氫能源行業(yè)專題報(bào)告：電氫耦合多能聯(lián)結(jié)尋找能源三角平衡

氫能源行業(yè)專題報(bào)告：電氫耦合多能聯(lián)結(jié)，尋找能源三角平衡1.能源不可能三角1.1概念及評價(jià)指數(shù)中國人民大學(xué)國家發(fā)展與戰(zhàn)略研究院教授鄭新業(yè)曾于2016年提出“能源不可能三角”，即能源的安全、綠色和廉價(jià)三個(gè)要素，在某種程度上很難同時(shí)達(dá)到安全穩(wěn)定，綠色環(huán)保并且經(jīng)濟(jì)廉價(jià)。世界能源理事會(WorldEnergyCouncil)每年針對世界及127個(gè)國家和地區(qū)的能源狀況發(fā)布能源不可能三角指數(shù)，該量化指標(biāo)包含類似的三個(gè)衡量要素，即能源安全性、能源公平性和環(huán)境可持續(xù)性，并適當(dāng)考慮相應(yīng)國家或地區(qū)的經(jīng)濟(jì)情況、政策穩(wěn)定性、投資吸引力等。想要平衡能源不可能三角具有很大的挑戰(zhàn)性，該系數(shù)在一定程度上從能源的視角衡量各國維持長遠(yuǎn)繁榮發(fā)展的潛力。能源安全性：能源管理有效，可滿足發(fā)展需求；基礎(chǔ)設(shè)施可靠，能承受系統(tǒng)性擾動(dòng)。能源公平性：能源供給是穩(wěn)定的、豐富的、易得的、并且成本普遍可承受。環(huán)境可持續(xù)：能源系統(tǒng)是高效的，盡量避免或降低對環(huán)境的影響。2021年，世界能源理事會對中國能源不可能三角的評價(jià)結(jié)果是BBDb，排名全球第51位。主要因?yàn)槲覈刑幱诳焖侔l(fā)展階段，年碳排放量連續(xù)多年位列世界第一并仍在增長，拉低了總體評價(jià)結(jié)果，排名不高；但在過去十年中，中國該評價(jià)指標(biāo)是不斷上升的，主要貢獻(xiàn)因素為：能源供給較好滿足了經(jīng)濟(jì)增長的需求，我國已成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體；建設(shè)了安全高效的輸電網(wǎng)絡(luò)，電力的廣泛普及和電氣化率的不斷提升；在可再生能源領(lǐng)域持續(xù)投入，成為全世界最大的風(fēng)力和太陽能發(fā)電投資者；承諾了2030年前碳達(dá)峰2060年前碳中和的雄偉目標(biāo)，顯示出強(qiáng)烈的信心和決心。1.2我國的能源結(jié)構(gòu)在我國十多年的高速發(fā)展過程中，傳統(tǒng)化石能源占據(jù)著主要地位，尤其是煤炭對我國能源安全起著定海神針的作用，國家能源局局長章建華在2022年能源工作會議中也提出，在能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的過程中，需要繼續(xù)發(fā)揮煤炭保障我國能源安全“壓艙石”的作用。過去十年我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，清潔能源（天然氣、核電、水電、風(fēng)電、太陽能等）消費(fèi)占比在不斷提升，2021年已達(dá)25.5%，但煤炭消費(fèi)占比依然超過50%。在“碳達(dá)峰碳中和”總的戰(zhàn)略方向指導(dǎo)下，清潔能源消費(fèi)占比將繼續(xù)提升，對煤炭、石油等傳統(tǒng)化石能源逐步替代。按照國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》，到2060年非化石能源消費(fèi)比重將達(dá)到80%以上。中電聯(lián)《中國電氣化年度發(fā)展報(bào)告2021》提出，電氣化發(fā)展是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的有效途徑。2020年，全國電能占終端能源消費(fèi)比重約26.5%，在電氣化加速情景下，電能占終端能源消費(fèi)比重將穩(wěn)步提升，2025年、2030年和2060年將分別提高到31.6%、35.7%和66.4%。受政策鼓勵(lì)和產(chǎn)業(yè)驅(qū)動(dòng)，我國可再生能源建設(shè)成效顯著，截止2021年末風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)3.3億千瓦，年發(fā)電量達(dá)5667億千瓦時(shí)；太陽能發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)3.1億千瓦，年發(fā)電量達(dá)1837億千瓦時(shí)；風(fēng)光裝機(jī)容量占比及年發(fā)電量占比繼續(xù)穩(wěn)步提升。