綠氫量產(chǎn)有多難

要實現(xiàn)雙碳目標，綠氫或是氫能發(fā)展的最佳選擇。

氫產(chǎn)能可分為灰氫、藍氫和綠氫等。其中，綠氫是使用可再生能源發(fā)電生產(chǎn)的，如水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、海洋能發(fā)電和地?zé)崮?/strong>發(fā)電等，再通過電解水的方式制氫，是真正實現(xiàn)零碳制氫的方式。

我國雖是氫能第一產(chǎn)能大國，但是大部分產(chǎn)能為灰氫?；覛浜退{氫，并不是真正意義上的清潔氫能，在生產(chǎn)過程中，灰氫和藍氫要用到不可再生資源，如煤炭、石油、煉廠氣、天然氣等。在生產(chǎn)灰氫的過程中還會大量排放包括二氧化碳在內(nèi)的溫室氣體。

全球來看，現(xiàn)階段電解水制氫產(chǎn)能都相當弱小，不到4%，在我國，更是只有微弱的1%。

根據(jù)中國氫能聯(lián)盟《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書 2020》相關(guān)信息，目前，我國氫氣供給結(jié)構(gòu)中，約77.3%來自化石能源制氫，21.2%來自工業(yè)副產(chǎn)氫。

根本原因在于，使用大電網(wǎng)電源電解水制氫高昂的成本，使其缺少經(jīng)濟價值。利用可再生能源產(chǎn)出廉價電力，降低電解水制氫的成本，是綠氫實現(xiàn)規(guī)?；凸I(yè)化的關(guān)鍵。

綠電價格

牽一發(fā)動全身

由光伏和風(fēng)能構(gòu)成的綠電，是生產(chǎn)綠氫最理想的能量來源。

“風(fēng)光”綠電+綠氫，是互相成就的雙環(huán)保路線。

一方面，太陽能、風(fēng)能轉(zhuǎn)化為綠電，通過電解水設(shè)備產(chǎn)生綠氫，氫燃料電池的發(fā)電效率與綜合能效遠高于傳統(tǒng)化石能源(石油的3倍、酒精的3.9倍、煤炭的4.5倍)，還是零碳排放。

另一方面，在風(fēng)電和光伏發(fā)電的聚集區(qū)建設(shè)制氫基地，能有效消納風(fēng)光電能。風(fēng)光發(fā)電有很強的波動性和隨機性，將風(fēng)光電用于電解水制氫，可提高能源儲存，拓展電能利用。

我國規(guī)?；娘L(fēng)電和光伏基地都在欠發(fā)達地區(qū)，如新疆、內(nèi)蒙古、甘肅等，當?shù)貙︼L(fēng)光電的消耗十分有限。氫氣需求被打開，不僅為光伏風(fēng)電網(wǎng)找到了規(guī)?；拇笫袌?，也將進一步促進綠電產(chǎn)能的優(yōu)化。

政策也在加速綠氫與風(fēng)光發(fā)電的耦合。

2022年初，國家能源局、工信部、住建部、交通運輸部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等五部聯(lián)合印發(fā)《智能光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃(2021-2025年)》提出，支持智能光伏制氫等試點示范項目建設(shè)。

然而，通往美好理想道路上，總有擋在前方的“攔路虎”。沒有廉價的電力降低制氫成本，是當前綠氫量產(chǎn)的重要牽制因素。

據(jù)中國電力工程顧問集團華北電力設(shè)計院有限公司高級工程師田江南介紹，綠電價格覆蓋了電解水制氫50%-80%的總成本。

原就職于中石化茂名石化公司的業(yè)內(nèi)人士吳均布表示，用電解水方法生產(chǎn)1標準立方米氫氣，需要5-6度電，1噸氫氣的體積為1.12萬標立方米，綠氫對電能消耗可想而知。

近年來，隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模化，風(fēng)光電能的成本在不斷降低，過去十年，中國光伏度電成本已下降約85%，2021年，跨入平價上網(wǎng)時代。

