北极星智能电网在线讯:全球能源格局临近大变革前夜
纵观人类历史，文明的进步本质上就是能量输出强度的进步。早期的农业文明，动力以人畜、木柴等生物能为主，输出功率非常有限，还受到土地承载能力的限制，经济只能在低水平不断循环;18世纪工业革命后，随着蒸汽机和内燃机的推广，基础能源变为以煤炭、石油为代表的化石能源，能量密度提升了上百倍，GDP也终于突破了“马尔萨斯陷阱”的束缚，呈现了指数型的增长。目前全球能源结构为原油33%，天然气24%、煤炭30%，核电4%、水电7%和新能源2%，化石能源居于绝对主导地位。但展望未来，我们判断人类能源结构已经到了再次大变革的前夜，石油将有望在30年内被全面替代，以燃料电池为代表的氢能源将成为新的主导能源!
石油时代将被全面替代
农耕文明发展后期面临的最大问题就是，有限的土地资源最终无法支撑人口进一步的增长。化石能源作为不可再生资源，同样面临着资源稀缺性的制约。按照过去20年的消费增速线性外推，全球已探明石油储量只能支撑30年，即使技术进步能将石油寿命再延续几十年，但总还是有用光的一天，相对于人类还要持续至少千年的历史，仍然没有意义。而且考虑到目前勘探程度已经很充分，在发现低成本大油田的概率很低，潜在供给的开采成本会越来越高。这最终也会刺激替代能源商业化的大幅提速，如现在锂电池车的发展就已经如火如荼，因此经济意义上的石油枯竭恐怕还会来的更早。未来谁能全面替代石油，成为新一代的车用燃料就成为非常关键的问题。
燃料电池vs锂电池谁将胜出
目前替代石油车的主流技术路线就是锂电池和燃料电池。燃料电池最大优势就是能量密度高，是锂电池的120倍。但锂电池起步早，商业化程度更高，整车成本也更低，且充电可以利用现有的电网系统，相比燃料电池整个加氢和供氢的配套网络都要从头建设，成本也要更低。因此这两者的竞争核心就是能量密度vs成本的竞争。成本下降是个工程问题，可以通过商业化来解决，而能量密度面对的却是基础科学领域的瓶颈，基本上是无解。因此本质上两者的区别是“道与术”的区别，长期看，燃料电池无疑潜力更大，也最有望成为下一代车用基础能源。
能量密度提升是主线逻辑
人类历史上每一次成功的能源变革，都有一个清晰的主线逻辑，就是能量密度出现数量级上的跃升。如煤炭比木柴高160倍，石油比煤炭也要高2倍。新能源只有具备能量密度上碾压性的优势，才有能力颠覆传统能源凭借着长期发展建立起来的完善的基础网络和工业配套，并逆转其巨大的使用惯性。这也有些类似英尔特创始人格鲁夫在IT领域提出的10倍速原理，即能够成功颠覆的新技术一旦出现，基本就是星火燎原、势不可挡。如汽油车比电动车出现要晚20年，早期技术也更为不成熟，但还是凭借着能量密度高的优势，摧枯拉朽般的替代了电动车。
近几十年虽然各国都在大力推广电动车，但其占比依然很低，尚不足1%，核心就在于过往的电动车都违反了能量密度提升这个能源变革的主线逻辑。哪怕是最新一代的锂电池车，其能量密度极值也只有汽油的1/40，行业自然迟迟无法出现10倍速的改进。但燃料电池的出现却彻底改变了这一现状。其以氢气为原料，基础能量密度是汽油的3倍，电动机的做功效率还是内燃机的2倍，实际密度是汽油的6倍，优势明显。而且从人类过去百年的能源进化史看，其本质上就是碳氢比的调整史，氢含量越高，能量密度越高，未来从碳能源转向氢能源是大势所趋，因此采用氢能源的燃料电池无疑更能代表历史发展的方向，最有望成为下一代的基础能源。
机动车性能主要为续航能力、充电/充氢时间、输出功率和安全性等。燃料电池能量密度远高于锂电池，相应电池容量，快充能力和续航里程就具备了天然的优势，即使是和锂电池的顶级豪车Tesla相比也是大幅领先。但其功率密度不高，最大输出功率取决于辅助的动力电池系统，相应最高时速和百公里加速指标和锂电池相差不大。为了便于比较，我们下文选取目前主流的2L排气量汽油车，对应45度锂电池车和输出功率100KW燃料电池车作为分析基准。
能量密度比较
锂电池作为蓄电池的一种，是个封闭体系，电池只是能量的载体，必须提前充电才能运行，其能量密度取决于电极材料的能量密度。由于目前负极材料的能量密度远大于正极，所以提高能量密度就要不断升级正极材料，如从铅酸、到镍系、再到锂电池。但锂已经是原子量最小的金属元素，比锂离子更好的正极材料理论上就只有纯锂电极，但能量密度其实也只有汽油的1/4，而且商业化的技术难度极大，几十年内都无望突破。因此锂电池能量密度提升受制于理论瓶颈，空间非常有限，最多也就是从目前的160Wh/KG提高至300Wh/KG，即使达到也只有燃料电池的1/120，可谓输在起跑线上。
体积能量密度比较
燃料电池的原料氢气主要缺点就是体积能量密度不高，现在基本上是采用加压来解决这个问题。按照现行的700个大气压的加压模式，其体积能量密度是汽油1/3。同样跑300公里，燃料电池储氢罐体积为100L，重量为30KG，对应汽油车油箱为30L，但电动机体积比内燃机小80L，总体积相差不大。锂电池车分为三元和磷酸铁锂两种主流技术路线，代表企业为Tesla和比亚迪。三元能量密度更高，但安全性差，需要辅助的安全保护设备，跑300公里所需的两种电池体积分别为140L和220L，重量为0.4吨和0.6吨，都远高于燃料电池。展望未来如果储氢合金和低温液态储氢技术能够突破，燃料电池体积能量密度将分别增加1.5倍和2倍，优势会更为明显。
功率密度比较
燃料电池本质上可以理解为以氢气为原料的化学发电系统，因此输出功率比较稳定，为了最大提高放电功率必须附加动力电池系统，如丰田Mirai就是配套镍氢电池。但作为一个开放的动力系统，其能量来自于外部输入，附加的镍氢电池不需要考虑储能的问题，只要5-8度就能满足需求，对电池寿命的要求也不高，在真实工况下的使用限制很少。锂电池虽然理论放电效率很高，但为了不伤害电池寿命，使用限制很多。在充满电的情况下不能大倍率放电，快速放电只适用0-80%这个区间。即使如此，以5C倍率放电，实验室中的电池循环寿命也会缩短到只有600次，真实工况下会进一步降至400次，如Telsa即使最大功率可达310KW，但实际放电倍率也只有4C。而且锂电池作为能量密度不高的封闭储能体系，高功率放电和高续航里程基本很难兼容，除非大幅提升电池重量。即使Tesla采用了目前能量密度最好的三元电池，其电池组件重量都接近半吨。
