電解水制綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展初探

□ 王 雷

·據(jù)國家發(fā)改委統(tǒng)計(jì)，我國目前已是世界上最大的制氫國，產(chǎn)氫量約為3300萬噸/年，主要由化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫構(gòu)成，其中煤制氫和天然氣制氫占比約80%，氯堿、焦?fàn)t煤氣、丙烷脫氫等工業(yè)副產(chǎn)氫占比約20%，可再生能源制氫規(guī)模很小。

·電解水制氫的成本結(jié)構(gòu)，其中約70%—80%來自電費(fèi)，20%左右為制氫系統(tǒng)裝備折舊和人工成本，降低電價(jià)是降低綠氫成本、提升其經(jīng)濟(jì)性的前提和關(guān)鍵。

·電解水制氫系統(tǒng)由電解槽、電源電力系統(tǒng)、制氫分離系統(tǒng)、純化干燥系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成，其中電解槽占制氫系統(tǒng)總成本的50%以上，是綠氫系統(tǒng)的核心，具有技術(shù)壁壘高、附加值高、產(chǎn)值規(guī)模大等特點(diǎn)，預(yù)計(jì)2025年國內(nèi)市場(chǎng)可達(dá)百億規(guī)模，2030年超千億，是當(dāng)前資本重點(diǎn)關(guān)注的細(xì)分賽道之一。

·基于本文對(duì)四種電解水制氫技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)的初判，投資布局方面可考慮“多條腿走路”。

氫能作為一種清潔低碳、熱值高、來源多樣、儲(chǔ)運(yùn)靈活的綠色能源，被譽(yù)為21世紀(jì)的“終極能源”。

今年3 月2 3 日，國家發(fā)改委、能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035年）》（以下簡(jiǎn)稱“氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃”），首次從戰(zhàn)略高度定位氫能產(chǎn)業(yè)，明確氫能是未來國家能源體系的組成部分，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)方向，是構(gòu)建綠色低碳產(chǎn)業(yè)體系、打造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的新增長(zhǎng)點(diǎn)。

根據(jù)制氫過程中產(chǎn)生的二氧化碳排放量的不同，一般將氫分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫。盡管現(xiàn)階段全球尚未形成一致標(biāo)準(zhǔn)，但業(yè)界普遍認(rèn)為通過可再生能源發(fā)電耦合電解水制氫二氧化碳排放量為零，是制備綠氫的最佳路徑。

從全球范圍來看，國外制綠氫技術(shù)呈“多點(diǎn)開花”態(tài)勢(shì)，國內(nèi)則積極推進(jìn)綠氫項(xiàng)目建設(shè)，全球最大綠氫項(xiàng)目——新疆庫車綠氫示范項(xiàng)目落戶中國石化，整個(gè)光伏項(xiàng)目占地達(dá)到了9500多畝，預(yù)計(jì)年底投產(chǎn)后，其綠氫替代產(chǎn)業(yè)規(guī)?？蛇_(dá)千億級(jí)；11月23日，中國石化首個(gè)兆瓦級(jí)可再生電力電解水制氫示范項(xiàng)目在中原油田順利實(shí)現(xiàn)中交，該項(xiàng)目運(yùn)用質(zhì)子膜電解水制氫工藝（PEM），投產(chǎn)后將日產(chǎn)高純度綠氫1.12噸，預(yù)計(jì)年利用可再生電力電量2520萬千瓦時(shí)，相當(dāng)于減排二氧化碳14000余噸，有效助力我國綠氫事業(yè)發(fā)展。

綠氫是氫能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)

氫能產(chǎn)業(yè)鏈涉及諸多環(huán)節(jié)，點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣。從供需角度，一般將其劃分為上游氫能供給，包括制氫、儲(chǔ)運(yùn)、加氫；中游氫能轉(zhuǎn)換，包括燃料電池電堆及系統(tǒng)等；下游氫能消費(fèi)，包括各種應(yīng)用，如交通、發(fā)電、儲(chǔ)能、工業(yè)降碳及相關(guān)運(yùn)營和服務(wù)等。在產(chǎn)業(yè)鏈諸多環(huán)節(jié)中，制氫尤其是氫氣的綠色供應(yīng)，對(duì)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、構(gòu)建綠色低碳的能源體系、助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。綠氫技術(shù)已成為各國搶占能源革命技術(shù)制高點(diǎn)、破解發(fā)展困局，甚至提振經(jīng)濟(jì)發(fā)展動(dòng)力的重要一環(huán)。

《氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》明確提出要重點(diǎn)發(fā)展可再生能源制氫：到2025年可再生能源制氫量達(dá)到10萬噸/年~20萬噸/年，到2030年形成較為完備的清潔能源制氫及供應(yīng)體系，到2035年形成氫能多元應(yīng)用生態(tài)，可再生能源制氫在終端能源消費(fèi)中的比例明顯提升。近期，中國石化發(fā)布了氫能中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略，提出“在現(xiàn)有煉化、煤化工制氫基礎(chǔ)上，大力發(fā)展可再生電力制氫，進(jìn)一步擴(kuò)大清潔綠色氫氣生產(chǎn)利用規(guī)模，逐步在煉化領(lǐng)域替代化石原料制氫，推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域深度脫碳”。

據(jù)國際能源署（IEA）統(tǒng)計(jì)，2021年，全球產(chǎn)氫總量為9400萬噸，化石能源制氫占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位。其中天然氣重整制氫約占62%，煤制氫約占19%，副產(chǎn)氫約為19%，電解水制氫僅為3.5萬噸，占比不到0.1%。

圖1 2020和2021年全球產(chǎn)氫量及結(jié)構(gòu)示意圖

我國的制氫格局大同小異。據(jù)國家發(fā)改委高新技術(shù)司的統(tǒng)計(jì)，我國目前已是世界上最大的制氫國，產(chǎn)氫量約為3300萬噸/年，主要由化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫構(gòu)成，其中煤制氫和天然氣制氫占比約80%，氯堿、焦?fàn)t煤氣、丙烷脫氫等工業(yè)副產(chǎn)氫占比約20%，可再生能源制氫規(guī)模很小。

由于成本低、技術(shù)成熟，化石能源制氫是目前主流的技術(shù)路線，氫氣成本隨煤炭、天然氣價(jià)格波動(dòng)在6元/千克~20元/千克（不含碳捕集成本及碳稅）。而目前電解水制氫最低成本也在40元/千克以上，極大地限制了綠氫的大規(guī)模推廣應(yīng)用。攤開電解水制氫的成本結(jié)構(gòu)，其中約70%~80%來自電費(fèi)，20%左右為制氫系統(tǒng)裝備折舊和人工成本，其余為維護(hù)和運(yùn)營成本等。顯然，降低電價(jià)是降低綠氫成本、提升其經(jīng)濟(jì)性的前提和關(guān)鍵。經(jīng)測(cè)算，當(dāng)電價(jià)低至0.2元/千瓦時(shí)，即使不考慮電解槽成本降低，電解水制氫與化石能源制氫相比已具備經(jīng)濟(jì)性。隨著風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，可再生能源電力成本持續(xù)下降的趨勢(shì)已十分明確。

圖2 綠氫成本構(gòu)成示意圖

四種電解水制氫技術(shù)路線及商業(yè)化現(xiàn)狀

如何降低電解水制氫系統(tǒng)成本，是降低綠氫成本的第二個(gè)關(guān)鍵問題。

電解水制氫系統(tǒng)由電解槽、電源電力系統(tǒng)、制氫分離系統(tǒng)、純化干燥系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成，其中電解槽占制氫系統(tǒng)總成本的50%以上，是綠氫系統(tǒng)的核心，具有技術(shù)壁壘高、附加值高、產(chǎn)值規(guī)模大等特點(diǎn)，預(yù)計(jì)2025年國內(nèi)市場(chǎng)可達(dá)百億規(guī)模，2030年超千億，是當(dāng)前資本重點(diǎn)關(guān)注的細(xì)分賽道之一。

圖3 電解水制氫系統(tǒng)成本結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)國際可再生能源協(xié)會(huì)（IRENA）對(duì)電解水制氫技術(shù)的最新預(yù)測(cè)，隨著全球電解槽裝機(jī)量不斷提升和技術(shù)水平不斷進(jìn)步，保守預(yù)計(jì)到2030年電解槽成本可降低40%以上。