不過橫向?qū)Ρ龋娊馑茪涑杀疽廊惶幱诹觿?，根?jù)中國氫能聯(lián)盟相關(guān)信息，每千克制氫成本，化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫優(yōu)勢明顯。

“當用電價格在0.1元/kwh左右時，電解水制氫從成本上，才有可能與另外兩種制氫方式抗衡”，田江南說道。

風(fēng)光電用于制氫，還會面臨綠氫的運輸問題。我國光伏風(fēng)電站可以就地解決綠氫生產(chǎn)，但無法自產(chǎn)自銷，需要大量輸往經(jīng)濟更發(fā)達、對綠氫需要更大的地區(qū)。

目前，我國氫能源車載運輸、氫能管道等基礎(chǔ)設(shè)施還不完善，加氫站數(shù)量也相當有限。綠氫的交付和運輸成本，是另一只“攔路虎”。

“要降低綠氫價格，需要通過技術(shù)、政策等措施并行，為綠電+綠氫做好商業(yè)上的鋪墊和保障”，田江南說道：“我國是世界最大的產(chǎn)氫國，無論是從綠氫規(guī)模還是產(chǎn)業(yè)鏈完整性來講，國內(nèi)都優(yōu)于國際。

風(fēng)光發(fā)電平準化度電成本在未來十年仍有40-55%的下降空間，這將對綠氫的規(guī)?；鸬椒e極影響。”

電解設(shè)備

沖破瓶頸的關(guān)鍵

當前主流綠氫技術(shù)路線，主要為堿性水電解制氫技術(shù)(AE)和質(zhì)子交換膜水電解制氫技術(shù)(PEM)。

AE制氫較成熟，可通過多臺并聯(lián)實現(xiàn)較大規(guī)模制氫，并正在探索革新槽體組件材料、擴大電解槽出力、采用零極距設(shè)計等降本舉措，但是制氫的效率和純度較低。

PEM制氫流程簡單，能效高，制氫純度高，但貴金屬催化劑、膜電極、氣體擴散層、雙極板等成本偏高。長期來看，PEM與綠電結(jié)合的應(yīng)用前景更廣闊。

放眼全球，據(jù)國際能源署(IEA)數(shù)據(jù)，2020年全球電解制氫項目的裝機規(guī)模合計為300兆瓦，相應(yīng)的氫氣產(chǎn)能約為2.3萬~4萬噸，按照該機構(gòu)預(yù)測，2021~2026年的年均增長率將為123%。截至2020年底，全球已有約70個在建的綠氫項目，其中GW級項目已超20個，美國、歐洲、日本和韓國均將AE規(guī)?；蚉EM產(chǎn)業(yè)化視為未來主流。

聚焦國內(nèi)，不少巨頭已開始布局電解槽賽道。2021年，陽光電源發(fā)布了“SEP 50”PEM電解槽，該產(chǎn)品單槽功率250kW，是國內(nèi)首款量產(chǎn)的50標方PEM電解槽;中科院大連化學(xué)物理研究所、中船重工集團718研究所等單位正開展PEM純水制氫設(shè)備的研究與制造;中石化、三一重工、龍蟠科技等也在重點關(guān)注PEM水電解制氫。

我國電解水制氫尚未進入產(chǎn)業(yè)化階段，不少核心技術(shù)，還面臨卡脖子的困境。田江南介紹道，我國AE制氫技術(shù)水平與國外相近，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)備制造、工藝集成能力。但在PEM制氫技術(shù)方面，國內(nèi)尚處于研發(fā)走向工業(yè)化的前期階段，核心技術(shù)和設(shè)備都在國外，如電解槽的質(zhì)子交換膜和膜電極等，目前主要依賴進口。

電解水制氫系統(tǒng)在制氫站總成本中的占比約為80%，且技術(shù)壁壘深，積累時間長，目前真正做好的企業(yè)也不多。因此，電解槽的成本和技術(shù)的進一步革新，是綠氫產(chǎn)能更上一層樓的關(guān)鍵。

