綠氫技術(shù)岔路口：堿水制氫之后，PEM優(yōu)勢(shì)與潛力漸顯

跟上時(shí)代 2024-08-11 發(fā)布于內(nèi)蒙古

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氫能被譽(yù)為“21世紀(jì)的終極能源”。在灰氫、藍(lán)氫、綠氫三條制氫技術(shù)路線中，綠氫是唯一能夠擺脫化石能源，實(shí)現(xiàn)清潔脫碳的制氫方式，并可以作為可再生能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化的理想載體，被認(rèn)為是未來(lái)氫能的主流路線。

四大綠氫制備路線中，哪一條代表未來(lái)趨勢(shì)？綠氫降本之路會(huì)如何推進(jìn)？本文將結(jié)合行業(yè)專家的專訪，對(duì)這些關(guān)鍵問(wèn)題做分析探討。

電解水制氫四條技術(shù)路線

綠氫即電解水制氫，目前市場(chǎng)上主要有堿性電解（ALK）、質(zhì)子交換膜電解（PEM）、固體氧化物電解（SOEC）和陰離子交換膜（AEM）四種技術(shù)路線。

堿性電解（ALK）技術(shù)是目前電解水領(lǐng)域中最成熟的技術(shù)，基本原理是水在電流作用下通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)被分解為氫氣和氧氣，二者分別在電解池的陰極和陽(yáng)極析出。

PEM電解的工作原理是水在陽(yáng)極通過(guò)催化作用分解為氧氣和氫離子（H+），氫離子隨后穿越電解質(zhì)隔膜到達(dá)陰極，并在陰極處獲得電子生成氫氣，反應(yīng)完成后，氫氣和氧氣分別通過(guò)陰陽(yáng)極的雙極板進(jìn)行收集并輸送；該技術(shù)當(dāng)前處于市場(chǎng)化初期階段，核心組件涵蓋具有出色質(zhì)子交換能力的聚合物薄膜，以及緊密貼合在電解質(zhì)薄膜兩側(cè)的陰陽(yáng)極催化層。

AEM電解槽作為一種新型的電解設(shè)備，采用陽(yáng)離子交換膜作為隔膜，能夠在更廣泛的pH范圍內(nèi)運(yùn)行。

SOEC電解槽是一種高溫電解設(shè)備，其制氫原理在于使用固態(tài)氧化物作為電解質(zhì)，并在高溫條件下運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)水或二氧化碳的電化學(xué)分解。

四條技術(shù)路線在目前發(fā)展階段分別有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？接受第一財(cái)經(jīng)專訪時(shí)，中國(guó)能建華北電力設(shè)計(jì)院高級(jí)工程師田江南對(duì)四種電解水制氫的技術(shù)路線進(jìn)行了分析比較。

他表示，ALK是目前最主流的技術(shù)路線，市場(chǎng)占有率約95%，主要是利用鎳網(wǎng)作為電極、PPS材料作為隔膜，雖然這種技術(shù)已經(jīng)有上百年的歷史，但存在結(jié)構(gòu)性限制因素，比如電極與隔膜之間有較大間距、電流密度較低、隔膜的承壓能力差、體積較大等；PEM技術(shù)是為了解決ALK的低電密問(wèn)題而提出的，它采用了零間距的膜電極技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是電流密度較高、響應(yīng)速度更快，但也存在弊端，比如催化劑需要鉑、銥等貴金屬，隔膜依賴國(guó)外進(jìn)口材料等，限制了其發(fā)展；AEM技術(shù)綜合了ALK與PEM的優(yōu)勢(shì)，具有零間距、電密高、隔膜承壓能力大等優(yōu)勢(shì)，近半年來(lái)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，已有廠家開(kāi)始推出AEM產(chǎn)品；SOEC技術(shù)目前尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，該技術(shù)由于需要維持在800℃左右的高溫狀態(tài)，因此使用場(chǎng)景受限，主要適用于有廢熱產(chǎn)生的場(chǎng)景，距離商業(yè)化較遠(yuǎn)。