中電聯(lián)《中國電氣化年度發(fā)展報(bào)告2021》研究指出特高壓輸電對清潔能源資源優(yōu)化配置作用明顯，2020年特高壓線路輸送電量5318億千瓦時(shí)，其中可再生能源電量占比為45.9%，在電氣化加速情景下，新能源電量滲透率近、中期穩(wěn)步提高，遠(yuǎn)期加快提升并成為發(fā)電量主體，2025年、2030年和2060年將分別達(dá)到19.2%、27.4%和60.3%。1.3能源變革的奇點(diǎn)我們認(rèn)為大力發(fā)展可再生能源，提升可再生能源的消費(fèi)占比，將有效提升能源三角中的

“環(huán)境可持續(xù)”，也有助于我國“能源安全性”的提升，但對“能源公平性”提出了更大的挑戰(zhàn)。不論是傳統(tǒng)化石能源還是風(fēng)光可再生能源，都沒有改變我國能源供給中心和需求中心背離的格局，能源資源中心在三北地區(qū)而能源需求中心在東南地區(qū)。我們需要有某種途徑補(bǔ)強(qiáng)“能源公平性”，以達(dá)到能源三角的平衡。目前，憑借先進(jìn)的特高壓輸電技術(shù)，依托加快擴(kuò)建特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)，以確保風(fēng)光新能源

發(fā)電量的消納，我們認(rèn)為這只是建設(shè)新型電力系統(tǒng)的初級階段。根據(jù)國家電網(wǎng)電科院的研究，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)面臨著“五大變化”，需應(yīng)對“三大挑戰(zhàn)”。三大挑戰(zhàn)：電力電量平衡——風(fēng)光資源非連續(xù)和強(qiáng)波動(dòng)的固有屬性，用電負(fù)荷日益尖峰化，給特定時(shí)段的電力電量平衡帶來巨大挑戰(zhàn)。系統(tǒng)安全穩(wěn)定——高比例的風(fēng)光新能源容量對電力系統(tǒng)支撐性弱，系統(tǒng)頻率電壓支撐調(diào)節(jié)能力降低，給系統(tǒng)安全穩(wěn)定帶來巨大挑戰(zhàn)。新能源高效利用——如缺少相應(yīng)規(guī)模的可調(diào)節(jié)資源支撐，電力系統(tǒng)將不足以維持高比例風(fēng)光發(fā)電量消納，給新能源高效利用帶來巨大挑戰(zhàn)。我們認(rèn)為2030年之前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，就是能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的“奇點(diǎn)”，屆時(shí)某種媒介與電力系統(tǒng)良好耦合，實(shí)現(xiàn)多能聯(lián)結(jié)，新型電力系統(tǒng)也會迎來全新發(fā)展的“奇點(diǎn)”。我們認(rèn)為高占比的風(fēng)光裝機(jī)容量是新型電力系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)，盡可能的消納風(fēng)光發(fā)電量是新型電力系統(tǒng)的根本目的，安全穩(wěn)定的可靠運(yùn)行是新型電力系統(tǒng)的基本要求，區(qū)域消納和多能聯(lián)結(jié)是新型電力系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)途徑。目前，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電主要采用效率較高的蓄電池儲能，但是能量密度低、儲存時(shí)間短等劣勢限制了蓄電池儲能的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用。而氫能是一種質(zhì)量能量密度高、儲存期長的高效儲能方式。參考西門子提出的PowertoX模型，通過電氫耦合，實(shí)現(xiàn)能量的儲存和轉(zhuǎn)化，多種能量和物質(zhì)高效聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)多層級電網(wǎng)電力電量平衡，提高風(fēng)光新能源利用效率，可以較好實(shí)現(xiàn)能源不可能三角的平衡。