相關(guān)研究表明，通過使用多堆棧系統(tǒng)(結(jié)合多個電解槽棧來增加電解槽系統(tǒng)的總體容量)，可在現(xiàn)有技術(shù)下降低基礎(chǔ)設(shè)備投資成本20%～40%。AE電解裝置使用壽命已提高一倍，PEM制氫的原材料成本，也有較大下降空間。

田江南表示，推動電解水制氫系統(tǒng)向輕量化、小型化的方向發(fā)展，不僅可以降低制氫站的土建成本，還有望聯(lián)結(jié)更多創(chuàng)新型企業(yè)，共同致力于電解水的技術(shù)開發(fā)和成本控制。

根據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》的預(yù)測，堿式和PEM的成本都將在2035年左右低于灰氫，電解水制氫成本有望在2035年左右實現(xiàn)與灰氫平價，到2050年，綠氫將具有明顯的競爭優(yōu)勢。

應(yīng)用終端

綠氫沒有邊際

綠氫的使用場景，遠比大部分人想象的豐富。

氫燃料電池在商用車領(lǐng)域的潛能不言而喻。我國已規(guī)劃好燃料電池城市示范群，氫燃料電池在貨用卡車、長途汽車、重工運輸?shù)壬逃妙I(lǐng)域，與電動汽車相比，在續(xù)航能力、低溫環(huán)境耐受力、加注速度等方面優(yōu)勢明顯。

綠氫的作為遠不止于彌補新能源電動車的不足，綠氫還能引導(dǎo)大量可再生能源從電力部門流向交通運輸、工業(yè)、建筑等終端使用部門，實現(xiàn)深度脫碳。

儲能方面，綠氫是可再生能源大規(guī)模、長周期儲存的最優(yōu)解。電化學(xué)儲能和物理儲能，適用于短期內(nèi)的新能源波動，在長期儲能上，電解水制氫能進一步提高新能源的利用率，減少為需求和產(chǎn)能峰值不匹配造成的能源浪費。

化工領(lǐng)域，氫的應(yīng)用場景包括但不限于氫冶金、合成氨、合成甲醇、石油重整、石油精制、石油裂化、合成燃料等。

綠氫還是實現(xiàn)碳捕集、存儲、封裝(CCUS)的規(guī)?；瘧?yīng)用的有力工具。綠色氨氣、綠色甲醇及氫冶煉的發(fā)展，也將進一步擴展綠氫的終端應(yīng)用。

田江南表示，隨著綠氫在我國終端能源體系中占比不斷擴大，以及各工業(yè)部門減碳壓力的增大，綠氫未來在發(fā)電、交通、合成化工品、冶金等領(lǐng)域的應(yīng)用占比會有較大的增加。

田江南認為，在政策方面，還有很多空間，來完善綠氫產(chǎn)業(yè)鏈，為應(yīng)用端提供更好的可行性支持。

如將新建新能源電站配套制氫項目等同于儲能對待，綠氫加氫站給予優(yōu)惠補貼等;再比如，目前有效的應(yīng)急管理部文件要求制氫項目必須進化工園區(qū)，這限制了很多項目的落地，此類文件有待調(diào)整優(yōu)化;以及規(guī)劃建設(shè)大型綠氫示范基地，讓先進的技術(shù)、產(chǎn)品在可控范圍內(nèi)同場競技，相互促進。

我國首個萬噸級光伏綠氫示范項目，也是全球在建的最大光伏綠氫生產(chǎn)項目——中國石化新疆庫車綠氫示范項目，已于2021年11月30日正式啟動建設(shè)，投產(chǎn)后年產(chǎn)綠氫可達2萬噸。

根據(jù)國際氫能委員會與麥肯錫聯(lián)合發(fā)布的《氫能洞察》預(yù)測，到2030年，全球氫能產(chǎn)業(yè)鏈的投資總量將超過3000億美元。其中，制氫項目會是最大份額，綠氫投資進入高速增長期。

隨著綠電和電解槽成本的不斷下行，綠氫的應(yīng)用空間將持續(xù)上行，綠氫的量產(chǎn)也將有望逐步實現(xiàn)。