要實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，綠氫或是氫能發(fā)展的最佳選擇。

氫產(chǎn)能可分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫等。其中，綠氫是使用可再生能源發(fā)電生產(chǎn)的，如水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、海洋能發(fā)電和地?zé)崮馨l(fā)電等，再通過(guò)電解水的方式制氫，是真正實(shí)現(xiàn)零碳制氫的方式。

我國(guó)雖是氫能第一產(chǎn)能大國(guó)，但是大部分產(chǎn)能為灰氫。灰氫和藍(lán)氫，并不是真正意義上的清潔氫能，在生產(chǎn)過(guò)程中，灰氫和藍(lán)氫要用到不可再生資源，如煤炭、石油、煉廠氣、天然氣等。在生產(chǎn)灰氫的過(guò)程中還會(huì)大量排放包括二氧化碳在內(nèi)的溫室氣體。

全球來(lái)看，現(xiàn)階段電解水制氫產(chǎn)能都相當(dāng)弱小，不到4%，在我國(guó)，更是只有微弱的1%。

根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書 2020》相關(guān)信息，目前，我國(guó)氫氣供給結(jié)構(gòu)中，約77.3%來(lái)自化石能源制氫，21.2%來(lái)自工業(yè)副產(chǎn)氫。

根本原因在于，使用大電網(wǎng)電源電解水制氫高昂的成本，使其缺少經(jīng)濟(jì)價(jià)值。利用可再生能源產(chǎn)出廉價(jià)電力，降低電解水制氫的成本，是綠氫實(shí)現(xiàn)規(guī)模化和工業(yè)化的關(guān)鍵。

綠電價(jià)格

牽一發(fā)動(dòng)全身

由光伏和風(fēng)能構(gòu)成的綠電，是生產(chǎn)綠氫最理想的能量來(lái)源。

“風(fēng)光”綠電+綠氫，是互相成就的雙環(huán)保路線。

一方面，太陽(yáng)能、風(fēng)能轉(zhuǎn)化為綠電，通過(guò)電解水設(shè)備產(chǎn)生綠氫，氫燃料電池的發(fā)電效率與綜合能效遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)化石能源(石油的3倍、酒精的3.9倍、煤炭的4.5倍)，還是零碳排放。

另一方面，在風(fēng)電和光伏發(fā)電的聚集區(qū)建設(shè)制氫基地，能有效消納風(fēng)光電能。風(fēng)光發(fā)電有很強(qiáng)的波動(dòng)性和隨機(jī)性，將風(fēng)光電用于電解水制氫，可提高能源儲(chǔ)存，拓展電能利用。

我國(guó)規(guī)模化的風(fēng)電和光伏基地都在欠發(fā)達(dá)地區(qū)，如新疆、內(nèi)蒙古、甘肅等，當(dāng)?shù)貙?duì)風(fēng)光電的消耗十分有限。氫氣需求被打開，不僅為光伏風(fēng)電網(wǎng)找到了規(guī)模化的大市場(chǎng)，也將進(jìn)一步促進(jìn)綠電產(chǎn)能的優(yōu)化。

政策也在加速綠氫與風(fēng)光發(fā)電的耦合。

2022年初，國(guó)家能源局、工信部、住建部、交通運(yùn)輸部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等五部聯(lián)合印發(fā)《智能光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2021-2025年)》提出，支持智能光伏制氫等試點(diǎn)示范項(xiàng)目建設(shè)。

然而，通往美好理想道路上，總有擋在前方的“攔路虎”。沒有廉價(jià)的電力降低制氫成本，是當(dāng)前綠氫量產(chǎn)的重要牽制因素。

據(jù)中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司高級(jí)工程師田江南介紹，綠電價(jià)格覆蓋了電解水制氫50%-80%的總成本。

原就職于中石化茂名石化公司的業(yè)內(nèi)人士吳均布表示，用電解水方法生產(chǎn)1標(biāo)準(zhǔn)立方米氫氣，需要5-6度電，1噸氫氣的體積為1.12萬(wàn)標(biāo)立方米，綠氫對(duì)電能消耗可想而知。

近年來(lái)，隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模化，風(fēng)光電能的成本在不斷降低，過(guò)去十年，中國(guó)光伏度電成本已下降約85%，2021年，跨入平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代。

不過(guò)橫向?qū)Ρ龋娊馑茪涑杀疽廊惶幱诹觿?shì)，根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟相關(guān)信息，每千克制氫成本，化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫優(yōu)勢(shì)明顯。

