氫能源車，一次日本式的失敗冒險
2023-01-14 09:28:06 來源：綠金
豐田Mirai
(資料圖片僅供參考)
Mirai是豐田在2014年底推出的量產型氫能源車，被當作接棒混動車普銳斯的主力產品。由于氫燃料電池車在行駛中只排出水，因此被視為新能源車的“終極方案”。
不過，馬斯克顯然不認同這一點，Mirai公布后，他將“燃料電池（Fuel Cell）”諷刺為“傻子電池（Fool Cell）”。并稱，“氫燃料適合火箭，但不適合汽車”。
放在2014年，Mirai其實是個技術杰作，不僅在續航里程（500公里）上超過當時的Model S（470公里），售價（58000美元）也遠低于后者（91000美元），并且加氫速度遠遠超過充電。考慮到當時特斯拉飽受質疑，氫能源車是個極具競爭力的方案。
2015年10月21日，Mirai在美國加州開售，豐田專門把時間選在了電影《回到未來2》中30年后“未來”的時間點，但Mirai和整個氫能源車的走向卻遠遠沒能達到豐田的預期。
2018年5月，特斯拉（上海）有限公司在上海成立，中國產Model 3在次年1月拿到了“中國綠卡”。整個2019年，特斯拉在中國交付了3.4萬輛Model 3，純電車在中國市場賣出了73萬輛。
而直到今天，全球所有氫能源乘用車銷量還不到5萬輛[1]。
兩種技術路線膠著時期，很多公司都布局了氫能源車，豐田和日本人是走的最快的，最激進的，也是后來摔得最慘的。
技術的陷阱
氫能源車不僅是豐田的豪賭，也是日本的豪賭。
日本對氫燃料電池車的系統性探索始于2008年前后，并在2013年通過《日本再復興戰略》確立了氫能源車的地位。后續的一系列政策表明，日本把氫能源車視作燃油車唯一的替代方案，并力圖在2050年實現氫能源車的全面普及。
在當時看，氫是最適合日本的一條技術路線。
日本國內資源極度匱乏，其中就包括鋰電池的關鍵材料鋰、鎳和鈷。氫能源車雖然也需要稀有金屬，但主要消耗的是電，日本彼時大力發展的核能可以解決這個問題。在日本政府的構想中，氫會幫助日本實現能源自主。
氫能源車是撬動它的杠桿，豐田則是開路先鋒。Mirai是個昂貴的賭注，它要么成為汽車業的未來，要么成為反噬日本汽車工業的技術陷阱。
2014年底，Mirai正式開售，僅1個月訂單就達到1500輛左右。日本政府的補貼政策非常激進，單車補貼高達10萬元人民幣。但Mirai的最大市場其實在美國，2015年進入美國市場后，Mirai一度“形勢一片大好”，2017年，Mirai在美國賣出了接近2000輛，但此后逐年下滑。2019年，韓國現代的氫能源車Nexo在美國上市，年銷數百輛。
考慮到售價貴得多的特斯拉Model S在2015年就賣出了25000多輛，Mirai的成績實在有些微不足道。
Mirai的氫氣罐
和純電車相比，Mirai使用的氫能量密度更高，加氫也非常快，但氫能源車依然有很多技術問題：
首當其沖的是氫的轉化效率：從電解水制氫，到氫的壓縮儲運，再到轉化為電能驅動車輛，這個過程中的損耗高達72%，而鋰電池的損耗只有20%[2]。
按照寶馬的說法，氫能源車的能量利用效率只有純電車的一半[3]。而如果用蒸汽重整（steam reforming）方式制氫，由于原料來自石油，反而會排放大量二氧化碳。
圖片來源：the conversation
而在實際運行中，加氫站滿街都是，3-5分鐘加滿氫只存在于想象中，原因是太貴了。
日本計劃到2020/2030年建設160/1000個加氫站，截至2021年底，已建成的有160個，集中在東京、大阪、名古屋等大城市。日本加氫站的建設成本約為5億日元（2600萬人民幣），2020年之前，日本政府會報銷一半的建設費用[4]，但成本還是太高。
氫氣此前多用作工業氣體，其監管標準幾乎是為大型化工廠量身打造的，放在加氫站上就是高成本問題[4]。
比如，加氫站周邊必須有足夠的空曠地帶，帶來了額外的土地成本。由于氫的物理屬性，加氫站必須用一種特定鋼材。站點主管必須有處理氫氣或其他高壓氣體的工作經驗，還要負責保存購買燃料的記錄，離自助式的加油站差的很遠。
按照測算，在日本，每個加氫站每年需要給900輛車服務才能盈利。按照日本政府原本的規劃，2020年日本的氫能源車數量會達到4萬輛，但實際上只有4000多輛[5]，加氫站盈利希望渺茫。
在美國，氫能源車遇到了同樣的問題。
美國對氫能源的探索其實非常早，2004年，主政加州的施瓦辛格在任內推動加氫站建設，但在奧巴馬政府時期又開始下滑。2015年Mirai進入美國市場，加氫站建設再次起步。但直到現在，美國的加氫站也沒有超過100個，而且幾乎全都在加州。
2013年接任加州州長的杰里·布朗曾制定了一個2020年-100座的目標，至今也未實現。
圖片來源：美國能源部