PEM的優(yōu)勢(shì)與市場(chǎng)潛力漸顯

綜合來(lái)看，PEM技術(shù)是堿水制氫之后最有可能先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化落地的路線。那么，這種技術(shù)相較于堿水制氫有哪些特點(diǎn)？

山東賽克賽斯氫能源公司是國(guó)內(nèi)最早從事PEM純水電解制氫裝備的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)之一，至今已有30余年歷史，對(duì)PEM技術(shù)和設(shè)備有著深入研究。賽克賽斯副總經(jīng)理丁孝濤在接受第一財(cái)經(jīng)專訪時(shí)表示，PEM技術(shù)相較堿水制氫主要有三大優(yōu)勢(shì)，即具備全生命周期經(jīng)濟(jì)性、與可再生能源耦合更好、氫氣純度高延長(zhǎng)燃料電池壽命。

首先，從成本角度出發(fā)，目前堿水制氫能夠占據(jù)主流，主要是因?yàn)樵O(shè)備成本低。然而對(duì)比全生命周期成本，PEM技術(shù)雖然初始設(shè)備投資成本較高，大約是堿水制氫的3-5倍，但由于它的后期維護(hù)成本低、使用壽命長(zhǎng)，全生命周期運(yùn)行成本可以與堿水制氫達(dá)到持平。

第二，能夠適應(yīng)可再生能源的波動(dòng)性，是PEM技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。丁孝濤表示，PEM技術(shù)能夠快速響應(yīng)風(fēng)光等綠電的波動(dòng)性、間歇性和周期性特征，從而實(shí)現(xiàn)更好的耦合匹配。這主要因?yàn)閴A性制氫的差壓分離過(guò)程在電源波動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生氫氧互串，產(chǎn)生安全隱患，且堿性制氫設(shè)備冷啟動(dòng)需要1小時(shí)以上，響應(yīng)較慢，而PEM在這兩方面則具有明顯優(yōu)勢(shì)。PEM適配可再生能源的特性決定了其可以更大程度地利用風(fēng)光綠電，從而享受綠電價(jià)格下降帶來(lái)的收益。

第三，PEM設(shè)備產(chǎn)氫的純度高，雜質(zhì)種類少，是氫燃料電池或其他高品質(zhì)用氫場(chǎng)景的最佳供氫方式。有研究表明，PEM設(shè)備生產(chǎn)的氫氣不含一氧化碳、硫化物等會(huì)對(duì)燃料電池造成不可逆損害的雜質(zhì)，可顯著延長(zhǎng)氫燃料電池的使用壽命。

此外，中金公司研報(bào)還指出了PEM在負(fù)荷范圍和后期維護(hù)方面的優(yōu)勢(shì)。從負(fù)荷范圍來(lái)看，堿式電解槽功率需要維持在額定功率的30%（30%~100%）以上，當(dāng)可再生能源發(fā)電突然減少時(shí)會(huì)造成一定的浪費(fèi)；PEM電解槽功率負(fù)荷范圍可以達(dá)到5%~125%，更低的功率下限在風(fēng)光發(fā)電較小時(shí)節(jié)省用電成本，同時(shí)在風(fēng)光資源發(fā)電最有效的時(shí)刻超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，將可再生能源的利用率提升至最高。

維護(hù)成本和環(huán)保方面，得益于更小的體積和重量，PEM電解槽在運(yùn)輸、安裝及設(shè)備更換維修時(shí)更為快捷及方便，使用叉車即可完成操作，而堿性電解槽需使用大型起重設(shè)備更換；與此同時(shí)，堿性電解槽使用堿液，需定期維護(hù)處理，維修成本更高，且堿液本身會(huì)造成環(huán)境污染，需要考慮排放問(wèn)題。