根據(jù)電解槽隔膜材料的不同，通常將電解水制氫技術(shù)分為堿性水電解（ALK）、質(zhì)子交換膜水電解（PEM）、高溫固體氧化物水電解（SOEC）和固體聚合物陰離子交換膜水電解（AEM）四種技術(shù)路線。

圖4 四種電解水制氫技術(shù)原理示意圖

ALK技術(shù)方面國內(nèi)處在較為領(lǐng)先的水平，尤其在單槽產(chǎn)氫規(guī)模、整體成本控制等方面，國內(nèi)企業(yè)表現(xiàn)亮眼，中船718所、蘇州競(jìng)立、天津大陸、中電豐業(yè)、賽克賽斯、陽光氫能等企業(yè)拿到了市場(chǎng)70%的訂單 。

PEM技術(shù)方面全球領(lǐng)先企業(yè)主要分布在歐洲和北美，國內(nèi)目前尚未突破兆瓦級(jí)大功率電解槽技術(shù)，與國際領(lǐng)先水平差距較大。美國康明斯（收購加拿大水吉能公司Hydrogenics）、挪威Nel（已收購美國普頓公司Proton OnSite）、法國阿?，m氫能公司AREVA、英國ITM Power公司、德國西門子能源等在PEM水電解技術(shù)與裝備制造方面處于領(lǐng)先地位。其中，康明斯的PEM設(shè)備單槽功率可達(dá)2.5兆瓦，是目前全球商業(yè)化的最大單槽設(shè)備，對(duì)應(yīng)產(chǎn)氫能力為500標(biāo)準(zhǔn)立方米/每小時(shí)。

SOEC技術(shù)方面全球領(lǐng)先企業(yè)主要為德國德累斯頓太陽火公司Sunfire和丹麥托普索公司Haldor Topsoe，國內(nèi)中科院上海應(yīng)用物理研究所技術(shù)較為領(lǐng)先，但與國際先進(jìn)水平還存在較大差距。Sunfire公司成立于2010年，主要業(yè)務(wù)為SOEC和SOFC（固體氧化物燃料電池）技術(shù)開發(fā)，該公司最新二代SOEC電解槽功率可達(dá)250千瓦，對(duì)應(yīng)產(chǎn)氫能力為63標(biāo)準(zhǔn)立方米/每小時(shí)。上海應(yīng)用物理研究所已完成20千瓦示范裝置建設(shè)和運(yùn)行，該裝置產(chǎn)氫量6標(biāo)準(zhǔn)立方米/每小時(shí)，其控股上海氫程科技有限公司目前可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)15兆瓦SOEC電解池。

德國清潔技術(shù)公司Enapter公司是AEM技術(shù)全球領(lǐng)先企業(yè)，也是目前唯一實(shí)現(xiàn)AEM商業(yè)化的企業(yè)。該公司創(chuàng)立于2017年，擁有數(shù)十項(xiàng)AEM技術(shù)核心專利。目前已商業(yè)化的產(chǎn)品功率為3千瓦，產(chǎn)氫能力0.5標(biāo)準(zhǔn)立方米/每小時(shí)，該公司目前正在開發(fā)兆瓦級(jí)產(chǎn)品。

綠氫技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)判斷

作為最早工業(yè)化的水電解制氫技術(shù)，ALK已有數(shù)十年應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)和商業(yè)化應(yīng)用較成熟。近年來PEM技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速，全球已有多個(gè)10兆瓦級(jí)裝機(jī)項(xiàng)目，目前處于大規(guī)模商業(yè)化前夜。由于在酸性條件下反應(yīng)，PEM電解系統(tǒng)需要具備優(yōu)異的耐腐蝕性能，且需要鉑（Pt）、銥（Ir）等貴金屬催化劑，導(dǎo)致制氫系統(tǒng)成本高昂，因此降低電解系統(tǒng)成本、提升系統(tǒng)壽命是PEM技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。SOEC全球范圍內(nèi)還處于研發(fā)和示范運(yùn)行階段，主要難題包括電極和電解質(zhì)等關(guān)鍵材料的可控合成、電解池性能提升、電堆性能衰減和壽命改善，以及電解槽系統(tǒng)集成技術(shù)有待進(jìn)步。AEM基本處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，全球僅有極個(gè)別公司實(shí)現(xiàn)了千瓦級(jí)電解槽商業(yè)化。開發(fā)百千瓦及以上規(guī)模電解槽，以及關(guān)鍵材料包括陰離子交換膜、膜電極組件（MEA）等是亟待突破的問題。目前市售的陰離子交換膜在堿性環(huán)境中缺乏足夠的穩(wěn)定性，這極大地限制了AEM的廣泛應(yīng)用。