在該模型中，氫充分體現(xiàn)出在發(fā)電與儲能、建筑供熱和制冷、交通運(yùn)輸、鋼鐵冶煉等領(lǐng)域中豐富的應(yīng)用場景，也始終圍繞著凈零碳排放，可以說氫能的橋梁作用體現(xiàn)的淋漓盡致，氫能或許將成為連接新能源與多種能源應(yīng)用消費(fèi)端的橋梁。2022年3月，由國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》，文件指出氫能是一種來源豐富、綠色低碳、應(yīng)用廣泛的二次能源，正逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體之一。文件強(qiáng)調(diào)了氫氣的能源屬性，有利于改變氫氣管理模式，從?；饭芾碇饾u轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉垂芾?；文件明確了氫能的發(fā)展路徑，堅(jiān)持綠色低碳技術(shù)路線，構(gòu)建綠氫供需體系；文件指引了氫能的行業(yè)前景，打通制儲輸用各環(huán)節(jié)，并拓展氫能在交通、儲能、分布式發(fā)電、工業(yè)等各領(lǐng)域的多元化示范應(yīng)用，并應(yīng)給予政策支持。2.氫氣供需2.1氫氣的生產(chǎn)我國作為全球氫氣利用大國，自2009年產(chǎn)量首次突破1000萬噸以來，一直穩(wěn)定保持世界第一。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟與石油和化學(xué)規(guī)劃院的統(tǒng)計(jì)，截止2020年末，我國氫氣產(chǎn)能約為4100萬噸/年，產(chǎn)量約為3342萬噸。其中，氫氣純度達(dá)99%以上的工業(yè)氫氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)量約為1270萬噸。從生產(chǎn)原料和方式來看，煤制氫達(dá)到2124萬噸，占比63.6%；

工業(yè)副產(chǎn)氫為708萬噸，占比21.2%；天然氣制氫為460萬噸，占比13.8%?？稍偕茉粗茪湔急炔蛔?%。根據(jù)國際能源署(IEA)的統(tǒng)計(jì)，2020年全球氫氣需求超過9000萬噸，幾乎全部由化石燃料制氫滿足。天然氣制氫產(chǎn)量占比為約60%，煤制氫產(chǎn)量占比為約19%；低碳制氫產(chǎn)量占比極小，其中電解制氫產(chǎn)量約3萬噸，占比約0.03%，配備碳捕捉的化石燃料制氫約70萬噸，占比約0.7%。業(yè)界通常將不同原料及工藝制備的氫氣產(chǎn)品以灰氫、藍(lán)氫、綠氫等加以區(qū)分，但這種表征方式并不能嚴(yán)格區(qū)分和量化各種氫氣生產(chǎn)過程的環(huán)境可持續(xù)程度。隨著各國碳中和目標(biāo)的提出，基于生命周期溫室氣體（GHG）排放方法客觀量化定義不同制氫方式逐步為業(yè)界所認(rèn)可。2020年12月，中國氫能聯(lián)盟提出的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《低碳?xì)?、清潔氫與可再生氫標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)定》正式發(fā)布，標(biāo)準(zhǔn)指出了在單位氫氣碳排放量方面的閾值。簡單來說，可再生氫與清潔氫與通俗意義上的“綠氫”大體相當(dāng)，低碳?xì)渑c“藍(lán)氫”大體相當(dāng)。以電解水制氫為例，如果電力來源全部為可再生能源則為可再生氫，如果要達(dá)到清潔氫的標(biāo)準(zhǔn)則需要單位電力的碳排放不高于87.5克CO2/kWh，如果要達(dá)到低碳?xì)涞臉?biāo)準(zhǔn)則需要單位電力的碳排放不高于259克CO2/kWh。因此，從碳排放角度對氫進(jìn)行量化分類，一方面有助于還原氫作為低碳甚至零碳能源的屬性，另一方面有助于打通碳市場和請市場，引導(dǎo)高碳排放制氫工藝向綠色制氫工藝轉(zhuǎn)變。目前情況下，電解水制氫工藝路線對比傳統(tǒng)工藝路線尚不具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，但在可再生能源蓬勃發(fā)展的大背景下，電解水制氫成本的大幅降低是可以預(yù)期的，同時(shí)還具有碳排放強(qiáng)度低的顯著優(yōu)勢。根據(jù)河北建投風(fēng)電制氫項(xiàng)目的實(shí)踐，依托張家口豐富的風(fēng)光資源，市發(fā)改委表示“十四五”期間力爭可再生能源電解水制氫成本由30元/kg下降至14元/kg?？