擁有諸多優(yōu)勢(shì)的PEM技術(shù)，為何規(guī)模仍遠(yuǎn)不及堿水制氫？丁孝濤稱，當(dāng)前市場(chǎng)之所以還沒(méi)有廣泛采用PEM，一個(gè)重要原因是氫產(chǎn)業(yè)鏈整體尚處于早期發(fā)展階段，氫儲(chǔ)運(yùn)等后續(xù)成本仍然偏高，大規(guī)模產(chǎn)氫后滿足經(jīng)濟(jì)性的消納方式仍在探索，因此大多數(shù)企業(yè)出于保守考慮，仍傾向選擇堿水制氫。但隨著氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和下游應(yīng)用的成熟，未來(lái)PEM技術(shù)的市場(chǎng)潛力巨大。丁孝濤預(yù)計(jì)，2026年P(guān)EM技術(shù)的市場(chǎng)占比將達(dá)到20%以上，而綠氫與灰氫成本持平可能在2030年左右實(shí)現(xiàn)。同時(shí)他也強(qiáng)調(diào)，PEM大規(guī)模落地不僅需要設(shè)備成本的降低，更需要綠電價(jià)格的下降，以及全產(chǎn)業(yè)鏈成本的降低。

在PEM應(yīng)用方面，中金研報(bào)顯示，交通領(lǐng)域是應(yīng)用占比最高的場(chǎng)景。中金預(yù)測(cè)，PEM電解槽憑借其風(fēng)光耦合性強(qiáng)的特點(diǎn)在海外化工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了更加廣泛的應(yīng)用，在化工領(lǐng)域的裝機(jī)量將快速攀升。

關(guān)于AEM和SOEC技術(shù)，丁孝濤表示，AEM結(jié)合了堿水制氫和PEM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，成本介于堿水制氫和PEM之間；而SOEC雖然在煉鋼等特定應(yīng)用場(chǎng)景中有潛力，但總體更加早期，二者短期內(nèi)都缺乏大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化能力。

綠氫平價(jià)關(guān)鍵：降低設(shè)備成本和電價(jià)

氫能想最終成為光伏一樣的平價(jià)能源，重點(diǎn)在于降本。田江南表示，實(shí)現(xiàn)綠氫工業(yè)化與規(guī)模化需要多重因素的共同推動(dòng)，從制氫端來(lái)看，降低電價(jià)和降低設(shè)備成本是最關(guān)鍵的兩點(diǎn)。

他分析稱，第一，電價(jià)在電解水制氫的成本構(gòu)成中占比約為50%-80%，是最大的可變成本，而電價(jià)在綠氫成本中所占的比例與系統(tǒng)的配置有關(guān)，如對(duì)電解水制氫設(shè)備選擇、電源投資占比等，存在降本空間；第二，電解水制氫設(shè)備在制氫站固定投資總額中約占70%-90%，是最主要的固定成本，目前設(shè)備價(jià)格較高，降低設(shè)備成本能夠有效降低制氫成本；此外，電解水制氫設(shè)備的電解效率目前普遍偏低，提升電解效率意味著消耗同樣的電可以制得更多的氫氣，也是降本增效的重要手段。

堿性電解槽降本已見(jiàn)成效，并且仍有空間。浙商證券研報(bào)顯示，堿性電解槽已基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，2023年國(guó)內(nèi)外價(jià)格分別約為151萬(wàn)/MW、240萬(wàn)/MW，其中膜片/電極在占成本大頭，約57%。田江南稱，目前綠氫項(xiàng)目正在示范過(guò)程中，單套1000Nm3/h 的ALK電解水制氫系統(tǒng)的市場(chǎng)價(jià)格已較2020年左右降低了200萬(wàn)~300萬(wàn)元，他預(yù)計(jì)仍有100萬(wàn)~200萬(wàn)元的降本空間。