考慮到四種電解水制氫技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)、成本水平、商業(yè)化進(jìn)程等，對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)初步判斷如下：

（一）中短期來看，ALK是綠氫制備最為現(xiàn)實(shí)的解決方案。技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用最為成熟，初始投資低、經(jīng)濟(jì)性好，用戶接受度高。但能耗相對(duì)較高，并且存在一定環(huán)境污染、占地面積較大、操作彈性小等短板。目前產(chǎn)業(yè)界主要是通過提升電流密度提高效率，進(jìn)一步做大單槽功率以減少占地面積。

（二）長(zhǎng)期來看，PEM是綠氫制備的主流方案。PEM技術(shù)電流密度高、電解槽體積小、運(yùn)行靈活、利于快速變載，與風(fēng)電、光伏等可再生能源電力具有良好的匹配性。當(dāng)前正處于規(guī)模化應(yīng)用前夜，系統(tǒng)成本相對(duì)較高。技術(shù)進(jìn)步的方向包括：一是改善催化劑活性，提高催化劑利用率，進(jìn)而有效降低貴金屬用量；二是研發(fā)高效傳質(zhì)的電極結(jié)構(gòu)以進(jìn)一步提高電流密度，提升雙極板材料性能與表面工藝，降低成本同時(shí)提高耐腐蝕性能；三是做大裝機(jī)功率進(jìn)一步推進(jìn)規(guī)模化。

（三）SOEC綜合能效很高，由于反應(yīng)溫度高啟停時(shí)間長(zhǎng)，很難與間歇性的可再生能源電力相匹配，更適合廉價(jià)穩(wěn)定的固定電力（如核電、水電等），目前全球正處于示范階段，技術(shù)的主攻方向包括：一是通過控制電極和電解質(zhì)材料的合成、提升電堆均一性和系統(tǒng)整合性、降低電池衰減；二是做大單個(gè)電堆功率；三是提升系統(tǒng)整合能力，提升均一性和穩(wěn)定性以提升電堆功率和壽命。

（四）AEM技術(shù)融合了ALK和PEM的特點(diǎn)，具有體積小、運(yùn)行靈活、利于快速變載、不采用貴金屬催化劑等特點(diǎn)，與可再生能源電力具有良好的匹配性。目前正處于研發(fā)階段，技術(shù)主攻方向包括：一是關(guān)鍵材料和零部件的開發(fā)，如高性能堿性陰離子交換膜、催化劑、MEA等；二是提升系統(tǒng)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行能力；三是進(jìn)一步做大單電堆功率。

投資布局方面，可考慮“多條腿走路”：一是盡快布局ALK技術(shù)，作為氫能大規(guī)模應(yīng)用前的解決方案，推動(dòng)氫能供給側(cè)成本下降，助力集團(tuán)公司向移動(dòng)能源供應(yīng)商轉(zhuǎn)變，在滿足國內(nèi)中短期綠氫需求的同時(shí)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展；二是投資布局國際領(lǐng)先的PEM公司，以資本為紐帶，引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，通過引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)低成本高性能和強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，目前恩澤基金已與PEM技術(shù)國際領(lǐng)先的康明斯成立合資公司，合資公司廠房正在建設(shè)過程中，通過提升產(chǎn)能壓降成本，進(jìn)一步快速降低PEM制氫綜合成本；三是可考慮前瞻性投資布局AEM技術(shù)，作為結(jié)合了ALK和PEM技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的前瞻性技術(shù)，一旦實(shí)現(xiàn)商業(yè)化極有可能顛覆現(xiàn)有綠氫供給市場(chǎng)，可重點(diǎn)關(guān)注國際領(lǐng)先企業(yè)。