“當(dāng)用電價(jià)格在0.1元/kwh左右時(shí)，電解水制氫從成本上，才有可能與另外兩種制氫方式抗衡”，田江南說(shuō)道。

風(fēng)光電用于制氫，還會(huì)面臨綠氫的運(yùn)輸問(wèn)題。我國(guó)光伏風(fēng)電站可以就地解決綠氫生產(chǎn)，但無(wú)法自產(chǎn)自銷，需要大量輸往經(jīng)濟(jì)更發(fā)達(dá)、對(duì)綠氫需要更大的地區(qū)。

目前，我國(guó)氫能源車載運(yùn)輸、氫能管道等基礎(chǔ)設(shè)施還不完善，加氫站數(shù)量也相當(dāng)有限。綠氫的交付和運(yùn)輸成本，是另一只“攔路虎”。

“要降低綠氫價(jià)格，需要通過(guò)技術(shù)、政策等措施并行，為綠電+綠氫做好商業(yè)上的鋪墊和保障”，田江南說(shuō)道：“我國(guó)是世界最大的產(chǎn)氫國(guó)，無(wú)論是從綠氫規(guī)模還是產(chǎn)業(yè)鏈完整性來(lái)講，國(guó)內(nèi)都優(yōu)于國(guó)際。

風(fēng)光發(fā)電平準(zhǔn)化度電成本在未來(lái)十年仍有40-55%的下降空間，這將對(duì)綠氫的規(guī)模化起到積極影響。”

電解設(shè)備

沖破瓶頸的關(guān)鍵

當(dāng)前主流綠氫技術(shù)路線，主要為堿性水電解制氫技術(shù)(AE)和質(zhì)子交換膜水電解制氫技術(shù)(PEM)。

AE制氫較成熟，可通過(guò)多臺(tái)并聯(lián)實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模制氫，并正在探索革新槽體組件材料、擴(kuò)大電解槽出力、采用零極距設(shè)計(jì)等降本舉措，但是制氫的效率和純度較低。

PEM制氫流程簡(jiǎn)單，能效高，制氫純度高，但貴金屬催化劑、膜電極、氣體擴(kuò)散層、雙極板等成本偏高。長(zhǎng)期來(lái)看，PEM與綠電結(jié)合的應(yīng)用前景更廣闊。

放眼全球，據(jù)國(guó)際能源署(IEA)數(shù)據(jù)，2020年全球電解制氫項(xiàng)目的裝機(jī)規(guī)模合計(jì)為300兆瓦，相應(yīng)的氫氣產(chǎn)能約為2.3萬(wàn)~4萬(wàn)噸，按照該機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，2021~2026年的年均增長(zhǎng)率將為123%。截至2020年底，全球已有約70個(gè)在建的綠氫項(xiàng)目，其中GW級(jí)項(xiàng)目已超20個(gè)，美國(guó)、歐洲、日本和韓國(guó)均將AE規(guī)模化和PEM產(chǎn)業(yè)化視為未來(lái)主流。

聚焦國(guó)內(nèi)，不少巨頭已開始布局電解槽賽道。2021年，陽(yáng)光電源發(fā)布了“SEP 50”PEM電解槽，該產(chǎn)品單槽功率250kW，是國(guó)內(nèi)首款量產(chǎn)的50標(biāo)方PEM電解槽;中科院大連化學(xué)物理研究所、中船重工集團(tuán)718研究所等單位正開展PEM純水制氫設(shè)備的研究與制造;中石化、三一重工、龍?bào)纯萍嫉纫苍谥攸c(diǎn)關(guān)注PEM水電解制氫。

我國(guó)電解水制氫尚未進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，不少核心技術(shù)，還面臨卡脖子的困境。田江南介紹道，我國(guó)AE制氫技術(shù)水平與國(guó)外相近，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)備制造、工藝集成能力。但在PEM制氫技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)尚處于研發(fā)走向工業(yè)化的前期階段，核心技術(shù)和設(shè)備都在國(guó)外，如電解槽的質(zhì)子交換膜和膜電極等，目前主要依賴進(jìn)口。

電解水制氫系統(tǒng)在制氫站總成本中的占比約為80%，且技術(shù)壁壘深，積累時(shí)間長(zhǎng)，目前真正做好的企業(yè)也不多。因此，電解槽的成本和技術(shù)的進(jìn)一步革新，是綠氫產(chǎn)能更上一層樓的關(guān)鍵。

相關(guān)研究表明，通過(guò)使用多堆棧系統(tǒng)(結(jié)合多個(gè)電解槽棧來(lái)增加電解槽系統(tǒng)的總體容量)，可在現(xiàn)有技術(shù)下降低基礎(chǔ)設(shè)備投資成本20%～40%。AE電解裝置使用壽命已提高一倍，PEM制氫的原材料成本，也有較大下降空間。