寶馬公司官方的一篇文章中說：我們在氫燃料電池方面存在先有雞還是先有蛋的問題。加氫站網絡密度不夠，就無法帶動氫能源車的大規模生產和銷售。但沒有產量和銷量，加氫站運營商也沒有擴張的動力[3]。
純電車似乎也會遇到充電樁密度的問題，但即使是在電動車滲透率非常低的美國，充電樁的建設速度也遠遠超過了加氫站。
圖片來源：美國能源部
孤獨的冒險
無論氫能源車本身有多么環保，以儲存和運輸構成的氫能供應鏈都非常脆弱。
2005年，和石油業聯系緊密的布什政府曾推出了一個雄心勃勃的氫能供應基建計劃——由制氫工廠、運輸樞紐和加氫站組成的網絡遍及全美。但時至今日，這個計劃的完成度甚至不到10%，屬于典型的邏輯性感，結果骨感。
圖片來源：NREL
由于氫的物理特性，氫必須高壓儲存，但即便如此，每次運載量也非常有限。考慮到氫氣的沸點是-252.87 ℃，讓液化氫大規模運輸顯然不太可能。相比充電樁的就地取電，直到現在，儲存和運輸依然是氫能源車產業化的最大問題。
種種因素導致，即便氫能源車和加氫站可以依靠財政補貼強行拉低成本，但脆弱的供應鏈讓綜合成本依然居高不下。
2021年，磷酸鐵鋰電池成本大概為0.65元/Wh,，三元鋰電池則為0.9元/Wh，而氫燃料的平均成本依然在2元/Wh以上。至于使用成本，即便是補貼后的價格，也遠遠高于電費。
氫能源車使用的PEMFC電池非常依賴稀有金屬鉑，再度拉高了成本。直到今天，很多公司還在探索材料和工藝上的替代方案，但進展寥寥。
2009年，諾獎得主朱棣文執掌美國能源部，他本人當時極度不看好氫能源車，大幅度削減了對氫能產業化的扶持力度，把工作重點放在了和中國拼光伏上，導致美國氫能建設出現了近十年的空白。
2015年，Mirai進入美國市場后，一度讓氫能源車重燃希望，但依然無法解決成本問題。
美國已經是Mirai的最大市場，到現在銷量還不到一萬輛。2019年，美國加州一家名叫Air Product的化工廠發生氫燃料爆炸，一時間造成了加州氫供給短缺。同一年挪威和韓國也發生了類似事故，Mirai本來就不多的銷量急轉直下。
同一時間，純電車卻在飛速滲透。
2014年6月，特斯拉官方宣布將開放大量專利，這常被認為是純電路線普及速度快的重要原因。但事實上，“專利開放”只是讓其它企業不會被訴訟，而不是公開某項技術的know-how。2015年，豐田也公開了5680項燃料電池車的相關專利，沒掀起太大波瀾。
一項新技術的普及必然需要足夠低的成本，財政補貼只是一種方法，最終還得依靠大規模的量產降低供應鏈成本。
純電路線能夠勝出，一方面是對終端產品的補貼，一方面在于大量資本投向了產業上游，誕生了一大批百億千億市值的零部件和供應鏈企業，比如LG化學和寧德時代。
伴隨電動車的滲透，上游供應鏈也會在產能擴張的同時大幅降低成本，2014-2018年間，國內鋰電池價格從3元/Wh降低到了1元/Wh，已經遠遠低于氫。
而Mirai的問題是，它的供應鏈實在太封閉了。
Mirai的燃料電池系統零部件供應商幾乎完全來自日本，甚至不少公司就是豐田的子公司。汽車業往往有復雜的客戶認證過程，成為認證供應商基本需要2到3年時間。正是由于過程繁瑣，車企選定了供應商就不會輕易更換，新企業入行成本很高。
相比特斯拉對供應鏈的開放程度，豐田只是號召大家一起修一條高速公路，但他自己先建好了10個收費站。
在這種情況下，除了本田、日產、現代幾家車企，幾乎沒有人愿意和豐田一起賭博。美國車企在朱棣文掌舵能源部期間就暫停了大規模的研發，歐洲公司嘗試過小規模的合作研究，但沒多少上市產品。缺乏終端產品作為開路先鋒，氫能源供應鏈的投資就止步于政府在碳中和目標下的形象工程。
正如特斯拉在公開專利的通稿中描述：我們真正的對手不是特斯拉以外的電動車，而是從世界各地工廠駛出的燃油車。特斯拉不可能依靠自己的生產速度，單槍匹馬解決碳排放問題。
2021年6月，豐田的親密戰友本田宣布停產氫能源車CLARITY。這款車在2016年上市，全球累計銷量不到2000輛。本田從2013年開始與通用合作，成立了生產燃料電池系統的合資公司。隨著CLARITY停產，本田將全面倒戈純電車。
在聲明中，本田說：我們對現有的每一種可能性進行了研究，我們認為氫能源存在一些困難的技術挑戰，大約10年內，氫能源車不會成為主流[6]。
渺小的成功
氫能源車的另一個旗手是韓國現代，現代的氫能源車型Nexo已經連續三年問鼎氫能源車“銷冠”——加起來不到15000輛。
韓國氫能源車遇到的問題是一樣的，加氫站的建設成本雖然比日本便宜，但也高達人民幣1500萬元，這讓韓國政府的補貼顯得杯水車薪。韓國曾定下2020年114座加氫站的目標，但至今只有不到100座。
2021年，豐田推出了新款Mirai，并再次強調了自己在氫能源車領域的野心，但豐田已經在事實上倒向了純電路線。
