8月28日,隆基股份与中国化学华陆工程科技有限责任公司签署了战略合作框架协议及10万千瓦电解水制氢设备采购合同,引发业内关注。电解水制氢是重要的制取绿氢的方法,在充满电解液的电解槽中通入直流电,水分子在电极上发生电化学反应,即可分解成氢气和氧气,整个过程可实现零排放。


氢能崛起,电解槽成“最大赢家”,明年市场将翻四倍


电解水制氢规模的提升,使电解槽市场迅速增长。中国氢能产业协会数据显示,上半年,我国氢气产量同比去年增加了 25%,其中利用新能源制氢的比例同比提高了30%。彭博新能源财经在最新的氢能市场展望中预测,由于我国上半年氢气产量的惊人增长,电解槽市场今年将翻一番,到2022年将翻四倍,达到180万千瓦以上,并且预计中国将占全球电解槽装机容量的60%-63%。


在碱水制氢(AWE)、PEM制氢和SOEC制氢三大技术路线中,PEM制氢技术的运行电流密度高、能耗低、产氢压力高,适应可再生能源发电的波动性特征、易于与可再生能源消纳相结合,被认为是电解水制氢的适宜方案。


氢能崛起,电解槽成“最大赢家”,明年市场将翻四倍


随着可再生能源制氢项目的增多,今年国内电解水制氢设备需求出现井喷,PEM制氢进展迅速。中国船舶718所、中科院大化所、山东赛克赛斯、高成绿能、淳华氢能、深圳绿航等多家公司在PEM制氢设备方面的订单同比都有不同程度的增长。


PEM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,结构与燃料电池电堆类似,只是材料体系不同。在PEM制氢设备市场机遇凸显的形势下,当前已有少数PEM燃料电池电堆企业开始入局研发PEM电解槽,膜电极及双极板企业也在跟进中,这在未来会成为普遍现象吗?


技术门槛颇高


PEM电解水与PEM燃料电池互为逆反应,前者是电解水制氢,后者是氢氧反应生成水。PEM电解槽的结构与PEM燃料电池电堆类似,但PEM电解槽的材料体系与电堆相比有很大的差别,要真正做好PEM电解槽产品不容易。


氢能崛起,电解槽成“最大赢家”,明年市场将翻四倍


由于工作环境的差异,PEM电解槽对核心部件和材料耐久性和寿命的要求更高。要做好PEM电解槽,需要对催化剂和膜电极材料有较深的理解,并且需要做好电解槽的密封。


电催化剂方面,PEM电解槽的电催化剂研究主要是Ir、Ru等贵金属/氧化物及其二元、三元合金/混合氧化物,以钛材料为载体的负载型催化剂,非贵金属催化剂或非金属催化剂的研发难度较大。


膜电极方面,PEM电解水的阳极需要耐酸性环境腐蚀、耐高电位腐蚀,应具有合适的孔洞结构以便气体和水通过。PEM燃料电池中常用的膜电极材料(如碳材料)无法用于水电解阳极。为此,3M公司研发了纳米结构薄膜(NSTF)电极,阴阳两极分别采用Ir、Pt催化剂,载量均为0.25mg/c㎡。


双极板方面,在PEM电解槽阳极严苛的工作环境下,若双极板被腐蚀将会导致金属离子浸出,进而污染PEM,因此常用的双极板保护措施是在表面制备一层防腐涂层,其耐腐蚀要求比PEM燃料电池更高。


市场需求扩大


“目前,电解槽市场非常火爆,处于供不应求的状态。”国内一家电解槽供应商对记者表示。该供应商认为,氢能产业利好政策频出,让产业链中重要的制氢端成为投资热点,而碳达峰、碳中和目标的提出,更是让绿氢成为减碳脱碳的重要途径。


“2020年,绿氢成为多国首选的未来绿色燃料,多国宣布重金投资氢能产业,总额超过1500亿美元、超过7000万千瓦的绿氢项目正在开发之中。水电解制氢技术作为制取氢气的重要方法,尤其利用可再生能源电解制氢是目前规模化制取绿氢的唯一方法,具有广阔的市场前景。”一位制氢设备技术专家对记者表示。


