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，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、焦爐煤氣、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，20%左右為制氫系統(tǒng)裝備折舊和人工成本，降低電價是降低綠氫成本、提升其經(jīng)濟性的前提和關(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，預計2025年國內(nèi)市場可達百億規(guī)模，2030年超千億，是當前資本重點關(guān)注的細分賽道之一。

·基于本文對四種電解水制氫技術(shù)未來發(fā)展趨勢的初判，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、儲運靈活的綠色能源，被譽為21世紀的“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)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》（以下簡稱“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)型升級的新增長點。

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、藍氫和綠氫。盡管現(xiàn)階段全球尚未形成一致標準，但業(yè)界普遍認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“多點開花”態(tài)勢，國內(nèi)則積極推進綠氫項目建設，全球最大綠氫項目——新疆庫車綠氫示范項目落戶中國石化，整個光伏項目占地達到了9500多畝，預計年底投產(chǎn)后，其綠氫替代產(chǎn)業(yè)規(guī)?？蛇_千億級；11月23日，中國石化首個兆瓦級可再生電力電解水制氫示范項目在中原油田順利實現(xiàn)中交，該項目運用質(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，預計年利用可再生電力電量2520萬千瓦時，相當于減排二氧化碳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

氫能產(chǎn)業(yè)鏈涉及諸多環(huán)節(jié)，點多、線長、面廣。從供需角度，一般將其劃分為上游氫能供給，包括制氫、儲運、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，包括各種應用，如交通、發(fā)電、儲能、工業(yè)降碳及相關(guān)運營和服務等。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，對產(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”目標實現(xiàn)，都具有十分重要的現(xiàn)實意義。綠氫技術(shù)已成為各國搶占能源革命技術(shù)制高點、破解發(fā)展困局，甚至提振經(jīng)濟發(fā)展動力的重要一環(huán)。

《氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》明確提出要重點發(fā)展可再生能源制氫：到2025年可再生能源制氫量達到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體系，到2035年形成氫能多元應用生態(tài)，可再生能源制氫在終端能源消費中的比例明顯提升。近期，中國石化發(fā)布了氫能中長期發(fā)展戰(zhàn)略，提出“在現(xiàn)有煉化、煤化工制氫基礎上，大力發(fā)展可再生電力制氫，進一步擴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，推動工業(yè)領(lǐng)域深度脫碳”。

據(jù)國際能源署（IEA）統(tǒng)計，2021年，全球產(chǎn)氫總量為9400萬噸，化石能源制氫占據(jù)絕對主導地位。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，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、焦爐煤氣、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、天然氣價格波動在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)模推廣應用。攤開電解水制氫的成本結(jié)構(gòu)，其中約70%~80%來自電費，20%左右為制氫系統(tǒng)裝備折舊和人工成本，其余為維護和運營成本等。顯然，降低電價是降低綠氫成本、提升其經(jīng)濟性的前提和關(guān)鍵。經(jīng)測算，當電價低至0.2元/千瓦時，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)濟性。隨著風電、光伏發(fā)電裝機規(guī)模進一步擴大，可再生能源電力成本持續(xù)下降的趨勢已十分明確。

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，預計2025年國內(nèi)市場可達百億規(guī)模，2030年超千億，是當前資本重點關(guān)注的細分賽道之一。

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（IRENA）對電解水制氫技術(shù)的最新預測，隨著全球電解槽裝機量不斷提升和技術(shù)水平不斷進步，保守預計到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設備單槽功率可達2.5兆瓦，是目前全球商業(yè)化的最大單槽設備，對應產(chǎn)氫能力為500標準立方米/每小時。

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)中科院上海應用物理研究所技術(shù)較為領(lǐng)先，但與國際先進水平還存在較大差距。Sunfire公司成立于2010年，主要業(yè)務為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250千瓦，對應產(chǎn)氫能力為63標準立方米/每小時。上海應用物理研究所已完成20千瓦示范裝置建設和運行，該裝置產(chǎn)氫量6標準立方米/每小時，其控股上海氫程科技有限公司目前可實現(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標準立方米/每小時，該公司目前正在開發(fā)兆瓦級產(chǎn)品。

綠氫技術(shù)發(fā)展趨勢判斷

作為最早工業(yè)化的水電解制氫技術(shù)，ALK已有數(shù)十年應用經(jīng)驗，技術(shù)和商業(yè)化應用較成熟。近年來PEM技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速，全球已有多個10兆瓦級裝機項目，目前處于大規(guī)模商業(yè)化前夜。由于在酸性條件下反應，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)有待進步。AEM基本處于實驗室研發(fā)階段，全球僅有極個別公司實現(xiàn)了千瓦級電解槽商業(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的廣泛應用。

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

（一）中短期來看，ALK是綠氫制備最為現(xiàn)實的解決方案。技術(shù)商業(yè)化應用最為成熟，初始投資低、經(jīng)濟性好，用戶接受度高。但能耗相對較高，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，進一步做大單槽功率以減少占地面積。

（二）長期來看，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、運行靈活、利于快速變載，與風電、光伏等可再生能源電力具有良好的匹配性。當前正處于規(guī)?；瘧们耙梗到y(tǒng)成本相對較高。技術(shù)進步的方向包括：一是改善催化劑活性，提高催化劑利用率，進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，降低成本同時提高耐腐蝕性能；三是做大裝機功率進一步推進規(guī)?；?。

（三）SOEC綜合能效很高，由于反應溫度高啟停時間長，很難與間歇性的可再生能源電力相匹配，更適合廉價穩(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，具有體積小、運行靈活、利于快速變載、不采用貴金屬催化劑等特點，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)長周期穩(wěn)定運行能力；三是進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)模應用前的解決方案，推動氫能供給側(cè)成本下降，助力集團公司向移動能源供應商轉(zhuǎn)變，在滿足國內(nèi)中短期綠氫需求的同時推動產(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，引進國外先進技術(shù)，通過引進消化吸收再創(chuàng)新，實現(xiàn)低成本高性能和強競爭力，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過程中，通過提升產(chǎn)能壓降成本，進一步快速降低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)點的前瞻性技術(shù)，一旦實現(xiàn)商業(yè)化極有可能顛覆現(xiàn)有綠氫供給市場，可重點關(guān)注國際領(lǐng)先企業(yè)。