二、產(chǎn)業(yè)鏈：制氫環(huán)節(jié)是核心，儲運(yùn)及應(yīng)用環(huán)節(jié)快速發(fā)展
氫能產(chǎn)業(yè)鏈分為上游制氫環(huán)節(jié)，中游儲運(yùn)氫環(huán)節(jié)以及下游應(yīng)用環(huán)節(jié)。對于上游制氫環(huán)節(jié)而 言，電解槽是核心裝置，電解槽廠商也是行業(yè)內(nèi)主要玩家，本報(bào)告對上游目前主要制氫路 徑以及成本進(jìn)行了詳細(xì)梳理和拆分，電解水制氫目前成本仍然偏高，但是考慮未來碳稅的 征收以及綠氫成本持續(xù)降低，綠氫與灰氫成本差距有望逐步收斂。隨著氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展， 氫能儲運(yùn)如儲氫瓶、氫能壓縮機(jī)、氫能閥門，下游氫燃料電池企業(yè)、氫能自行車等領(lǐng)域均 迎來較大的發(fā)展機(jī)遇，值得長期關(guān)注。
2.1 上游：制氫環(huán)節(jié)
灰氫成本優(yōu)勢明顯，綠氫零碳排放具備發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳皻錃獾闹苽渲饕夹g(shù)工藝有熱化學(xué) 制氫和水電解制氫，其中熱化學(xué)制氫技術(shù)主要有化石能源制氫及化工原料制氫。化石能源 制氫包括水煤氣制氫、天然氣重整制氫等，目前已經(jīng)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，技術(shù)相對成熟，但用 此法制氫發(fā)電，能量轉(zhuǎn)換效率低，經(jīng)濟(jì)性差，CO2 排放量大。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟研究院研 究顯示，2019 年我國氫氣生產(chǎn)中有超過 60%的氫氣是煤制氫。在未來一段時(shí)期內(nèi)，由于 資源稟賦和新制氫技術(shù)尚未成熟，煤制氫仍是我國氫氣的主要來源。
2.1.1 煤制氫
以煤為原料制氫氣的方法主要有兩種： 一是煤氣化制氫。煤氣化是指在高溫常壓或高溫高壓條件下，煤與水蒸氣或氧氣(空氣) 反應(yīng)轉(zhuǎn)化為以氫氣和 CO 為主的合成氣，再將 CO 經(jīng)水氣變換反應(yīng)得到氫氣和 CO?的過 程。煤氣化制氫工藝成熟，目前已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化。傳統(tǒng)煤制氫采用固定床、流化床、 氣流床等工藝，碳排放較高。 二是煤超臨界水氣化制氫，是新型煤制氣工藝。超臨界水氣化過程是在水的臨界點(diǎn)以上(溫 度大于 647K，壓力大于 22MPa)進(jìn)行煤的氣化，主要包括造氣、水氣變換、甲烷化三個(gè) 變換過程?？梢杂行А⑶鍧嵉貙⒚恨D(zhuǎn)換為 H2 和純二氧化碳。2022 年 8 月南控集團(tuán)下屬 景隆公司與新錦盛源公司簽約開展煤炭超臨界水氣化制氫項(xiàng)目合作。
煤制氫成本優(yōu)勢明顯，但其碳排放量高，環(huán)保壓力大。2021 年我國煤制氫產(chǎn)量約 2100 萬噸。產(chǎn)出的氫氣主要應(yīng)用于汽油加氫、粗柴油加氫、燃料加氫脫硫以及合成氨等。在不 考慮碳價(jià)的情況下，當(dāng)前煤氣化制氫的成本最低，在無 CCS(碳捕捉和儲存) 技術(shù)的情況 下每公斤氫氣制取成本為 11 元，在結(jié)合 CCS 技術(shù)的情形下每公斤氫氣制取成本為 20 元。但是煤氣化制氫每生產(chǎn)一公斤 H2 的碳排放水平為 19.94kgCO2~29.01kgCO2，相當(dāng) 于天然氣重整制氫碳排放水平的兩倍。在全球碳中和的目標(biāo)導(dǎo)向下，煤氣化制氫成本優(yōu)勢 恐難持續(xù)，據(jù) IEA 預(yù)計(jì)，在考慮碳價(jià)的情況下，煤制氫的成本優(yōu)勢將逐漸消失。
