前段时间,中东石油土豪们来国内谈了大业务,对石油炼化公司大手笔买买买。而除了发力旧能源之外,据说中东土豪们也要发力新能源:在沙漠中搭建光伏板,继而把光伏发电用来电解水制氢,再把氢气卖给欧洲。实现从旧能源霸主到新能源巨头的华丽转身。

这真的是有钱人还勤奋、还居安思危。那这个方案可行吗?

电解水制氢可行吗?


(资料图片)

氢,和煤炭、石油之类可以直接开采的能源不同,它作为二次能源,需要以各种方式进行制取生产。按照来源划分,主要可以分为三类:(奶奶)灰、(天真)蓝、(股市)绿。

灰氢,指通过煤炭、天然气等化石原料以及工业副产来制取氢,这种方式成本低,但碳排放相对较高。灰氢为目前的主流,占比达到99%左右,包括天燃气制氢、煤制氢、工业副氢等。这其中,美国以天然气制氢(95%)为主、欧洲以天然气制氢为主(55%),我国以煤制氢(60%)为主。

全球氢气来源

蓝氢,是指在灰氢生产过程中,加入了“无碳”技术,包括碳捕捉、利用、封存等,从而实现了低碳甚至零碳排放。这种方式大概会提升成本10%-40%。

绿氢,是指电解槽制取的氢,它的特点是所使用的电能,主要是光伏、风电等可再生清洁能源。还有用核能生产的氢,被称为(芭比)粉氢,规模可以忽略不计。

绿氢规模小,也不是没有原因的。相比之下,能源效率不高,在55%左右,低于灰氢;最终产品的成本也比较高,目前是14-27元/kg,而灰氢仅为9.5-15元/kg。

灰蓝绿氢的对比,来源:华安证券

又贵又不好用,那么为什么要发展绿氢呢?

发展绿氢的必要性,毫无疑问,是“碳排放”,时代规则的变化来驱动产业发展。随着全球碳税的推广、ESG标准的普及,能源转型是大趋势。如果要在全球做生意,就必须接受新规则。这也是中东土豪们“居安思危”的出发点。

发展绿氢的可行性有三:首先,发展绿氢可以驱动能源行业从“资源垄断型”向“技术提升型”发展。

其次,发展绿氢,也是完成光伏普及的拼图之一。光伏发电的不稳定性,是“打娘胎”里带来的。因此,必须有储能作为配合,而氢就是储能的方式之一。把光转换为电,再把电转化为氢,看似流程繁琐、能源效率降低了,但是,考虑到光照资源是白白来的,只要转化成本可控,何乐不为呢。

再次,绿氢如果能完成对灰氢的取代,存量空间,也足够吸引人。商用车用氢价格在25元/kg以下,就会对柴油体现出成本优势;工业用氢价格在15元/kg以下,也会体现出成本优势。

这就是“历史进程和个人奋斗”的产业故事。但,关键还是在于,绿氢的技术性价比,何时体现?

成本如何下降?

绿氢制取的成本大头是“电费”。通过测算可以发现,当电解水制氢所用的电力成本到达0.15元/度的时候,绿氢的单位总成本就会和灰氢差不多。这就意味着,灰氢会被绿氢取代。

绿氢成本弹性测算,来源:华安证券

电力成本的下降,主要得益于光伏电池技术发展。地面光伏发电的LCOE度电成本,在1800小时下,已经达到0.2元/度,随着硅料价格下降、电池效率提升,这个成本还会继续下降。而中东等日照充足的地方,光伏发电也会更加有效。

国内例如宝丰能源公告资料显示,公司“国家级太阳能电解水制氢综合示范项目”综合制氢成本可以控制在1.54元/m³,折合17元/kg,相对于天然气制氢,已经体现出成本优势了。

而除了电力成本下降之外,绿氢成本的下降,也得益于生产设备“电解槽”的技术迭代:

