氫能“卡脖子”到底“卡”在哪?論制氫市場中的“內卷”之戰

　　自“碳達峰碳中和”的目標提出以來，以可再生能源為中心的新能源產業加緊布局，為我國能源結構的轉型升級助力。雙碳目標催促我國新能源體系的加快構建，更催促了氫能產業加緊跑馬圈地的步伐。

　　從制氫端到儲運端再到應用端，氫能產業規模龐大且繁雜。作為最為清潔的二次能源，氫氣雖然廣泛存在于宇宙之中卻只能通過制取才能獲取。基于這一“難題”，氫能在發展過程中備受掣肘。

　　在制氫方面，目前國內已經開始走入市場化嘗試和規模化示范應用階段。氫氣大致分為煤制氫(灰氫)、天然氣重整制氫(藍氫)以及風光發電電解水制氫(綠氫)三種，其中綠氫被視為最低碳環保、未來發展前景最為廣闊的制氫方式。

　　2023年被稱為“綠氫元年”，進入今年，各地區加緊布局風光制氫項目，制氫廠商開始進入“內卷”模式，制氫市場比拼異常火熱。電解水制氫方式分別有堿性電解水制氫(ALK)、質子交換膜電解水制氫(PEM)、陰離子交換膜制氫(AEM)以及高溫固體氧化物電解水制氫(SOEC)四種技術路線，目前市場主流技術是堿性電解水制氫(ALK)，原因在于堿液電解制氫相對成本更低，技術度更為成熟。

　　今年上半年，吉林大安風光制氫合成氨一體化項目共招標39套堿性電解水制氫設備，后又從長春綠動氫能訂購近3億元PEM制氫設備。該項目是全國最大的綠氫合成氨項目，同時采用ALK制氫方式和PEM方式，為吉林省打造中國“北方氫谷”助力。今年6月30日，國內首個萬噸級光伏制氫項目——新疆庫車光伏制氫示范項目正式全部投產，該項目共配套52臺套1000Nm³/h堿性電解槽，該項目為國內制氫項目起到了良好的示范作用，電解水制氫能力2萬噸/年、儲氫能力21萬標立方、輸氫能力2.8萬標立方每小時。

　　但仍不可忽視的是，制氫市場的競爭尤為激烈。國內目前已經生產出2000Nm³/h的堿性電解槽，1500Nm³/h和1000Nm³/h已經非常常見。可以說，“制氫量”是各家制氫設備企業的一大競爭熱點。一方面，國內制氫市場開始追逐單臺套制氫電解槽更大的制氫量，這對技術提出了更高要求;另一方面，制氫電解槽的成本問題仍需再降，然而目前已經出現了在投標過程中“胡亂報價”的行為。

　　目前，國內1000Nm³/h制氫能力的單臺堿性電解槽價格在700萬-1000萬元之間。根據中石化新疆庫車綠氫示范項目招標統計，蘇州競立、隆基氫能及中船718所對堿性電解槽的報價基本一致。共計52臺1000Nm³/h規格的堿性電解槽報價約為3.6億元，由此測算得到單臺電解槽售價約為692萬元。如此看來，該項目中制氫設備似乎“并不賺錢”。

新疆庫車光伏制氫示范項目 來源：中國石化

　　相比較之下，PEM制氫電解槽的售價更為高昂。目前，國內1000Nm³/h制氫能力的單臺質子交換膜電解槽成本約3000萬元。在吉林大安風光制氫合成氨一體化項目中，共涉及10000Nm³/hPEM 電解水制氫系統，從合同內容來看，該制氫設備分三批交付，第一批3200Nm³/hPEM 電解水制氫系統;第二批3200Nm³/hPEM 電解水制氫系統;第三批3600Nm³/hPEM電解水制氫系統。合同總價為29000萬元。由此測算，1000Nm³/hPEM電解槽價格約為2900萬元。

　　“難道國內的這些示范項目都在賠本賺吆喝?”

　　為什么制氫價格如此之貴?影響成本的核心因素究竟是什么?

