行業內供需兩端現狀對于綠氫/灰氫發展的分析
發布時間：
2023-03-07
長期來看，可再生能源電解水制氫是實現清潔性的必要選擇。考慮減排效益，可再生能源與電解水制氫的結合將是最優發展路徑，綜合生產過程碳排放來看，水電、風電制氫在 1kgCO2/kgH2 以下，利用光伏發電，這一指標在 3kgCO2/kgH2 以下，若使用現有電網電力制氫，則排放在 38~45kgCO2/kgH2。預計未來可再生能源制氫占比將快速升。
需求端：綠氫項目以替代灰氫、供給加氫站為主
長期來看，可再生能源電解水制氫是實現清潔性的必要選擇。
考慮減排效益，可再生能源與電解水制氫的結合將是最優發展路徑，綜合生產過程碳排放來看，水電、風電制氫在 1kgCO2/kgH2 以下，利用光伏發電，這一指標在 3kgCO2/kgH2 以下，若使用現有電網電力制氫，則排放在 38~45kgCO2/kgH2。預計未來可再生能源制氫占比將快速升。
從落地項目看，綠氫現階段需求主要為替代灰氫用于工業、能源脫碳減排。
氫氣的下游應用主要包括工業和能源兩個領域。在能源領域，氫氣作為內燃機或燃料電池的燃料，在交通運輸、建筑方面發揮作用。同時，氫氣也可作為儲能的介質，具有存儲容量高，供電時間長，存儲成本低等諸多優勢。目前內蒙等可再生資源豐富地區綠氫項目加速落地，制得的綠氫主要替代灰氫用于化工行業減排、供給加氫站等方向。
? 化工領域：
綠氫為石化、化工行業深度脫碳的重要途徑。鋼鐵、冶金、水泥等高耗能工業既是碳排放大戶（占全球工業碳排放的 45%），又是深度減碳的難點。氫能具有良好脫碳能力，可直接還原鐵等金屬，若應用于煉鋼冶金產業將極大程度降低碳排放。同時，綠氫是石化、化工行業深度脫碳的重要途徑。一方面制得的氫氣與現有煤化工裝置結合，實現甲醇生產過程的降本增效和節能減排；另一方面，通過與城市氫能源示范公交線路協作等方式拓展應用場景，推進氫能產業鏈的發展。
? 能源領域：運輸+儲能
氫能亦可應用于運輸、儲能領域。氫燃料電池系統功率密度大，動力系統體積小，相較于鋰電池具有更高的能量密度與更長的續航里程，更適合長距離、重載荷運輸領域。儲能領域，現有的風電、水電、光伏等可再生能源儲能技術雖能實現零排放，但是存在隨機性、波動性問題，存在棄電現象。氫能與分布式能源結合，能夠良好解決該問題。未來綠氫的市場將從 2030 年開始快速提升并且占據主導地位。目前，由于灰氫技術成熟度高且成本較低，灰氫占據氫能主要市場。我們判斷 2030 年后隨著綠氫生產成本下降、減排需求的進一步提升，綠氫的市場將有顯著的提升。據中國氫能聯盟研究院預計，遠期（2060 年）超過 75%的氫氣供應將來自綠氫，非化石能源消費占比 80%。
供給端：短期堿性電解為最優選擇，長期 PEM 具備更大降本潛力
技術路徑看，現階段電解水制氫主要有四種主流技術：堿性電解槽（ALK，Alkaline，技術最為成熟）、質子交換膜電解槽（PEM，商業化比例較低）、固體氧化物電解槽（SOEC，未完全商業化）、陰離子交換膜電解槽（AEM，未完全商業化）。
? 堿性（ALK）電解槽：
為目前最成熟技術、具有操作簡單、成本較低、產業鏈成熟等優勢，但不足之處在于效率較低、啟停較慢、與可再生能源耦合性較差。電解堿水制氫設備主要由電極、電解液、陽極、陰極和膈膜等組成，其中電極和隔膜為核心環節。
- 設備效率：據中國工程科學報告顯示，通常堿性液體電解質電解槽的工作電流密度約 0.25A/cm2，能源效率約 60%。
- 與可再生能源耦合性：堿性電解槽難以快速啟停，制氫速度難以快速調節，因為須時刻保持電解池的陽極和陰極兩側壓力均衡，防止氫氧氣體穿過隔膜混合引起爆炸。因此，堿性電解槽難以與具有快速波動特性的可再生能源配合。
? 質子交換膜（PEM）電解槽：
選用具有良好化學穩定性、質子傳導性、氣體分離性的全氟磺酸質子交換膜作為固體電解質替代石棉膜，能有效阻止電子傳遞，提高電解槽安全性。PEM 水電解槽主要部件由內到外依次是質子交換膜、陰陽極催化層、陰陽極氣體擴散層、陰陽極端板等，其中質子交換膜與催化層成本是制約 PEM 發展的主要因素：
1）質子交換膜：質子交換膜是電解槽核心部件，為降低交換膜成本，提升性能，技術創新+國產替代，未來有望推動成本下降。
2）電催化劑：電催化劑需要具備抗腐蝕性、抗氧化、良好的比表面積、氣孔率、催化活性、電子導電性、電化學穩定性等性質。目前陰極催化劑材料主要選應用 Pt、Pd 貴金屬及其合金，陽極催化劑主要選用 Ir、Ru 貴金屬及其氧化物，
ALK 當前階段成本更低，PEM 長期來看有著更大的降本空間，且可與波動的可再生能源實現耦合。由于堿性電解槽基本實現國產化，且單槽產能達到 1000Nm3/h，因此堿性電解技術可以實現更低的成本，所占市場份額更高，但是隨著質子交換膜與催化劑成本的不斷下降，PEM 電解槽成本將具備更大的下降空間，同時考慮到 PEM 能較好適應可再生能源發電的波動性，未來制氫過程可以更好地與可再生能源進行耦合，實現“綠氫”的大規模生產，因而市場占比將逐步提升。
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