稍偕茉措娏Φ钠絻r(jià)在賦予電解水制氫經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)也賦予了其“環(huán)境可持續(xù)性”，而可再生能源電力對電力系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，將由“電氫耦合”提供更佳的包容性。2.2氫氣的需求根據(jù)石油和化學(xué)工業(yè)規(guī)劃院的統(tǒng)計(jì)分析，我國目前氫氣利用與需求主要來自化工產(chǎn)業(yè)，主要用于合成氨和合成甲醇，占比一半以上。根據(jù)國際能源署的統(tǒng)計(jì)分析也呈現(xiàn)出同樣的特點(diǎn)，2020年全球幾乎所有需求都來自煉化（約4000萬噸）和工業(yè)（超過5000萬噸）。氫作為綠色能源在新領(lǐng)域的應(yīng)用，包括燃料電池、天然氣摻氫等，占比還非常小。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)測，我國在2030年碳達(dá)峰愿景的情景下，氫氣年需求預(yù)期達(dá)3715萬噸，在終端能源消費(fèi)中占約5%，其中可再生氫產(chǎn)量占比顯著增長約為500萬噸。到2050年氫能將在我國終端能源體系中占比至少達(dá)10%，氫氣需求約6000萬噸，其中工業(yè)領(lǐng)域用氫3370萬噸，交通運(yùn)輸領(lǐng)域用氫2458萬噸。在2060年碳中和愿景的情境下，我國氫氣的年需求量將增至1.3億噸左右，其中70%以上將來自可再生氫，氫在終端能源消費(fèi)中占比約為20%，其中工業(yè)領(lǐng)域用氫占比仍最大。國際能源署根據(jù)全球各國承諾減排情景和2050年達(dá)到凈零排放的情形分別進(jìn)行測算，未來需求同樣將來自煉化與工業(yè)以外的領(lǐng)域，如交通運(yùn)輸、電力能源等。同樣凸顯氫的能源屬性，包括燃料電池汽車、合成燃料、建筑供暖等。根據(jù)目前在建或籌劃的電解水項(xiàng)目情況，到2030年將提供800萬噸低碳?xì)?；在承諾減排情景和2050年凈零排放情景中，到2050年由電解水供給的低碳?xì)浞謩e占總量的50%和60%。2.3電解槽2.3.1四種技術(shù)路線各有優(yōu)劣中國和全球要構(gòu)建清潔低碳，經(jīng)濟(jì)高效的制氫體系，重點(diǎn)在于發(fā)展可再生能源制氫，嚴(yán)格控制化石能源制氫。電解槽是低碳可再生氫制備的關(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)路線、性能和成本是影響氫能源市場走勢的重要因素。目前，主要有堿式水溶液電解槽（ALK/AWE）、質(zhì)子交換膜電解槽（PEM）、固體氧化物電解槽（SOEC）和陰離子交換膜電解槽（AEM）四種技術(shù)路線。自從1800年威廉·尼克爾森和安東尼·卡萊爾發(fā)明了電解槽技術(shù)以來，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。目前堿式水溶液電解槽（ALK）和質(zhì)子交換膜電解槽（PEM）已投入商業(yè)化應(yīng)用。堿式水溶液電解槽技術(shù)更加成熟，應(yīng)用更加普遍，國內(nèi)外技術(shù)差別較小，設(shè)備成本也較低，國內(nèi)企業(yè)業(yè)績較多，國內(nèi)最大制氫可達(dá)1500Nm3/h，但其電解液泄漏有污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)性稍差，不能與風(fēng)光電源直接匹配；質(zhì)子交換膜電解槽技術(shù)門檻稍高，國內(nèi)技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平還有一定差距，設(shè)備成本明顯更高，國內(nèi)企業(yè)還缺乏成熟商業(yè)應(yīng)用，國內(nèi)最大制氫可實(shí)現(xiàn)275Nm3/h，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速匹配風(fēng)光電源波動(dòng)性特點(diǎn)，但其催化劑使用銥和鉑貴重稀有金屬，大規(guī)模使用可能存在資源瓶頸。2.3.2裝機(jī)較少但增長迅速根據(jù)國際能源署的統(tǒng)計(jì)，2020年全球電解水制氫只占?xì)淇偖a(chǎn)量的0.03%，主要用于能源和化工原料，全球電解槽裝機(jī)總?cè)萘繛?90MW，歐洲擁有超過40%的裝機(jī)容量，中國占有約8%的裝機(jī)容量。