相比之下，PEM電解槽價(jià)格較高，降本節(jié)奏也較慢。PEM電解槽的主要成本來(lái)源包括雙極板、膜電極和催化劑。浙商證券研報(bào)顯示，PEM電解槽2023年國(guó)內(nèi)外價(jià)格分別約為890萬(wàn)/MW、800萬(wàn)/MW，其中雙極板在成本占比達(dá)53%。而我國(guó)PEM電解槽國(guó)產(chǎn)化率較低，主要原因有二：第一，催化劑所需的鉑和銥國(guó)內(nèi)儲(chǔ)量少，依賴海外進(jìn)口；第二，質(zhì)子交換膜多為全氟磺酸膜，制備工藝復(fù)雜。

電力成本對(duì)綠氫成本也有著巨大影響。根據(jù)國(guó)泰君安研報(bào)，隨著電價(jià)降低，綠氫制備成本的下降趨勢(shì)明顯，與灰氫、藍(lán)氫相比，當(dāng)電價(jià)分別低于0.15元/kWh和0.25元/kWh時(shí)，綠氫具備成本優(yōu)勢(shì)，制氫成本分別為9.89元/kgH2和15.27元/kgH2。

除了降本，電解水制氫的便利性和安全性也是業(yè)內(nèi)的重要議題。田江南表示，當(dāng)前制氫設(shè)備的體積較大、重量較重，近期部分廠家推出的3000Nm3/h的堿性電解槽荷載超過(guò)100噸，不便于設(shè)備的運(yùn)輸和安全運(yùn)行。另一方面，綠氫的零碳化需要與風(fēng)力、光伏發(fā)電等可再生能源相結(jié)合，而可再生能源具有波動(dòng)性、隨機(jī)性、間歇性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)可能導(dǎo)致電解水制氫設(shè)備存在安全隱患。

據(jù)悉，電解水制氫設(shè)備的隔膜的承壓能力有限，ALK制氫設(shè)備的膜承壓能力大概為幾十千帕，PEM制氫設(shè)備中膜的承壓能力約為一百千帕，當(dāng)可再生能源的電源不穩(wěn)定時(shí)，可能會(huì)超出膜的承壓上限，導(dǎo)致氫氧互串，這種安全隱患也有待解決。

多方企業(yè)加速布局電解槽

國(guó)內(nèi)堿性電解槽技術(shù)源于中船718所，早期718 所、蘇州競(jìng)立、天津大陸“老三家”企業(yè)瓜分市場(chǎng)，發(fā)展至今，堿性電解槽玩家主要包括三類：第一類是“老三家”企業(yè)，包括天津大陸、中船派瑞氫能、考克利爾競(jìng)立、康明斯等；第二類是跨界布局的新能源企業(yè)，包括陽(yáng)光氫能、隆基氫能、三一氫能、華光環(huán)能、天合元?dú)洌坏谌愂切氯刖终撸◤V東盛氫（昇輝科技子公司）、雙良節(jié)能、氫器時(shí)代、京電設(shè)備、長(zhǎng)春綠動(dòng)、氫輝能源等。

近年來(lái)，電解槽供給大幅提升。根據(jù)高工氫電產(chǎn)業(yè)研究所（GGII）調(diào)研統(tǒng)計(jì)，2023年國(guó)內(nèi)電解水制氫電解槽出貨量達(dá)1.2GW（含出口，不含研發(fā)樣機(jī)），同比大幅增長(zhǎng)61%。其中，派瑞氫能出貨量排名第一，隆基氫能躋身第二，華電重工、航天思卓首次進(jìn)入前五。TOP5廠商市占率合計(jì)為54%，同比2022年大幅下降25%。從集中度的下降可以看出，新玩家正在入局，行業(yè)處于快速發(fā)展階段。