　　首先是電價。根據國家發改委的《中國2050 年光伏發展展望(2019)》的預測，至2035年和2050年光伏發電成本相比當前預計約下降50%和70%，達到0.2元/kWh 和0.13元/kWh。在此情況下，堿性電解槽制氫成本將達到15元/kg 和10元/kg。由此來看，當電價降到2毛錢以下時，氫氣將具有很大競爭力。

　　其次是系統本身。第一，電解槽工作時間會大大影響整體制氫效率及發電成本，這依賴于技術的提升和進步。相比較之下，堿性電解槽在風光波動性制氫條件下的制氫能力不如PEM電解槽，這對于電解槽的本身提出更大挑戰。第二，電解槽單位電耗也是一大因素。據國內知名制氫廠家測算，堿性電解槽系統電耗目前≤4.9kwh/m³，隨著和新材料和結構的創新優化，未來有望降低至4.5kwh/m³。第三，設備產氫量的提升。目前國內制氫項目以及制氫設備市場整體向大型化發展，今年國內已有2000Nm³/h的堿性電解槽出現，未來將會進一步擴大，這也成了眾多制氫廠商的“內卷重地”。

　　最后是材料技術的“掣肘”。以堿性電解槽和PEM電解槽為例，目前仍有極大提升空間，堿性電解槽的能量效率約為62~82%;PEM電解槽的能量效率約為67~82%。

堿性電解槽(來源：網絡整理)

　　堿性電解槽核心零部件包括：極板、極框、隔膜、電極、BOP輔助系統。短期來看，堿性電解槽最大的成本下降空間在輔助系統，同時也要提升電堆性能和壽命，而提升電堆各項性能可能意味著壽命變短，這其中也需要各方平衡。由于堿性電解制氫技術是利用高濃度的KOH等電解液作為介質，而電解液的滲透將會導致氫氣和氧氣混合，這限制了更低的電壓操作范圍，同時限制了堿性電解槽在更高壓力下運行的能力。為了防止氫氧混合，需要在電解槽的電極和隔膜中加入墊片，然而這種設計導致了更高的歐姆電阻，降低了給定電壓下的電流密度，目前堿性電解槽的發展方向就在于尋找零間隙的電極、更薄的隔膜(500um)和不同的電催化劑概念來提高電流密度。系統層面，關于氣液分離裝置對電耗的影響，壓縮氫氣處理對電解槽壓力的影響以及整體電力供應對系統效率的影響，都需要考慮到電解槽設計之中。

PEM電解水制氫基本構成(來源：架橋資本)

　　PEM電解槽核心零部件包括：雙極板、多孔擴散層、質子交換膜、陰陽極催化層組成。對于PEM電解槽而言，各個核心零部件的成本居高不下是最大的阻礙，原因來自于國產化程度不高、嚴重依賴進口。催化劑方面，開發高活性的催化劑，如含鉑催化劑是一大挑戰，因為我國鉑族金屬含量較少，而如何開發含鉑量更低且替代性剛好的催化劑還在研制之中。膜電極方面，PEM電解槽最適用的是全氟磺酸(PFSA)膜，然而其價格非常昂貴，這給成本帶來極大難題。雙極板方面，為了保證電解槽的氫氣輸出量并匹配電壓，要求雙極板需要具備較高的熱傳導性、化學穩定性和較低的電阻。這對雙極板的材料提出更高要求，目前理想材料是鈦，但由于鈦較易被腐蝕，需要在表面鍍鉑，這使得組件成本進一步增加，同時也需要開發更為合適的雙極板材料。氣體擴散層方面，目前幾乎依賴進口。目前主要集中在電解槽陽極側，陽極電位比陰極高得多，容易氧化碳材料，氧化物的形成會增大表面接觸電阻，因此也需如雙極板一樣在表面涂上貴金屬等物質，由此需要對氣體擴散層的孔隙率和導電性更加優化，然而這又再一次增加了成本。

　　盡管面臨種種難題亟待解決，但目前國內典型示范項目已經開始投產，氫能產業發展勢在必行，據招商證券預計5-10年內，電解水制氫成本將降至20元/kg以內，成本下降的驅動力主要來自兩塊，“光伏、風電等可再生能源發電成本的大幅下降”和“電解槽設備成本隨著技術進步和規模化將在2030年前下降60%-80% ，電解水制氫系統的耗電量和運維成本降低。”

　　成本與技術的雙輪驅動并非一朝一夕可以完成，如上文所分析，技術上需要平衡和優化，在升級的同時，如何保證整體設備的穩定壽命，如何讓材料大規模商用化、國產化，都需要從長計議;制氫成本有多方面原因，未來隨著電價的降低以及材料設備的進一步優化，氫氣將更加具有競爭力。

　　來源：氫能觀察 記者：張贏