“事实上,除了氢燃料电池等氢能交通领域,氢气应用端还包括将氢气作为化工原料投入到化工生产中、或作为还原剂进行氢能冶金等。碳达峰、碳中和目标的提出,让越来越多的大型能源企业开始将目光投向氢气,大举布局制氢产业线,主动利用可再生能源发电制氢,替代煤化工制氢、天然气裂解制氢等传统制氢方式,以降低二氧化碳排放。”中国船舶集团有限公司第七一八研究所高级工程师李海鹏指出。


与此同时,氢能产业利好政策不断释放,产业发展势头火热,甚至出现企业“沾氢即火”现象。李海鹏说:“随着可再生能源发电成本越来越低,制氢经济性亦初步显现。多重因素影响下,制氢端获得更多重视,氢气需求飙升,电解槽这样的制氢设备市场需求进一步扩大。”


实力企业着手布局


正因为技术难度大,在PEM电解槽市场需求明显提升的背景下,当前有研发跟进PEM电解槽及核心部件产品的也仅是个别头部电堆、膜电极及双极板企业,另外还有一些综合实力强的国企及上市公司也开始了针对PEM电解水制氢装备的技术研究与产业布局。


作为国内膜电极头部企业,鸿基创能全资子公司鸿基创能科技(佛山)有限公司于今年5月与佛山市南海区人民政府正式签署关于燃料电池高性能膜电极产业化项目的《投资合作协议》。该项目计划投资1亿元,建设燃料电池膜电极和PEM电解水制氢膜电极产业化基地。PEM电解水制氢膜电极是鸿基创能的新项目,今年内将完成中试,并在南海基地实现量产。


国内金属双极板龙头企业上海治臻在6月举行的FCVC2021上展示了PEM电解槽双极板样品,在寻求国内PEM电解槽企业合作。


此外,光伏巨头之一阳光电源在今年3月推出国内首款最大功率250kW的SEP50PEM制氢电解槽。该PEM制氢电解槽核心部件均为国产。为了配合市场需求,阳光电源已开始规划建设全自动化电解槽组装生产线。


上海电气电站集团也于今年3月与中国科学院大连化学物理研究所揭牌成立PEM电解水制氢技术研发中心,签订了“兆瓦级模块化高效PEM电解水制氢装备及系统开发”项目合作协议。


吉电股份(000875)近日在投资者互动平台表示,长春氢能产业基地的先导项目为PEM电解制氢装备研发、制造项目;威孚高科也公开表示,公司将PEM电解水制氢系统业务规划纳入拟成立的氢能事业部业务范围。


成本不断下降


据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》预测,到2050年,氢能在中国能源体系中的占比约为10%,可再生能源电解水制氢将成为有效供氢主体,吸引多家企业大举布局可再生能源电解水制氢产线。


“我国发展绿氢具备良好的资源禀赋,随着碳排放成本的提高和可再生能源制氢技术进步与规模扩大,其发电成本越来越具有竞争力。同时,我国拥有强大的基础设施建设能力,为发展绿氢提供了得天独厚的优势。”上述专家表示。


今年4月,传统石化能源企业宝丰能源发布公告称,为实现绿色低碳发展,该公司将太阳能发电所制取的绿氢用于化工生产,以实现新能源替代化石能源,减少煤炭消耗和二氧化碳排放,并大举布局电解水制氢装置。光伏巨头隆基也宣布进军氢能产业,大力发展光伏制氢。


万联证券指出,由于电费占整个水电解制氢生产费用的80%左右,因此水电解制氢成本的关键在于耗能问题。对此,上述专家表示,水电解制取氢气的成本包括设备制造成本和运行过程中的电费,前期投入成本主要是水电解制氢设备的制造成本,随着电解槽关键技术的不断成熟,能耗和设备价格也将不断下降,可直接改善水电解制氢的成本。