主要的四種技術(shù)路線電解槽中，堿式水溶液電解槽占據(jù)61%的絕對份額優(yōu)勢，質(zhì)子交換膜電解槽占有31%的份額，其它種類電解槽裝機(jī)占比較小，其中固體氧化物電解槽建立了一些示范應(yīng)用，裝機(jī)容量為0.8MW。根據(jù)國際能源署對大約350個(gè)項(xiàng)目的追蹤（截止2021年9月），以在建和籌建項(xiàng)目計(jì)算，到2030年全球電解槽裝機(jī)容量可達(dá)54GW，如果包括尚在可行性研究的前期項(xiàng)目，該裝機(jī)容量數(shù)值將攀升到91GW，其中歐洲和澳洲潛在項(xiàng)目裝機(jī)容量最多，分別達(dá)到22GW和21GW。2.3.3ALK/AWE與PEM電解槽經(jīng)濟(jì)性對比從發(fā)展歷程來看，堿性水溶液電解技術(shù)在20世紀(jì)前后開始實(shí)現(xiàn)制氫的工業(yè)化應(yīng)用，在經(jīng)歷了單極性到雙極性、小型到大型、常壓型到加壓型、手動(dòng)控制到全自動(dòng)控制的發(fā)展歷程后，堿性水溶液電解槽已逐步進(jìn)入成熟的工業(yè)化應(yīng)用階段。20世紀(jì)70年代起，質(zhì)子交換膜水電解制氫技術(shù)開始獲得發(fā)展，并以其制氫效率高、設(shè)備集成化程度高及環(huán)境友好等特點(diǎn)成為水電解技術(shù)的研究重點(diǎn)，逐步實(shí)現(xiàn)從小型化到兆瓦級的發(fā)展。目前，PEM制氫技術(shù)的瓶頸在于設(shè)備成本較高、壽命較低，且實(shí)際的電解效率還遠(yuǎn)低于理論效率，因此歐美發(fā)達(dá)國家正重點(diǎn)開展技術(shù)攻關(guān)以突破技術(shù)瓶頸。美國、歐洲和日韓均將電解水制氫技術(shù)視為未來的主流發(fā)展方向，聚焦ALK/AWE制氫技術(shù)規(guī)?；蚉EM制氫技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，重點(diǎn)圍繞“電解效率”、“耐久性”和“設(shè)備成本”

三個(gè)關(guān)鍵降本性能指標(biāo)推進(jìn)整體技術(shù)研發(fā)。我國目前呈現(xiàn)出以ALK/AWE制氫為主、PEM制氫技術(shù)為輔的工業(yè)應(yīng)用狀態(tài)，采取兩種技術(shù)路線并舉的研發(fā)策略。電解水制氫成本主要包括：設(shè)備成本；能源成本（電力）；其他運(yùn)營費(fèi)用；原料費(fèi)用（水）。根據(jù)可再生能源署(IRENA)的測算，電力成本對制氫影響最大，可達(dá)60%-80%，其次影響因素是電解槽設(shè)備成本；使用更加便宜的可再生能源成本尤其重要，在一些合適的場景下電費(fèi)約為20美元/MWh時(shí)，可再生氫已經(jīng)與傳統(tǒng)制氫具有同等的價(jià)格競爭力。同時(shí)，隨著電解槽的裝機(jī)容量上升帶來的規(guī)模效應(yīng)，電解槽設(shè)備成本逐漸下降，可再生氫有望在2030年左右在比較廣泛的多個(gè)國家形成價(jià)格競爭力，與化石能源相當(dāng)。根據(jù)中國石油技術(shù)開發(fā)有限公司張軒博士的分析測算，堿性水溶液電解槽在參考情景下當(dāng)電力成本0.3元/kWh，年運(yùn)行5000h時(shí)，制氫成本即可降低到20元/kg（即1.78元/Nm3）；

質(zhì)子交換膜電解槽在參考情景下當(dāng)電力成本0.3元/kWh，年運(yùn)行6000h，且設(shè)備成本需要降低到2000萬時(shí)，制氫成本可降低到20元/kg（即1.78元/Nm3）。20元/kg（即1.78元/Nm3）以下視為與現(xiàn)階段制氫成本同等水平。根據(jù)國家發(fā)改委《關(guān)于2021年新能源上網(wǎng)電價(jià)政策有關(guān)事項(xiàng)的通知》(發(fā)改價(jià)格[2021]833號)，通知中附表所列我國蒙西、蒙東、新疆、寧夏等地區(qū)的風(fēng)電光伏發(fā)電指導(dǎo)價(jià)已低于0.3元/kWh；同時(shí)各區(qū)域保障性消納之外的電量若較為集中進(jìn)入市場化交易，也很有可能低于0.3元/kWh。