2.1.2 天然氣制氫
天然氣制氫是以天然氣為原料,用水蒸氣作為氧化劑,來制取富氫混合氣。制氫包含兩個(gè)過 程：天然氣脫硫過程和甲烷蒸汽轉(zhuǎn)化過程。與煤制氫相比，天然氣制氫溫室氣體排放量相 對較少。天然氣制氫的本質(zhì)是以甲烷中的碳取代水中的氫，碳起到化學(xué)試劑作用并為置換 反應(yīng)提供熱量，產(chǎn)生的氫大部分來自水，小部分來自天然氣本身。根據(jù)《考慮碳排放的化 石能源和電解水制氫成本》研究，天然氣制氫的 CO?的排放量約為 0.43 kg/(Nm³ H?)。 天然氣制氫缺乏原料保障和政策支持，且不具備經(jīng)濟(jì)性。天然氣制氫是目前全球氫氣的主 要來源，已成為歐美、中東等天然氣資源豐富地區(qū)的主流制氫工藝。然而，我國天然氣資 源較貧瘠，國內(nèi)目前天然氣約 40%依賴進(jìn)口，在國際局勢復(fù)雜多變的背景下，天然氣制氛 缺乏原料保障和政策支持。再有，根據(jù)天然氣價(jià)格的變化，天然氣制氫成本在 7.5 元/kg ~ 24.3 元/kg 之間，不具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。近幾年部分天然氣制氫項(xiàng)目的投資強(qiáng)度在 0.6 萬元 /Nm3.H -1.4 萬元/Nm3.H，如需要達(dá)到高純氫 4N 級標(biāo)準(zhǔn)且具備加氫能力，參照中石化 茂名氫燃料電池項(xiàng)目投資強(qiáng)度，預(yù)計(jì)投資強(qiáng)度達(dá)到 2.9 萬元/ Nm3.H 左右。
2.1.3 工業(yè)副產(chǎn)氫
我國工業(yè)副產(chǎn)氫規(guī)模有一定的提升潛力。工業(yè)副產(chǎn)氫是指在生產(chǎn)化工產(chǎn)品的同時(shí)得到的氫 氣，主要有焦?fàn)t煤氣、氯堿化工、輕烴利用(丙烷脫氫、乙烷裂解)、合成氨合成甲醇等工 業(yè)的副產(chǎn)氫，工藝路線和制氫綜合成本具體如下。 1、氯堿副產(chǎn)制氫：氯堿工業(yè)生產(chǎn)以食鹽水為原料，利用隔膜法或離子交換膜法等生產(chǎn)工 藝，生產(chǎn)燒堿、聚氯乙烯 (PVC)、氯氣和氫氣等產(chǎn)品。 2、焦?fàn)t煤氣制氫：焦?fàn)t煤氣是煉焦的副產(chǎn)品，焦?fàn)t煤氣制氫工序主要有：壓縮和預(yù)凈化、 預(yù)處理、變壓吸附和氫氣精制。 3、合成氨和合成甲醇副產(chǎn)氣：根據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告 2020》，目前中國氫氣消耗 結(jié)構(gòu)中用于合成氨、合成甲醇的氫氣消耗量占比達(dá) 50%以上。合成氨、合成甲醇在生產(chǎn)過 程中會有含氫氣的合成放空氣(降低惰性氣體含量的氣體)和馳放氣(隨液氨夾帶的不凝 性氣體)排出，氫氣含量在 18%-55%之間。 4、輕烴裂解制氫：主要有丙烷脫氫 (PDH) 和乙烷裂解等 2 種路徑。輕烴裂解的氫氣雜 質(zhì)含量低于焦?fàn)t氣制氫，純度較高。 5、合成氨和合成甲醇副產(chǎn)氣：合成氨、合成甲醇企業(yè)可回收利用合成放空氣和馳放氣實(shí) 現(xiàn)氫氣外供。 當(dāng)前工業(yè)副產(chǎn)氫基本為各企業(yè)自產(chǎn)自用，較難統(tǒng)計(jì)。根據(jù)中國電動汽車百人會統(tǒng)計(jì)，從工 業(yè)副產(chǎn)氫的放空現(xiàn)狀看，當(dāng)前供應(yīng)潛力可達(dá)到 450 萬噸/年，能夠支持超過 97 萬輛公交 車的全年運(yùn)營。
