行業(yè)內(nèi)供需兩端現(xiàn)狀對(duì)于綠氫/灰氫發(fā)展的分析
發(fā)布時(shí)間：
2023-03-07
長(zhǎng)期來(lái)看，可再生能源電解水制氫是實(shí)現(xiàn)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(jié)合將是最優(yōu)發(fā)展路徑，綜合生產(chǎn)過(guò)程碳排放來(lái)看，水電、風(fēng)電制氫在 1kgCO2/kgH2 以下，利用光伏發(fā)電，這一指標(biāo)在 3kgCO2/kgH2 以下，若使用現(xiàn)有電網(wǎng)電力制氫，則排放在 38~45kgCO2/kgH2。預(yù)計(jì)未來(lái)可再生能源制氫占比將快速升。
需求端：綠氫項(xiàng)目以替代灰氫、供給加氫站為主
長(zhǎng)期來(lái)看，可再生能源電解水制氫是實(shí)現(xiàn)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(jié)合將是最優(yōu)發(fā)展路徑，綜合生產(chǎn)過(guò)程碳排放來(lái)看，水電、風(fēng)電制氫在 1kgCO2/kgH2 以下，利用光伏發(fā)電，這一指標(biāo)在 3kgCO2/kgH2 以下，若使用現(xiàn)有電網(wǎng)電力制氫，則排放在 38~45kgCO2/kgH2。預(yù)計(jì)未來(lái)可再生能源制氫占比將快速升。
從落地項(xiàng)目看，綠氫現(xiàn)階段需求主要為替代灰氫用于工業(yè)、能源脫碳減排。
氫氣的下游應(yīng)用主要包括工業(yè)和能源兩個(gè)領(lǐng)域。在能源領(lǐng)域，氫氣作為內(nèi)燃機(jī)或燃料電池的燃料，在交通運(yùn)輸、建筑方面發(fā)揮作用。同時(shí)，氫氣也可作為儲(chǔ)能的介質(zhì)，具有存儲(chǔ)容量高，供電時(shí)間長(zhǎng)，存儲(chǔ)成本低等諸多優(yōu)勢(shì)。目前內(nèi)蒙等可再生資源豐富地區(qū)綠氫項(xiàng)目加速落地，制得的綠氫主要替代灰氫用于化工行業(yè)減排、供給加氫站等方向。
? 化工領(lǐng)域：
綠氫為石化、化工行業(yè)深度脫碳的重要途徑。鋼鐵、冶金、水泥等高耗能工業(yè)既是碳排放大戶(hù)（占全球工業(yè)碳排放的 45%），又是深度減碳的難點(diǎn)。氫能具有良好脫碳能力，可直接還原鐵等金屬，若應(yīng)用于煉鋼冶金產(chǎn)業(yè)將極大程度降低碳排放。同時(shí)，綠氫是石化、化工行業(yè)深度脫碳的重要途徑。一方面制得的氫氣與現(xiàn)有煤化工裝置結(jié)合，實(shí)現(xiàn)甲醇生產(chǎn)過(guò)程的降本增效和節(jié)能減排；另一方面，通過(guò)與城市氫能源示范公交線(xiàn)路協(xié)作等方式拓展應(yīng)用場(chǎng)景，推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。
? 能源領(lǐng)域：運(yùn)輸+儲(chǔ)能
氫能亦可應(yīng)用于運(yùn)輸、儲(chǔ)能領(lǐng)域。氫燃料電池系統(tǒng)功率密度大，動(dòng)力系統(tǒng)體積小，相較于鋰電池具有更高的能量密度與更長(zhǎng)的續(xù)航里程，更適合長(zhǎng)距離、重載荷運(yùn)輸領(lǐng)域。儲(chǔ)能領(lǐng)域，現(xiàn)有的風(fēng)電、水電、光伏等可再生能源儲(chǔ)能技術(shù)雖能實(shí)現(xiàn)零排放，但是存在隨機(jī)性、波動(dòng)性問(wèn)題，存在棄電現(xiàn)象。氫能與分布式能源結(jié)合，能夠良好解決該問(wèn)題。未來(lái)綠氫的市場(chǎng)將從 2030 年開(kāi)始快速提升并且占據(jù)主導(dǎo)地位。目前，由于灰氫技術(shù)成熟度高且成本較低，灰氫占據(jù)氫能主要市場(chǎng)。我們判斷 2030 年后隨著綠氫生產(chǎn)成本下降、減排需求的進(jìn)一步提升，綠氫的市場(chǎng)將有顯著的提升。據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟研究院預(yù)計(jì)，遠(yuǎn)期（2060 年）超過(guò) 75%的氫氣供應(yīng)將來(lái)自綠氫，非化石能源消費(fèi)占比 80%。
供給端：短期堿性電解為最優(yōu)選擇，長(zhǎng)期 PEM 具備更大降本潛力
技術(shù)路徑看，現(xiàn)階段電解水制氫主要有四種主流技術(shù)：堿性電解槽（ALK，Alkaline，技術(shù)最為成熟）、質(zhì)子交換膜電解槽（PEM，商業(yè)化比例較低）、固體氧化物電解槽（SOEC，未完全商業(yè)化）、陰離子交換膜電解槽（AEM，未完全商業(yè)化）。
? 堿性（ALK）電解槽：
為目前最成熟技術(shù)、具有操作簡(jiǎn)單、成本較低、產(chǎn)業(yè)鏈成熟等優(yōu)勢(shì)，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(shè)備主要由電極、電解液、陽(yáng)極、陰極和膈膜等組成，其中電極和隔膜為核心環(huán)節(jié)。
- 設(shè)備效率：據(jù)中國(guó)工程科學(xué)報(bào)告顯示，通常堿性液體電解質(zhì)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(diào)節(jié)，因?yàn)轫殨r(shí)刻保持電解池的陽(yáng)極和陰極兩側(cè)壓力均衡，防止氫氧氣體穿過(guò)隔膜混合引起爆炸。因此，堿性電解槽難以與具有快速波動(dòng)特性的可再生能源配合。
? 質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽：
選用具有良好化學(xué)穩(wěn)定性、質(zhì)子傳導(dǎo)性、氣體分離性的全氟磺酸質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì)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(nèi)到外依次是質(zhì)子交換膜、陰陽(yáng)極催化層、陰陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層、陰陽(yáng)極端板等，其中質(zhì)子交換膜與催化層成本是制約 PEM 發(fā)展的主要因素：
1）質(zhì)子交換膜：質(zhì)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(shù)創(chuàng)新+國(guó)產(chǎn)替代，未來(lái)有望推動(dòng)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(dǎo)電性、電化學(xué)穩(wěn)定性等性質(zhì)。目前陰極催化劑材料主要選應(yīng)用 Pt、Pd 貴金屬及其合金，陽(yáng)極催化劑主要選用 Ir、Ru 貴金屬及其氧化物，
ALK 當(dāng)前階段成本更低，PEM 長(zhǎng)期來(lái)看有著更大的降本空間，且可與波動(dòng)的可再生能源實(shí)現(xiàn)耦合。由于堿性電解槽基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，且單槽產(chǎn)能達(dá)到 1000Nm3/h，因此堿性電解技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更低的成本，所占市場(chǎng)份額更高，但是隨著質(zhì)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(shí)考慮到 PEM 能較好適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性，未來(lái)制氫過(guò)程可以更好地與可再生能源進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)“綠氫”的大規(guī)模生產(chǎn)，因而市場(chǎng)占比將逐步提升。
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