經(jīng)調(diào)研，我國堿式電解槽設(shè)備制造較為成熟，國內(nèi)企業(yè)業(yè)績較為豐富，相對國外制造商具有顯著的成本優(yōu)勢，單堆最大制氫量可達(dá)1300-1500Nm3/h；而我國大型質(zhì)子交換膜電解槽設(shè)備制造還不成熟，國內(nèi)企業(yè)還沒有大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的成熟業(yè)績，且核心部件質(zhì)子交換膜、催化劑等一般采用進(jìn)口產(chǎn)品，單堆最大制氫為220-275Nm3/h。根據(jù)國際可再生能源機(jī)構(gòu)(IRENA)的測算，質(zhì)子交換膜電解槽單位功率成本要比堿式水溶液電解槽高50-60%，結(jié)合彭博新能源財(cái)經(jīng)(BNEF)的調(diào)研分析，中國生產(chǎn)制造的堿式水溶液電解槽單位功率成本僅為國外的25-50%。根據(jù)國際可再生能源機(jī)構(gòu)對電解槽設(shè)備成本的分析，可以發(fā)現(xiàn)兩種電解槽設(shè)備的降本驅(qū)動(dòng)有所不同。對于堿性水溶液電解槽，設(shè)備成本主要由電極組件、膜片等核心部件的成本驅(qū)動(dòng)，在電堆的成本組成中，超過50%的成本與電極和膜片有關(guān)，相比之下，質(zhì)子交換膜電解槽電堆中膜電極成本占比為24%。在堿性水溶液電解槽中雙極板只占電堆成本的一小部分，而在質(zhì)子交換膜電解槽電堆中的成本占比則超過50%，這是由于堿性水溶液電解槽的雙極板設(shè)計(jì)更簡單，制造更簡單。對于質(zhì)子交換膜電解槽，電堆成本主要由雙極板等核心部件的成本驅(qū)動(dòng)，雙極板成本占比約53%，主要因?yàn)槠渫ǔＰ枰褂觅F重稀有金屬涂層。技術(shù)創(chuàng)新在雙極板的性能和耐久性增強(qiáng)以及成本降低方面發(fā)揮重要作用。目前正在研究價(jià)格更低廉的替代材料，如使用Ti涂層來保持其功能特性不受影響，同時(shí)降低成本。稀有金屬Ir是膜電極材料的重要組成部分，在實(shí)際應(yīng)用中，雖然Ir在整個(gè)電解系統(tǒng)中成本占比不到10%，但由于供應(yīng)嚴(yán)重不足，可能成為后期規(guī)模生產(chǎn)的瓶頸。雖然質(zhì)子交換膜電解槽擁有冷啟動(dòng)迅速，電源波動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊占地少等技術(shù)優(yōu)勢，具有長遠(yuǎn)的發(fā)展前景，但其目前成本過高；我們認(rèn)為在其核心部件國產(chǎn)化大幅提升和技術(shù)降本卓有成效之前，堿式水溶液電解槽仍將是市場主導(dǎo)。堿式水溶液電解槽系統(tǒng)可以通過控制優(yōu)化和系統(tǒng)配置的方式滿足風(fēng)光可再生能源負(fù)荷波動(dòng)性需求。3.項(xiàng)目及公司3.1典型應(yīng)用項(xiàng)目國外代表性項(xiàng)目德國美因茨風(fēng)電制氫-加氫站及天然氣管網(wǎng)示范項(xiàng)目由林德集團(tuán)、西門子、美因茨市政和萊茵曼應(yīng)用技術(shù)大學(xué)共同合作開發(fā)，已于2015年投運(yùn)。制氫系統(tǒng)連接當(dāng)?shù)厮膫€(gè)風(fēng)電場，當(dāng)風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)小于0.03歐元/kWh時(shí)，利用這些電量制氫，一部分由罐車運(yùn)往附近的加氫站，一部分注入天然氣管網(wǎng)用來供暖或發(fā)電。西門子為該項(xiàng)目配備了3臺Silyzer200電解槽（額定功率3.75MW，峰值功率可達(dá)6MW）和基于Simatic控制裝置的電解系統(tǒng)，充分利用PEM電解槽的技術(shù)特點(diǎn)，快速響應(yīng)和寬功率區(qū)間應(yīng)對風(fēng)電的波動(dòng)性。日本福島FH2R光伏制氫項(xiàng)目。該項(xiàng)目配備20MW的光伏發(fā)電系統(tǒng)以及10MW的電解槽裝置，每小時(shí)可額定產(chǎn)生1200標(biāo)方的氫氣，為全球最大的光伏制氫項(xiàng)目。由東芝牽頭整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)，并開發(fā)氫能管理系統(tǒng)；東北電力專注于能源管理系統(tǒng)(EMS)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)以及與電網(wǎng)相關(guān)的事項(xiàng)；巖谷公司研究氫的需求和供應(yīng)預(yù)測系統(tǒng)，以及氫運(yùn)輸和存儲；朝日Kasei公司提供先進(jìn)的堿式電解槽系統(tǒng)設(shè)備。