相較于堿性電解槽，PEM電解槽目前比較小眾，主流廠商以外國(guó)企業(yè)為主，前五核心廠商為Proton On-Site、康明斯、西門子、東芝、山東賽克賽斯，共占據(jù)七成左右市場(chǎng)份額，集中度較高。其中大型和中型類的PEM水電解槽占據(jù)市場(chǎng)第一和第二細(xì)分。

2023年國(guó)內(nèi)超40家企業(yè)發(fā)布電解槽新品，電解槽朝著大標(biāo)方、高電密、低電耗、輕量化的方向不斷迭代。業(yè)內(nèi)人士指出，經(jīng)過(guò)前期的招標(biāo)以及小規(guī)模的建設(shè)運(yùn)營(yíng)，電解槽出貨將進(jìn)入快速落地期，預(yù)計(jì)2024年需求將達(dá)到3GW，2025年電解槽需求將達(dá)到6GW，同比翻倍增長(zhǎng)。

從電解槽產(chǎn)業(yè)鏈投資角度來(lái)看，受成套設(shè)備價(jià)格持續(xù)下降影響，受益環(huán)節(jié)正在上移。田江南指出，在2020年前最先受益的是電解水制氫設(shè)備廠家，電解水制氫設(shè)備廠家有較大的盈利空間，但是由于短期內(nèi)大量廠家涌入，削弱了行業(yè)的盈利能力，而電解水制氫設(shè)備的供應(yīng)鏈如電解水制氫的隔膜、電極、機(jī)加工、電鍍等，仍有較大的盈利空間。

上市公司中，華光環(huán)能（600475.SH）2023年內(nèi)成功下線產(chǎn)氫量1500m3/h的堿性電解槽制氫設(shè)備，并完成性能測(cè)試鑒定，設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)電流密度、1.6MPa壓力下的直流電耗為4.2度電每標(biāo)方氫，處于行業(yè)領(lǐng)先水平。同時(shí)，公司智能化、綠色化、數(shù)字化特種設(shè)備新基地的建設(shè)方案中同步規(guī)劃了500MW電解槽及制氫系統(tǒng)的生產(chǎn)線。

雙良節(jié)能（600481.SH）在2023年11月發(fā)布了新款JSDJ S1系列堿性水電解槽，該產(chǎn)品樣機(jī)氫氣產(chǎn)量達(dá)到1001.23m3/h，直流能耗為4.04kWh/Nm3@3000A/m2，氣液分離出口氫氣純度為99.99%，使用壽命可達(dá)20年。雙良一期年產(chǎn)300套綠電制氫裝備已于2023年9月建成投產(chǎn)，投資1.5億元。二期年產(chǎn)700套綠電制氫裝備已經(jīng)開(kāi)工，投資3.5億元，達(dá)產(chǎn)后公司總產(chǎn)能將達(dá)1000套。

億華通（688339.SH）主要從事氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，2023年，公司通過(guò)子公司億華通氫能科技開(kāi)始涉足PEM電解水制氫設(shè)備生產(chǎn)。近期，億華通在張家口搭建了堿液-PEM混聯(lián)制氫的平臺(tái)，由風(fēng)電光伏模擬器、混聯(lián)制氫系統(tǒng)、氫儲(chǔ)能系統(tǒng)、電網(wǎng)模擬器四部分組成。該平臺(tái)是面向即將開(kāi)建的張北200MW風(fēng)氫一體化項(xiàng)目的氫儲(chǔ)能小試驗(yàn)證平臺(tái)，通過(guò)調(diào)度算法讓堿液制氫穩(wěn)定平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)PEM制氫適應(yīng)大部分的波動(dòng)，鋰電池主要起調(diào)頻作用，高頻充放電以維持微電網(wǎng)電頻率和相位的穩(wěn)定。在接受第一財(cái)經(jīng)采訪時(shí)，億華通表示，公司電解水制氫設(shè)備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于利用混連系統(tǒng)平衡電網(wǎng)波動(dòng)，最大化利用堿性和PEM的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)取長(zhǎng)補(bǔ)短。

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