自“碳達(dá)峰碳中和”的目標(biāo)提出以來，以可再生能源為中心的新能源產(chǎn)業(yè)加緊布局，為我國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級助力。雙碳目標(biāo)催促我國新能源體系的加快構(gòu)建，更催促了氫能產(chǎn)業(yè)加緊跑馬圈地的步伐。
從制氫端到儲運端再到應(yīng)用端，氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大且繁雜。作為最為清潔的二次能源，氫氣雖然廣泛存在于宇宙之中卻只能通過制取才能獲取。基于這一“難題”，氫能在發(fā)展過程中備受掣肘。
在制氫方面，目前國內(nèi)已經(jīng)開始走入市場化嘗試和規(guī)模化示范應(yīng)用階段。氫氣大致分為煤制氫(灰氫)、天然氣重整制氫(藍(lán)氫)以及風(fēng)光發(fā)電電解水制氫(綠氫)三種，其中綠氫被視為最低碳環(huán)保、未來發(fā)展前景最為廣闊的制氫方式。
2023年被稱為“綠氫元年”，進(jìn)入今年，各地區(qū)加緊布局風(fēng)光制氫項目，制氫廠商開始進(jìn)入“內(nèi)卷”模式，制氫市場比拼異常火熱。電解水制氫方式分別有堿性電解水制氫(ALK)、質(zhì)子交換膜電解水制氫(PEM)、陰離子交換膜制氫(AEM)以及高溫固體氧化物電解水制氫(SOEC)四種技術(shù)路線，目前市場主流技術(shù)是堿性電解水制氫(ALK)，原因在于堿液電解制氫相對成本更低，技術(shù)度更為成熟。
今年上半年，吉林大安風(fēng)光制氫合成氨一體化項目共招標(biāo)39套堿性電解水制氫設(shè)備，后又從長春綠動氫能訂購近3億元PEM制氫設(shè)備。該項目是全國最大的綠氫合成氨項目，同時采用ALK制氫方式和PEM方式，為吉林省打造中國“北方氫谷”助力。今年6月30日，國內(nèi)首個萬噸級光伏制氫項目——新疆庫車光伏制氫示范項目正式全部投產(chǎn)，該項目共配套52臺套1000Nm³/h堿性電解槽，該項目為國內(nèi)制氫項目起到了良好的示范作用，電解水制氫能力2萬噸/年、儲氫能力21萬標(biāo)立方、輸氫能力2.8萬標(biāo)立方每小時。
但仍不可忽視的是，制氫市場的競爭尤為激烈。國內(nèi)目前已經(jīng)生產(chǎn)出2000Nm³/h的堿性電解槽，1500Nm³/h和1000Nm³/h已經(jīng)非常常見。可以說，“制氫量”是各家制氫設(shè)備企業(yè)的一大競爭熱點。一方面，國內(nèi)制氫市場開始追逐單臺套制氫電解槽更大的制氫量，這對技術(shù)提出了更高要求;另一方面，制氫電解槽的成本問題仍需再降，然而目前已經(jīng)出現(xiàn)了在投標(biāo)過程中“胡亂報價”的行為。
目前，國內(nèi)1000Nm³/h制氫能力的單臺堿性電解槽價格在700萬-1000萬元之間。根據(jù)中石化新疆庫車綠氫示范項目招標(biāo)統(tǒng)計，蘇州競立、隆基氫能及中船718所對堿性電解槽的報價基本一致。共計52臺1000Nm³/h規(guī)格的堿性電解槽報價約為3.6億元，由此測算得到單臺電解槽售價約為692萬元。如此看來，該項目中制氫設(shè)備似乎“并不賺錢”。
新疆庫車光伏制氫示范項目 來源：中國石化
相比較之下，PEM制氫電解槽的售價更為高昂。目前，國內(nèi)1000Nm³/h制氫能力的單臺質(zhì)子交換膜電解槽成本約3000萬元。在吉林大安風(fēng)光制氫合成氨一體化項目中，共涉及10000Nm³/hPEM 電解水制氫系統(tǒng)，從合同內(nèi)容來看，該制氫設(shè)備分三批交付，第一批3200Nm³/hPEM 電解水制氫系統(tǒng);第二批3200Nm³/hPEM 電解水制氫系統(tǒng);第三批3600Nm³/hPEM電解水制氫系統(tǒng)。合同總價為29000萬元。由此測算，1000Nm³/hPEM電解槽價格約為2900萬元。
“難道國內(nèi)的這些示范項目都在賠本賺吆喝?”
為什么制氫價格如此之貴?影響成本的核心因素究竟是什么?