FH2R產(chǎn)生的氫氣將為固定式氫燃料電池系統(tǒng)以及燃料電池汽車和公共汽車等提供動(dòng)力。英國HydrogenMiniGrid風(fēng)電制氫項(xiàng)目該項(xiàng)目位于謝菲爾德，于2015年完工，包括風(fēng)能制氫、高壓儲氫、加氫站及燃料電池汽車。風(fēng)力發(fā)電機(jī)225kW、集裝箱式PEM電解槽180kW、產(chǎn)氫量37m3/h、加氫站氫氣壓力35MPa、燃料電池汽車15輛，示范了從新能源制氫到氫能利用的產(chǎn)業(yè)鏈，驗(yàn)證了PEM電解槽快速響應(yīng)波動(dòng)性新能源發(fā)電技術(shù)。法國MYRTE海島示范項(xiàng)目該項(xiàng)目位于科西嘉島，島上負(fù)荷基本由光伏電站滿足，與大陸主電網(wǎng)連接較弱。該項(xiàng)目為了夜間供電穩(wěn)定，配備了儲能容量100kW/1.75MWh的氫能利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用高壓儲氫技術(shù)，系統(tǒng)應(yīng)用了余熱回收技術(shù)，綜合效率為70%~80%。加拿大PEM制氫電網(wǎng)調(diào)峰項(xiàng)目該項(xiàng)目位于魁北克省，于2019年投入運(yùn)用。配置了由Hydrogenics公司提供的20MW-PEM電解制氫裝置，采用4×5MW電解制氫方案，制氫能力為8000kg/d。該電解制氫應(yīng)用與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)公司聯(lián)合開展，利用其調(diào)節(jié)能力，參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，在PEM電解制氫與電網(wǎng)的結(jié)合應(yīng)用上進(jìn)行了一些探索。德國科隆10MW綠氫項(xiàng)目該項(xiàng)目位于科隆市萊茵煉化廠，于2021年投運(yùn)。項(xiàng)目配置了由ITMPower提供的10MW-PEM電解槽，每年制備1300噸綠氫供給煉化廠，并參與支撐電網(wǎng)穩(wěn)定性。國內(nèi)代表性項(xiàng)目蘭州液態(tài)太陽燃料示范項(xiàng)目甘肅太陽能資源豐富，且太陽輻射強(qiáng)度和波動(dòng)性具有代表性。該項(xiàng)目由太陽能光伏發(fā)電、電解水制氫和二氧化碳加氫合成甲醇三個(gè)基本技術(shù)單元構(gòu)成，配套建設(shè)總功率為10MW光伏發(fā)電站，為電解水制氫設(shè)備提供電能，是從可再生能源到綠色液體燃料甲醇生產(chǎn)的全新途徑，對發(fā)展我國可再生能源、緩解我國能源安全問題乃至改善全球生態(tài)平衡具有重大戰(zhàn)略意義。該項(xiàng)目榮獲中國可再生能源學(xué)會技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。六安國家電網(wǎng)兆瓦級PEM制氫調(diào)峰示范項(xiàng)目國內(nèi)首個(gè)兆瓦級氫能源儲能調(diào)峰電站項(xiàng)目，也是一座具有自主知識產(chǎn)權(quán)的，集制氫、儲氫、氫發(fā)電完整技術(shù)鏈條的科技試驗(yàn)站。項(xiàng)目配置200Nm3/h（PEM）電解槽制氫和50kW×24燃料電池發(fā)電，在用電低負(fù)荷的時(shí)候，可以吸收多余的電來進(jìn)行電解水，生產(chǎn)氫氣和氧氣儲存起來，以備高峰時(shí)用于發(fā)電。該項(xiàng)目優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，積極探索零排放分布式電源穩(wěn)定發(fā)電模式和能源綜合利用方式，圍繞氫能示范站建設(shè)與運(yùn)營，在電網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級、多種形態(tài)能源互補(bǔ)、電網(wǎng)能效服務(wù)、氫能電站運(yùn)營模式優(yōu)化等方面，開展深層次研究。張家口可再生能源制氫工廠張家口風(fēng)光資源豐富，助力北京綠色冬奧，建立了全球首個(gè)通過直流微網(wǎng)輸電的離并網(wǎng)風(fēng)光耦合可再生能源電解水制氫項(xiàng)目，不制氫時(shí)可向電網(wǎng)輸送可再生能源電力。