田江南表示，推動(dòng)電解水制氫系統(tǒng)向輕量化、小型化的方向發(fā)展，不僅可以降低制氫站的土建成本，還有望聯(lián)結(jié)更多創(chuàng)新型企業(yè)，共同致力于電解水的技術(shù)開發(fā)和成本控制。

根據(jù)《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》的預(yù)測(cè)，堿式和PEM的成本都將在2035年左右低于灰氫，電解水制氫成本有望在2035年左右實(shí)現(xiàn)與灰氫平價(jià)，到2050年，綠氫將具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

應(yīng)用終端

綠氫沒有邊際

綠氫的使用場(chǎng)景，遠(yuǎn)比大部分人想象的豐富。

氫燃料電池在商用車領(lǐng)域的潛能不言而喻。我國(guó)已規(guī)劃好燃料電池城市示范群，氫燃料電池在貨用卡車、長(zhǎng)途汽車、重工運(yùn)輸?shù)壬逃妙I(lǐng)域，與電動(dòng)汽車相比，在續(xù)航能力、低溫環(huán)境耐受力、加注速度等方面優(yōu)勢(shì)明顯。

綠氫的作為遠(yuǎn)不止于彌補(bǔ)新能源電動(dòng)車的不足，綠氫還能引導(dǎo)大量可再生能源從電力部門流向交通運(yùn)輸、工業(yè)、建筑等終端使用部門，實(shí)現(xiàn)深度脫碳。

儲(chǔ)能方面，綠氫是可再生能源大規(guī)模、長(zhǎng)周期儲(chǔ)存的最優(yōu)解。電化學(xué)儲(chǔ)能和物理儲(chǔ)能，適用于短期內(nèi)的新能源波動(dòng)，在長(zhǎng)期儲(chǔ)能上，電解水制氫能進(jìn)一步提高新能源的利用率，減少為需求和產(chǎn)能峰值不匹配造成的能源浪費(fèi)。

化工領(lǐng)域，氫的應(yīng)用場(chǎng)景包括但不限于氫冶金、合成氨、合成甲醇、石油重整、石油精制、石油裂化、合成燃料等。

綠氫還是實(shí)現(xiàn)碳捕集、存儲(chǔ)、封裝(CCUS)的規(guī)模化應(yīng)用的有力工具。綠色氨氣、綠色甲醇及氫冶煉的發(fā)展，也將進(jìn)一步擴(kuò)展綠氫的終端應(yīng)用。

田江南表示，隨著綠氫在我國(guó)終端能源體系中占比不斷擴(kuò)大，以及各工業(yè)部門減碳?jí)毫Φ脑龃螅G氫未來(lái)在發(fā)電、交通、合成化工品、冶金等領(lǐng)域的應(yīng)用占比會(huì)有較大的增加。

田江南認(rèn)為，在政策方面，還有很多空間，來(lái)完善綠氫產(chǎn)業(yè)鏈，為應(yīng)用端提供更好的可行性支持。

如將新建新能源電站配套制氫項(xiàng)目等同于儲(chǔ)能對(duì)待，綠氫加氫站給予優(yōu)惠補(bǔ)貼等;再比如，目前有效的應(yīng)急管理部文件要求制氫項(xiàng)目必須進(jìn)化工園區(qū)，這限制了很多項(xiàng)目的落地，此類文件有待調(diào)整優(yōu)化;以及規(guī)劃建設(shè)大型綠氫示范基地，讓先進(jìn)的技術(shù)、產(chǎn)品在可控范圍內(nèi)同場(chǎng)競(jìng)技，相互促進(jìn)。

我國(guó)首個(gè)萬(wàn)噸級(jí)光伏綠氫示范項(xiàng)目，也是全球在建的最大光伏綠氫生產(chǎn)項(xiàng)目——中國(guó)石化新疆庫(kù)車綠氫示范項(xiàng)目，已于2021年11月30日正式啟動(dòng)建設(shè)，投產(chǎn)后年產(chǎn)綠氫可達(dá)2萬(wàn)噸。

根據(jù)國(guó)際氫能委員會(huì)與麥肯錫聯(lián)合發(fā)布的《氫能洞察》預(yù)測(cè)，到2030年，全球氫能產(chǎn)業(yè)鏈的投資總量將超過(guò)3000億美元。其中，制氫項(xiàng)目會(huì)是最大份額，綠氫投資進(jìn)入高速增長(zhǎng)期。

隨著綠電和電解槽成本的不斷下行，綠氫的應(yīng)用空間將持續(xù)上行，綠氫的量產(chǎn)也將有望逐步實(shí)現(xiàn)。