2.1.4 電解水制氫
電解水制氫是指水分子在直流電作用下被解離生成氧氣和氫氣，分別從電解槽陽極和陰極 析出。根據(jù)工作原理和電解質(zhì)的不同，電解水制氫技術(shù)通常分為四種，分別是堿性電解水 技術(shù)(ALK)、質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)(PEM)、高溫固體氧化物電解水技術(shù)(SOEC)和 固體聚合物陰離子交換膜電解水技術(shù)(AEM)。 電解水制氫技術(shù)以堿性電解為主，PEM 電解次之。“雙碳”目標(biāo)提出后，國內(nèi)電解水制氫 項(xiàng)目規(guī)劃和推進(jìn)逐步加快，2022 年國內(nèi)堿性電解槽企業(yè)已披露產(chǎn)能接近 11GW，堿性電 解水制氫技術(shù)已完成商業(yè)化進(jìn)程，產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展成熟，且具備成本優(yōu)勢，已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用; PEM 電解水技術(shù)則處于商業(yè)化初期，產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化程度不足，電解槽雙極板、膜材料以及 鉑、銥等貴金屬催化劑材料成本更高且極度依賴進(jìn)口;高溫固體氧化物電解水技術(shù)和固體 聚合物陰離子交換膜電解水技術(shù)還處于研發(fā)示范階段，未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。
水電解制氫四種技術(shù)基本原理相同，但在電解槽材料和電解反應(yīng)條件上存在差異。四者都 在氧化還原反應(yīng)過程中，阻止電子的自由交換，將電荷轉(zhuǎn)移過程分解為外電路的電子傳遞 和內(nèi)電路的離子傳遞，從而實(shí)現(xiàn)氫氣的產(chǎn)生和利用，技術(shù)成熟度、運(yùn)行溫度、電流密度等 材料及反應(yīng)條件各異。
1)堿性電解水制氫
堿性電解水制氫是指在堿性電解液環(huán)境下進(jìn)行電解水制氫的過程，電解液一般為 KOH 或 NaOH 水溶液。將電解質(zhì)溶液置于電解槽內(nèi)，通過隔膜將槽體分為陰、陽兩室，各電極置 于其中，電流在一定電壓下通過電極將水分解，在陽極產(chǎn)生氧氣，在陰極產(chǎn)生氫氣，以此 達(dá)到制氫目的。
堿性電解水制氫系統(tǒng)主要包括堿性電解槽主體和 BOP 輔助系統(tǒng)。堿性電解槽由電極、電 解液、隔膜及極板、墊片等零部件組成，其中隔膜通常為石棉或者為高分子復(fù)合材料，電 極一般采用鎳基金屬材料，極板通常采用鑄鐵金屬板、鎳板或不銹鋼金屬板。堿性電解槽 工作溫度一般為 70-90℃，產(chǎn)生的氫氣純度在 99%以上，經(jīng)分離后的氫氣需要脫除其中的 水分和堿液。一般電解槽需要降低電壓增大電流以提高轉(zhuǎn)化效率，成本與其制氫能力有關(guān)， 制氫能力越大，成本越高。堿性電解水制氫裝置 BOP 輔助系統(tǒng)包括八大系統(tǒng)：電源供應(yīng) 系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、氣液分離系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、堿液系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)、冷卻干燥系統(tǒng)及附屬 系統(tǒng)。 堿性電解水制氫是目前發(fā)展最為成熟的制氫技術(shù)，具備槽體結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、運(yùn)行壽 命長、操作簡便、售價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，是市場上主要的電解制氫方式，廣泛應(yīng)用于冶金、醫(yī) 藥、儲能、食品等行業(yè)。
