行业内供需两端现状对于绿氢/灰氢发展的分析
发布时间：
2023-03-07
长期来看，可再生能源电解水制氢是实现清洁性的必要选择。考虑减排效益，可再生能源与电解水制氢的结合将是最优发展路径，综合生产过程碳排放来看，水电、风电制氢在 1kgCO2/kgH2 以下，利用光伏发电，这一指标在 3kgCO2/kgH2 以下，若使用现有电网电力制氢，则排放在 38~45kgCO2/kgH2。预计未来可再生能源制氢占比将快速升。
需求端：绿氢项目以替代灰氢、供给加氢站为主
长期来看，可再生能源电解水制氢是实现清洁性的必要选择。
考虑减排效益，可再生能源与电解水制氢的结合将是最优发展路径，综合生产过程碳排放来看，水电、风电制氢在 1kgCO2/kgH2 以下，利用光伏发电，这一指标在 3kgCO2/kgH2 以下，若使用现有电网电力制氢，则排放在 38~45kgCO2/kgH2。预计未来可再生能源制氢占比将快速升。
从落地项目看，绿氢现阶段需求主要为替代灰氢用于工业、能源脱碳减排。
氢气的下游应用主要包括工业和能源两个领域。在能源领域，氢气作为内燃机或燃料电池的燃料，在交通运输、建筑方面发挥作用。同时，氢气也可作为储能的介质，具有存储容量高，供电时间长，存储成本低等诸多优势。目前内蒙等可再生资源丰富地区绿氢项目加速落地，制得的绿氢主要替代灰氢用于化工行业减排、供给加氢站等方向。
➢ 化工领域：
绿氢为石化、化工行业深度脱碳的重要途径。钢铁、冶金、水泥等高耗能工业既是碳排放大户（占全球工业碳排放的 45%），又是深度减碳的难点。氢能具有良好脱碳能力，可直接还原铁等金属，若应用于炼钢冶金产业将极大程度降低碳排放。同时，绿氢是石化、化工行业深度脱碳的重要途径。一方面制得的氢气与现有煤化工装置结合，实现甲醇生产过程的降本增效和节能减排；另一方面，通过与城市氢能源示范公交线路协作等方式拓展应用场景，推进51菠菜网链的发展。
➢ 能源领域：运输+储能
氢能亦可应用于运输、储能领域。氢燃料电池系统功率密度大，动力系统体积小，相较于锂电池具有更高的能量密度与更长的续航里程，更适合长距离、重载荷运输领域。储能领域，现有的风电、水电、光伏等可再生能源储能技术虽能实现零排放，但是存在随机性、波动性问题，存在弃电现象。氢能与分布式能源结合，能够良好解决该问题。未来绿氢的市场将从 2030 年开始快速提升并且占据主导地位。目前，由于灰氢技术成熟度高且成本较低，灰氢占据氢能主要市场。我们判断 2030 年后随着绿氢生产成本下降、减排需求的进一步提升，绿氢的市场将有显著的提升。据中国氢能联盟研究院预计，远期（2060 年）超过 75%的氢气供应将来自绿氢，非化石能源消费占比 80%。
供给端：短期碱性电解为最优选择，长期 PEM 具备更大降本潜力
技术路径看，现阶段电解水制氢主要有四种主流技术：碱性电解槽（ALK，Alkaline，技术最为成熟）、质子交换膜电解槽（PEM，商业化比例较低）、固体氧化物电解槽（SOEC，未完全商业化）、阴离子交换膜电解槽（AEM，未完全商业化）。
➢ 碱性（ALK）电解槽：
为目前最成熟技术、具有操作简单、成本较低、产业链成熟等优势，但不足之处在于效率较低、启停较慢、与可再生能源耦合性较差。电解碱水制氢设备主要由电极、电解液、阳极、阴极和膈膜等组成，其中电极和隔膜为核心环节。
- 设备效率：据中国工程科学报告显示，通常碱性液体电解质电解槽的工作电流密度约 0.25A/cm2，能源效率约 60%。
- 与可再生能源耦合性：碱性电解槽难以快速启停，制氢速度难以快速调节，因为须时刻保持电解池的阳极和阴极两侧压力均衡，防止氢氧气体穿过隔膜混合引起爆炸。因此，碱性电解槽难以与具有快速波动特性的可再生能源配合。
➢ 质子交换膜（PEM）电解槽：
选用具有良好化学稳定性、质子传导性、气体分离性的全氟磺酸质子交换膜作为固体电解质替代石棉膜，能有效阻止电子传递，提高电解槽安全性。PEM 水电解槽主要部件由内到外依次是质子交换膜、阴阳极催化层、阴阳极气体扩散层、阴阳极端板等，其中质子交换膜与催化层成本是制约 PEM 发展的主要因素：
1）质子交换膜：质子交换膜是电解槽核心部件，为降低交换膜成本，提升性能，技术创新+国产替代，未来有望推动成本下降。
2）电催化剂：电催化剂需要具备抗腐蚀性、抗氧化、良好的比表面积、气孔率、催化活性、电子导电性、电化学稳定性等性质。目前阴极催化剂材料主要选应用 Pt、Pd 贵金属及其合金，阳极催化剂主要选用 Ir、Ru 贵金属及其氧化物，
ALK 当前阶段成本更低，PEM 长期来看有着更大的降本空间，且可与波动的可再生能源实现耦合。由于碱性电解槽基本实现国产化，且单槽产能达到 1000Nm3/h，因此碱性电解技术可以实现更低的成本，所占市场份额更高，但是随着质子交换膜与催化剂成本的不断下降，PEM 电解槽成本将具备更大的下降空间，同时考虑到 PEM 能较好适应可再生能源发电的波动性，未来制氢过程可以更好地与可再生能源进行耦合，实现“绿氢”的大规模生产，因而市场占比将逐步提升。
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