫值，而且也能夠提高氫氣的運輸效率、延長氣體的儲存時間，避免消散。
日本的海外氫能源儲運緊要有液化氫、有機物甲基環己烷和氫-氮結合運輸三種方式。
3種氫載體的特征
數據來源：CNKI、國泰君安證券研究
3.燃料鋰離子電池的使用：家用燃料鋰離子電池、燃料鋰離子電池汽車是構成氫能社會的基礎
日本的燃料鋰離子電池在商業化使用方面世界領先，緊要有家庭用燃料鋰離子電池熱電聯供應系統、業務用/產業用燃料鋰離子電池以及燃料鋰離子電池車。
在家用燃料鋰離子電池熱電聯供應系統方面，日本家用熱電聯產系統ENE-FARM通過天然氣重整制取氫氣，再將氫氣注入燃料鋰離子電池中發電，同時用發電時萌生的熱能來供應暖氣和熱水，整體能源效率可達90%。
依據日本氫能源戰略的基本計劃，家用燃料鋰離子電池系統市場銷售目標到2020年達到140萬臺，2030年達到530萬臺。
就業務用/產業用燃料鋰離子電池方面，業務用/產業用燃料鋰離子電池與家庭用燃料鋰離子電池工作原理相近，都是通過在燃料鋰離子電池中氫氣和氧氣發生化學反應來發電，不同的是業務用燃料鋰離子電池更多的是將城市煤氣作為燃料制取氫氣。
日本業用/產業用燃料鋰離子電池系統緊要供應商及產品性能
數據來源：國泰君安證券研究
說到燃料鋰離子電池汽車，豐田、本田在全球燃料鋰離子電池車市場占比最高，是全球燃料鋰離子電池車的緊要推動者。豐田推出世界第一代氫能源汽車“Miral”，本田推出燃料鋰離子電池車Clarity，性能較豐田第一代燃料鋰離子電池車有所提升。
豐田和本田燃料鋰離子電池汽車關鍵參數比較
數據來源：豐田官網、本田官網、國泰君安證券研究
作為世界燃料鋰離子電池車的領軍者，Miral成本已實現大幅下降。
豐田在2008最初立項開始，預計售價1億日元（約600萬元），直至2014年豐田Miral正式推出時，售價已經降至723.6萬日元（約43.5萬元），除去日本政府的補貼，消費者只需支付約521萬日元(約合人民幣31.3萬元)。
如此顯著的大幅降本，究其原由，可歸結為公司量產規模張大、混合動力系統大規模使用、系統簡化等促使FCV成本下降。
燃料鋰離子電池系統作為FCV的核心部件，在整車成本中占比最高，約63%，其成本的下降是燃料鋰離子電池車成本下降的關鍵。關于公司自身來說，降低燃料鋰離子電池車成本最行之有效的辦法就是技術研發推進和規模化效應。
豐田Miral的成本下降之路
數據來源：國泰君安證券研究
4.燃料鋰離子電池車的普及離不開加氫站的投資建設
加氫站是給燃料鋰離子電池汽車供應氫氣的燃氣站，作為給燃料鋰離子電池汽車供應氫氣的基礎設施。日本一直都以構建氫能社會為國家發展目標，其加氫站密度目前世界排名第一。
截至2017年底，日本公共加氫站數量為91座，依據日本氫能源基本戰略，2020年要達160個，2025年要達到320個，2030年要新增到900個，到2050年加注站的經濟效益將超過加油站，并逐步替代加油站。
日本緊要通過政府高額補助和公司聯合開發兩種方式來加快加氫站戰略布局。其中，在公司聯合開發方面，2018年三月六日，豐田汽車公司、日產汽車公司共11家公司，成立了旨在體系化建設氫燃料鋰離子電池車（下稱“FCEV”）加氫站的“日本加氫站網絡公司”（JHyM）。在氫能源基本戰略中被定位為“加氫建設的推動者”。
JHyM公司概要
數據來源：國泰君安證券研究
為了推進加氫站建設，各相關公司緊要職能如下：
基礎設施公司負擔加氫站的投資和建設成本，并接受JHyM委托的加氫站運營業務。
汽車公司通過JHyM向基礎設施公司委托加氫站運營業務，支持加氫站建設，并致力于張大FCEV普及。
加氫站運營模式
數據來源：豐田汽車、國泰君安證券研究
金融機構等通過向JHyM出資，在加氫站實現獨立運營之前籌集所需資金，減輕基礎設施公司的初期投資負擔，以此促使更多公司更加廣泛的參與加氫站業務，為張大旨在實現氫能源社會的融資機會做貢獻。
加氫站投資模式
數據來源：豐田汽車、國泰君安證券研究
氫燃料價格最終的目標是與汽油價格持平。目前日本，氫氣銷售價格中，加氫站的建設和經營成本占比最高，約占氫氣售價的62%左右，而剩余38%為氫氣的制造和儲運成本。