2)質(zhì)子交換膜電解水制氫(PEM)
質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)簡稱 PEM(Proton exchange membrane),和堿性電解水制 氫的區(qū)別是，PEM 電解制氫使用質(zhì)子交換膜作為固體電解質(zhì)替代堿性電解槽使用的隔膜 和堿性電解液，避免了潛在的堿液污染和腐蝕問題，安全性更高。 質(zhì)子交換膜電解水制氫同樣是是純水發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)分解產(chǎn)生氧氣和氫氣的過程。電解水 的能源則利用太陽能、風(fēng)能和水力發(fā)電等零碳能源，制氫過程無污染排放，是最清潔環(huán)保 的“綠氫”。
PEM 電解水制氫系統(tǒng)由 PEM 電解槽和輔助系統(tǒng)(BOP)組成。PEM 電解槽結(jié)構(gòu)與燃料 電池類似，主要部件由內(nèi)到外依次是質(zhì)子交換膜、陰陽極催化層、陰陽極氣體擴(kuò)散層、雙 極板等。其中擴(kuò)散層、催化層與質(zhì)子交換膜組成膜電極，是整個(gè)水電解槽物料傳輸以及電 化學(xué)反應(yīng)的主場所，膜電極特性與結(jié)構(gòu)直接影響電解槽的性能和壽命。PEM 電解水制氫 裝置輔助系統(tǒng)包括四大系統(tǒng)：電源供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣干燥純化系統(tǒng)、去離子水系統(tǒng)和冷卻系 統(tǒng)。
投資和運(yùn)行成本高仍然是 PEM 電解水制氫亟待解決的主要問題。過去 5 年，PEM 電解槽 成本已下降了 40%，但由于商業(yè)化時(shí)間不夠長，PEM 電解槽制造成本仍遠(yuǎn)高于堿性電解 槽，為相同規(guī)模堿性電解槽的 3-5 倍。由于 PEM 電解槽需要在強(qiáng)酸性和高氧化性的工作 環(huán)境下運(yùn)行，因此設(shè)備極度依賴價(jià)格昂貴的銥、鉑、鈦等貴金屬;質(zhì)子交換膜作為 PEM 電 解槽的核心零部件之一，性能好壞直接影響電解槽的運(yùn)行效率和壽命，其生產(chǎn)技術(shù)長期被 歐美和日本壟斷，十分依賴進(jìn)口，這些都是可能制約國內(nèi) PEM 電解水制氫產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的 問題。 PEM 電解槽成本存在下降空間。隨著氫能行業(yè)的發(fā)展，氫氣需求的增加，以及技術(shù)的進(jìn) 步，疊加可再生能源電力成本的下降和產(chǎn)氫數(shù)量的增加，PEM 電解槽成本或?qū)⒅鸩较陆怠?如果考慮用地面積，即土地成本，PEM 電解槽更加緊湊，同等規(guī)模下 PEM 占地面積幾乎 為堿性裝置的一半，在土地昂貴的地區(qū) PEM 電解槽優(yōu)勢更加明顯，結(jié)合其效率高、能耗 少、響應(yīng)快、負(fù)載高等優(yōu)勢，PEM 電解槽將是未來電解制氫的主流方向。
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