“电解槽设备成本随着技术进步和规模化,将在2030年前下降60%-80%,其制氢系统的耗电量和运维成本也将随之降低。”上述专家表示,随着可再生能源发电成本的降低,5-10年内,电解水制氢成本将降至20元/千克以内,具备经济性。按照目前碳配额试行市场40元/吨的交易价格计算,煤制氢需要增加0.1元/立方米的氢气碳配额成本。因此,当碳配额交易价格达到200元/吨时,绿氢成本将和灰氢持平。


储运仍是难题


“我国可再生能源资源中心与负荷中心呈逆向分布,国内缺乏低成本的高密度储运技术,进而限制了我国丰富的可再生能源制氢潜力。”上述专家坦言,氢的储存和运输高度依赖技术进步和基础设施建设,是产业发展的难点。国内以高压气态储氢为主,相较于低温液态储氢,高压气态储氢在长距离运输上十分不具有优势,因此大力发展液氢技术和输氢管道等装备具有重要的意义。


根据国网能源研究院数据,2019年我国陆上风电度电成本约0.315-0.565元/千瓦时,且在未来仍有一定的下降空间,预计到2025年度电成本在0.245-0.512元/每千瓦时。基于此,上述专家补充称,就地制氢也是解决长距离运输的一种重要方式,我国用氢主要集中在东南沿海,利用海上可再生能源制氢是一种很有前景的制氢技术路径,同时也可避免氢气长距离运输。


“市场热的现状下,冷思考必不可少。”李海鹏提醒称,对制氢端而言,电解槽作为化工类设备,工况复杂,涉及到电化学、机械、化工等专业领域,因此不能仅仅依赖需求增长,而应继续深耕技术,才能实现电解槽设备的大规模技术进步。


现阶段国内外市场格局


在更多的企业选择进入PEM电解水制氢装备领域前,有必要先深入了解现有PEM电解水制氢装备的市场格局及技术水平,以规避风险。


据悉,国际上纯水制氢设备的商业化进程早在20年前就已经开启,NEL-Proton、SIEMENS、ITMPower、Hydrogenics等公司几乎囊括了世界范围内的PEM电解制氢设备市场。过去10年间,全球加速推进可再生能源PEM电解水制氢示范项目建设,示范项目数量和单体规模呈现逐年扩大的趋势,目前PEM水电解制氢已迈入10MW级别示范应用阶段。


具体来看,NEL-ProtonPEM水电解制氢装置的部署量超过2000套(分布于72个国家和地区),拥有全球PEM水电解制氢70%的市场份额,具备集成10MW以上制氢系统的能力;收购了Hydrogenics的康明斯在今年5月宣布,计划投资5000万欧元在西班牙投建500MW/年的PEM电解槽工厂,用于生产绿氢。


在国内,聚焦PEM水电解制氢设备的公司及科研机构主要有中国船舶718所、中科院大化所、山东赛克赛斯、高成绿能、淳华氢能、深圳绿航等。


718所上半年在国内电解水制氢设备领域的市场占有率颇高,当前以碱水制氢为主,其客户包括壳牌、国家能源、协鑫、宝武清能等。现阶段718所正在重点发力PEM电解水制氢,其已扩容新建2大厂房,其中PEM电解水制氢设备年产能120台/套。


“目前公司已经交付的PEM电解水设备订单都是小型的电解槽。”718所技术部部长刘晓峰告诉高工氢电,公司已经交付的PEM电解槽都在20m³以下,今年上半年接到4台50m³PEM电堆槽订单预计将在9月底前交付。


山东赛克赛斯上半年电解水制氢设备的销售额已达4000万元,小型PEM电解水制氢装置销量达1500台;大型设备订单持续不断,包括出口伊朗。“今年到现在一直没闲着,订单非常火爆,PEM电解水制氢设备有一个月的时间甚至供不应求。”该公司工程部总监侯力军表示。


在绿氢发展呼声高涨背景下,电解水制氢正迎来新一轮发展机遇,预计未来对大型PEM电解水制氢设备需求将进一步增加。


国内上述企业目前在小型PEM电解水制氢设备上已经有不错的收获,但针对大型PEM电解水制氢技术上还有较大的提升空间。这对于新入局者而言,无疑是挑战与机遇并存。


文章来源: 高工氢燃料电池,中国能源报

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