國內發展氫能源產業鏈具有必然性與可行性
1.氫能源發展的必然性
作為全球最大的能源消費國，我國資源稟賦相對較差，石油、天然氣等優質能源短缺，石油進口率67.4%，天然氣進口率39%，對外依存度較高。煤炭資源豐富，探明儲量世界排名第2位，但發展粗放，不利于將來的可繼續發展。同時，從我國的能源結構來看，我國過度依靠煤炭。
從長期來看，我們所面對的能源困境是不斷新增的能源消費，最終都會化作熱量擴散并且伴隨著溫室氣體CO2的萌生。氫作為能源載體具有零碳、高效、可儲能、使用場景豐富、安全可控等優點，促使我國能源轉型升級，可作為我國將來基礎能源。
2.氫能源發展的可行性
從供給來看，我國擁有豐富的氫能源基礎。
在制氫方面，我國是第一產氫大國，具有豐富的氫能源基礎，當前每年化廠副產氫氣超過300萬噸。
我國具有豐富的煤炭資源和可再生資源。通過可再生能源電解水制氫和煤炭制氫+CCS具有經濟可行性，完全可以支撐我國低成本氫能源的發展愿景。
與此同時，我國對氫能的需求巨大。在氫能源的利用方面，以交通運輸和儲能為主的使用場景潛在市場需求大。我國具有世界最大的新能源汽車產業基礎，同時氫能產業鏈長參與機會多，符合眾多傳統行業轉型升級之需求。
在政策層面，我國政府高度重視發展氫能源產業。2019年全國政協十三屆二次會議（兩會）首次將氫能寫入《政府工作報告》，與會代表提出健全行業標準，持續推進加氫站、燃料鋰離子電池汽車購置補貼的提議，將氫能產業鏈的發展提上了新的高度。
3.國內氫能戰略四步走
為推動國家氫能戰略的發展，我國制定了氫能發展四步走戰略：
數據來源：國泰君安證券研究
國家層面也保證2020年前補貼不退坡。
《2016-2020年新能源汽車推廣使用財政支持政策方針》指出燃料鋰離子電池汽車補貼不實施退坡。
目前就有北京、張家口、江蘇如皋、上海、廣東佛山、成都等多個城市相繼出臺氫能產業鏈發展規劃并推進地方補貼。例如《長三角氫走廊建設發展規劃》將圍繞“長三角氫經濟一體化”打造具備世界先進水平的氫能與燃料鋰離子電池汽車產業經濟帶。
國內各省市推進產業鏈發展目標與補貼政策
數據來源：國泰君安證券研究
氫能發展是包括汽車、能源（石化、煤炭、核能、電力）等眾多傳統產業轉型升級的理性選擇。
目前由國家能源集團牽頭，國家電網、東方電氣、航天科技、中船重工、寶武鋼鐵、我國中車、三峽集團、我國一汽、東風汽車、我國鋼研等多家央企參與的氫能產業聯盟已經正式成立。
國內公司在氫能相關產業鏈加速布局
數據來源：各公司通告、國泰君安證券研究
4.我國氫能發展將結合自身特色
日本結合燃料鋰離子電池熱電聯供系統推廣燃料鋰離子電池汽車的方式顯然不符合我國國情。
目前，我國已經探討了幾條適合國情的路線：
先商后乘路線：采用在公交車輛，專用工程車輛等商用車率先推廣燃料鋰離子電池，規模化成本降低后再在乘用車范疇推廣的路線。
一方面，商用車因為使用場景較乘用車輛聚集，行駛路徑單一，在制定區域進行制氫、儲氫、加氫完成度高，可操作性較強。另一方面，燃料鋰離子電池具備低溫運行，大功率動力做功的特性，符合商用車在特定范疇的需求。
當商用車規模化的推廣將帶動產業鏈的完善，為后期乘用車的推進奠定基礎。
燃料鋰離子電池（增程式）路徑的提出：針對當前國內小功率燃料鋰離子電池技術上難以滿足中型、重型車輛驅動，大功率燃料鋰離子電池成本過高的情況，采用燃料鋰離子電池用作鋰電池增程器的設計可以滿足驅動條件。
不同于乘用車輛，商用車輛較大的空間滿足同時布局兩種動力的條件，協同相比純電動車輛新增續航里程，又能夠彌補小功率燃料鋰離子電池動力不足的缺陷。
2019年有望成為氫產業商業化之元年。
雖然當前燃料鋰離子電池車輛存量僅為千余輛，氫能相關基礎設施仍遠不完善，且是不是把燃料鋰離子電池當作推廣類比于鋰電池新能源車2009年十城千輛推廣工程的階段仍有爭議。但在政策補貼重疊和技術進步支持下，將來數年氫能勢必與內燃機、鋰電池，氫能產業長期共存并占據一席之地，行業當前具備爆發潛質。
氫能社會，將來已來。
聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除