一方面,电解槽使用寿命不断延长,报告显示,当电解槽工作时长从2000小时增加到4000小时,就会对氢气总成本带来4.6%下降。另一方面,通过技改降低耗电量。隆基发布的电解槽新品,就使得耗电量下降了20%。

在提效方面,则是一个更值得关注的领域,新技术取代成熟品:质子交换膜、固体氧化物等新技术,取代碱性电解槽。

华安证券测算,在乐观情况下,绿氢成本甚至会达到5.8元/kg,大幅低于灰氢成本,开启全面取代。

电解槽的“存量替换”

主流的电解水制氢技术有四种:碱性水电解(ALK)、质子交换膜电解(PEM)、高温固体氧化物电解(SOEC)、固体聚合物阴离子交换膜电解(AEM)。

碱性电解技术ALK,以氢氧化钾水溶液等碱性环境为电解质,以石棉为隔膜,分离出氢气和氧气。和其他技术相比,一个重要优势是阴阳电极板中不含有贵金属,因此,电解槽成本比较低,发展时间久、技术、商业生态也最为成熟。目前占比80%左右。

劣势在于,难以快速启动和变化,对电力要求稳定,不适配光伏、风电这种波动大的电力。这就意味着没办法参与到“风光”发展的风光潮流中。

国内碱性电解槽生产企业较多,也完成了国产化,降本路径主要是单品产能扩大。报告显示,1台1000Nm³/h电解水制氢装置的成本,并不是2台500Nm³/h成本的一倍,而只是其70%-75%。

固体氧化物电解水制氢SOE,采用氧化锆等固体氧化物作为电解质,在高温下进行工作。核心壁垒在于阴极、阳极的材料研发,长期处于实验室阶段。最近有一些落地突破。

国内公司上海翌晶氢能科技公司已经有SOE方案的电堆自动化产线下线。上海应用物理研究所、北京质子动力公司,也都有相关产品小规模验证。

阴离子交换膜电解水制氢AEM也处于实验室阶段,后续要看相关材料的突破。目前看,有望取代ALK的就是质子交换膜电解槽PEM

PEM电解槽包括质子交换膜、催化剂、气体扩散层和双极板等零部件,优点是启动快,可适配风光等电力的灵活性。其中,质子交换膜生产壁垒比较高,主要由海外企业杜邦、旭化成等提供,国内东岳集团已经实现了国产化。气体扩散层,也是海外企业为主。

而电极、催化剂等又对铱、铂、钛等贵金属依赖度高。因此,整体而言,PEM方案和ALK相比,缺点是成本比较高,从全生命周期成本来看,PEM为23元/kg,高于ALK的17.7元/kg。

ALK和PEM成本对比,来源:华安证券

当然,PEM也在努力降本,包括技术研发、国产替代、规模化效应等等。但和ALK相比,PEM电解槽更加紧凑,同等制氢规模占地面积缩小一半,这也成为现实部署时的一个考量。

考虑到适配风光电力稳定性的需求来看,未来在大规模制氢领域,例如化工冶金等,则会采用ALK碱性电解槽;而在风光充足的地区,则偏向PEM质子交换膜电解槽。

在产业发展的机遇中,有两种形式,一种是“存量替代”,新技术、新产品替代旧技术、旧产品,单纯从已有的市场来抢就够了;另一种是“开天辟地”,催生了新的市场、新的需求。

就像智能机期待功能机,手机替换是存量市场,但各类移动互联网上的产品、服务,又是新需求。电动车取代燃油车,是存量替代模式,但后续希望开展的车内场景消费,就是新需求。

而回到制氢这个话题来看,目前发生的是一个连环嵌套的“替换”的趋势:氢能,取代石油;绿氢取代灰氢;PEM取代ALK。自上而下,是发展的背景,自下而上是发展的关键。这其中,一定不是一蹴而就,但核心突破,就会带来新的增长机遇。

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