2019年4月，豐田宣布將公開兩萬多項專利，包括包括混動車、燃料電池車，唯獨沒有純電車。豐田普銳斯是迄今最暢銷的混動車車型，但由于混動車有兩套動力系統，結構復雜，成本高昂，加上豐田嚴格控制專利，大多數車企只將其視為過渡技術。
對此有媒體評論說：豐田想讓大家繼續研究混動車，延緩純電動車的發展速度。
寶馬的iX5 Hydrogen
2019年4月，豐田章男來中國走了一圈，去清華大學做了個演講，成為數不多在清華講過話的汽車業人士，上一個來清華演講的還是以越獄著稱的日產前CEO戈恩。
在演講中，豐田章男說了很多自己的中國情結，并稱2025年前，豐田將在中國推出10款純電動車型。
《金融時報》在報道中說：豐田在80年代拒絕了中國的“技術換市場”，把中國白白讓給了大眾。而在新能源車時代，中國變成了培育新技術的沃土——比如駕駛行為和路況數據，這對于未來開發自動駕駛汽車至關重要[9]。
相比馬斯克在紫光閣的神來之筆，豐田章男中國行的成色明顯不足。經過了產業政策引導下的大規模投資，中國公司在新能源車上下游的多個核心環節都卡住了身位，豐田并沒有太多優勢。
氫能源車并沒有死亡，在長途運輸和重型運輸上維持著前進腳步，但這個牌桌跟豐田沒什么關系。
在載重貨車這個子類里，氫能源較電動反而有比較大的優勢，比如更長的續航，更高的載重量，對成本的敏感度也更低，而且卡車可以長期租用不用購買。戴姆勒在終止和本田研發氫能源乘用車的同時，就把重心轉移到了重型車輛的開發。
而在這個語境下，會發現日本人并沒有領先太多。
在純電車逐漸退補后，中國的補貼方向也轉向了氫能源，《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》中對氫燃料電池補貼做了全面調整，輕型和中型貨車大幅下降，重型貨車大幅上升，氫能源重卡也在多地試點投放。
美國的戰略導向則集中在上游環節，并提出了明確的目標：到2030年使可再生能源、核能和熱能轉化制造清潔氫能的價格降低?80%?至?1?美元/千克（目前為?5?美元/千克），增加?5?倍清潔氫能生產的產量。
中國和美國都有足夠大的單一市場規模，也有足夠的財政能力和民間資本去扶持上下游的創新主體，在面對新技術時可以針對多條技術路線全面卡位，哪個路線容易成熟就集中扶持哪個。
但對財政力量不足的經濟體來說，產業政策往往面臨二選一的困難，每一次押注尚且風險巨大，就更不用說多賽道多次下注。
這是日本的困境：試水純電，淺嘗輒止；發展混動，歐美不理；押注氫能源，未來遙遙無期。
而汽車工業是日本絕對的支柱產業，占制造業銷售額的20%上下，在上下游帶動了8.2%的就業。放在30年前，日本還有DRAM、面板、消費電子這些足夠多的產業可以失去，但今天，不惜一切代價的成本越來越高了。
氫能源是個充滿理想主義的技術路線，它的問題不是失敗了，而是只成功了一點點。
參考資料：
[1] Global Market for Passenger Hydrogen Fuel Cell Vehicles 2021
[2] Hydrogen cars won’t overtake electric vehicles because they’re hampered by the laws of science，the conversation
[3] hydrogen fuel cell cars：everything you need to know，寶馬
[4] Japan gambles on Toyota’s hydrogen powered car，金融時報
[5] Japan is betting future cars will use hydrogen fuel cells，金融時報
[6] Honda CEO says Toyota’s strategy to pursue hydrogen combustion ‘doesn’t seem feasible’，Electerk
[7] Hydrogen fuel cells are not as ‘dumb’ as Elon Musk says. Here’s how they could improve the EV market，Fortune
[8] Toyota"s New 2021 Mirai Still Won"t Make Hydrogen Fuel Cell Cars Relevant，Forbes
[9] Toyota’s rethink on China reflects new realities，金融時報
[10] 美國氫能戰略對我們有何啟示，中國科學院
作者：李墨天
編輯：羅松松
視覺設計：疏睿