首先是電價。根據(jù)國家發(fā)改委的《中國2050 年光伏發(fā)展展望(2019)》的預(yù)測，至2035年和2050年光伏發(fā)電成本相比當(dāng)前預(yù)計約下降50%和70%，達(dá)到0.2元/kWh 和0.13元/kWh。在此情況下，堿性電解槽制氫成本將達(dá)到15元/kg 和10元/kg。由此來看，當(dāng)電價降到2毛錢以下時，氫氣將具有很大競爭力。
其次是系統(tǒng)本身。第一，電解槽工作時間會大大影響整體制氫效率及發(fā)電成本，這依賴于技術(shù)的提升和進(jìn)步。相比較之下，堿性電解槽在風(fēng)光波動性制氫條件下的制氫能力不如PEM電解槽，這對于電解槽的本身提出更大挑戰(zhàn)。第二，電解槽單位電耗也是一大因素。據(jù)國內(nèi)知名制氫廠家測算，堿性電解槽系統(tǒng)電耗目前≤4.9kwh/m³，隨著和新材料和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新優(yōu)化，未來有望降低至4.5kwh/m³。第三，設(shè)備產(chǎn)氫量的提升。目前國內(nèi)制氫項目以及制氫設(shè)備市場整體向大型化發(fā)展，今年國內(nèi)已有2000Nm³/h的堿性電解槽出現(xiàn)，未來將會進(jìn)一步擴(kuò)大，這也成了眾多制氫廠商的“內(nèi)卷重地”。
最后是材料技術(shù)的“掣肘”。以堿性電解槽和PEM電解槽為例，目前仍有極大提升空間，堿性電解槽的能量效率約為62~82%;PEM電解槽的能量效率約為67~82%。
堿性電解槽(來源：網(wǎng)絡(luò)整理)
堿性電解槽核心零部件包括：極板、極框、隔膜、電極、BOP輔助系統(tǒng)。短期來看，堿性電解槽最大的成本下降空間在輔助系統(tǒng)，同時也要提升電堆性能和壽命，而提升電堆各項性能可能意味著壽命變短，這其中也需要各方平衡。由于堿性電解制氫技術(shù)是利用高濃度的KOH等電解液作為介質(zhì)，而電解液的滲透將會導(dǎo)致氫氣和氧氣混合，這限制了更低的電壓操作范圍，同時限制了堿性電解槽在更高壓力下運行的能力。為了防止氫氧混合，需要在電解槽的電極和隔膜中加入墊片，然而這種設(shè)計導(dǎo)致了更高的歐姆電阻，降低了給定電壓下的電流密度，目前堿性電解槽的發(fā)展方向就在于尋找零間隙的電極、更薄的隔膜(500um)和不同的電催化劑概念來提高電流密度。系統(tǒng)層面，關(guān)于氣液分離裝置對電耗的影響，壓縮氫氣處理對電解槽壓力的影響以及整體電力供應(yīng)對系統(tǒng)效率的影響，都需要考慮到電解槽設(shè)計之中。
PEM電解水制氫基本構(gòu)成(來源：架橋資本)
PEM電解槽核心零部件包括：雙極板、多孔擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜、陰陽極催化層組成。對于PEM電解槽而言，各個核心零部件的成本居高不下是最大的阻礙，原因來自于國產(chǎn)化程度不高、嚴(yán)重依賴進(jìn)口。催化劑方面，開發(fā)高活性的催化劑，如含鉑催化劑是一大挑戰(zhàn)，因為我國鉑族金屬含量較少，而如何開發(fā)含鉑量更低且替代性剛好的催化劑還在研制之中。膜電極方面，PEM電解槽最適用的是全氟磺酸(PFSA)膜，然而其價格非常昂貴，這給成本帶來極大難題。雙極板方面，為了保證電解槽的氫氣輸出量并匹配電壓，要求雙極板需要具備較高的熱傳導(dǎo)性、化學(xué)穩(wěn)定性和較低的電阻。這對雙極板的材料提出更高要求，目前理想材料是鈦，但由于鈦較易被腐蝕，需要在表面鍍鉑，這使得組件成本進(jìn)一步增加，同時也需要開發(fā)更為合適的雙極板材料。氣體擴(kuò)散層方面，目前幾乎依賴進(jìn)口。目前主要集中在電解槽陽極側(cè)，陽極電位比陰極高得多，容易氧化碳材料，氧化物的形成會增大表面接觸電阻，因此也需如雙極板一樣在表面涂上貴金屬等物質(zhì)，由此需要對氣體擴(kuò)散層的孔隙率和導(dǎo)電性更加優(yōu)化，然而這又再一次增加了成本。
盡管面臨種種難題亟待解決，但目前國內(nèi)典型示范項目已經(jīng)開始投產(chǎn)，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢在必行，據(jù)招商證券預(yù)計5-10年內(nèi)，電解水制氫成本將降至20元/kg以內(nèi)，成本下降的驅(qū)動力主要來自兩塊，“光伏、風(fēng)電等可再生能源發(fā)電成本的大幅下降”和“電解槽設(shè)備成本隨著技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模化將在2030年前下降60%-80% ，電解水制氫系統(tǒng)的耗電量和運維成本降低。”
成本與技術(shù)的雙輪驅(qū)動并非一朝一夕可以完成，如上文所分析，技術(shù)上需要平衡和優(yōu)化，在升級的同時，如何保證整體設(shè)備的穩(wěn)定壽命，如何讓材料大規(guī)模商用化、國產(chǎn)化，都需要從長計議;制氫成本有多方面原因，未來隨著電價的降低以及材料設(shè)備的進(jìn)一步優(yōu)化，氫氣將更加具有競爭力。
來源：氫能觀察 記者：張贏
作者：張贏
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