河北建投崇禮站、河北建投沽源站、海珀?duì)栒竞徒煌稓づ普?，四家制氫廠共計(jì)制氫產(chǎn)能達(dá)17噸/天；還有一批制氫項(xiàng)目正在有序推進(jìn)。張家口作為河北省燃料電池汽車示范應(yīng)用城市群的牽頭城市，張家口市將在四年示范期內(nèi)，完成從制氫到氫車推廣的一系列目標(biāo)。浙江大陳島氫能綜合利用示范工程依托豐富的風(fēng)力資源，建設(shè)全國首個(gè)海島“綠氫”綜合能源示范項(xiàng)目，通過構(gòu)建基于百分百新能源發(fā)電的制氫-儲氫-燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)，使用全國產(chǎn)化PEM制氫技術(shù)，在晚間利用大陳島富余風(fēng)力通過電解水制氫，在負(fù)荷高峰時(shí)用氫發(fā)電，并實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首套氫綜合利用能量管理和安全控制技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)清潔能源百分百消納與全過程零碳供能。白城分布式發(fā)電制氫加氫一體化示范項(xiàng)目吉林白城地區(qū)風(fēng)光資源豐富，正著力打造“中國北方氫谷”。該項(xiàng)目配置6.6MW風(fēng)電，4MW光伏，一臺ALK電解水槽系統(tǒng)設(shè)備（1000Nm3/h）和一臺PEM電解水槽系統(tǒng)設(shè)備

（200Nm3/h），采用優(yōu)先制氫，余電上網(wǎng)方式。寧波慈溪電氫耦合直流微網(wǎng)示范工程該項(xiàng)目計(jì)劃建成世界首個(gè)電-氫-熱-車耦合的±10kV直流互聯(lián)系統(tǒng)。配置可再生能源發(fā)電3MW，制氫功率400kW，電池儲能總?cè)萘看笥?MW/3MWh。工程投運(yùn)后，每日可制氫100kg、供熱能力120kW，滿足10輛氫能燃料電池汽車加氫、50輛純電動(dòng)汽車直流快充需求。3.2國內(nèi)外主要公司國外代表公司NELHydrogenElectrolyzer

（耐歐）總部位于挪威。堿式電解槽擁有90多年的技術(shù)積累，產(chǎn)品性能優(yōu)越，電解槽功耗低至3.8kWh/Nm3；基于低電耗優(yōu)勢，公司計(jì)劃于2025年實(shí)現(xiàn)1.5美元/kg的綠氫制造成本目標(biāo)。質(zhì)子交換膜電解槽技術(shù)來源于并購ProtonOnsite，產(chǎn)品系列豐富，涵蓋1Nm3/h-5000Nm3/h各種規(guī)格型號，可廣泛應(yīng)用于各種場景。公司客戶及業(yè)務(wù)拓展遍布全球，產(chǎn)品應(yīng)用于80多個(gè)國家和地區(qū)。CumminsElectrolyzer

（康明斯）總部位于美國。2019年通過收購Hydrogenics獲得成熟的燃料電池和水電解槽技術(shù)與產(chǎn)品，包括堿式電解槽和質(zhì)子交換膜電解槽兩個(gè)技術(shù)產(chǎn)品系列，快速進(jìn)入該領(lǐng)域。2021年5月

康明斯武漢氫能源工程中心正式掛牌；2021年9月，康明斯氫能中國總部落地上海自貿(mào)區(qū)臨港新片區(qū)；2021年12月，康明斯與中石化設(shè)立合資公司——康明斯恩澤（廣東）氫能源科技有限公司，落地廣東佛山將生產(chǎn)康明斯HyLYZER系列質(zhì)子交換膜電解槽系統(tǒng)設(shè)備。SiemensEnergy

（西門子）ITMPower總部位于英國，全球著名的PEM電解槽系統(tǒng)設(shè)備制造商，并擁有世界最大的電解槽工廠，位于英國謝菲爾德，年產(chǎn)能達(dá)1GW。早在2017年，公司與殼牌集團(tuán)合作旨在利用低成本可再生資源通過工業(yè)規(guī)模電解槽制取氫氣，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)平衡，在多出煉化廠安裝了10MW級PEM電解槽。公司計(jì)劃在加拿大不列顛哥倫比亞省利用可再生能源生產(chǎn)綠氫，已完成300MW水電解制氫項(xiàng)目可研，并與Chiyoda公司合作利用有機(jī)液體載氫開展國際間氫貿(mào)易，向美國加州和日本等國際市場大規(guī)模出口。UhdeChlorineEngineers蒂森克虜伯控股子公司，位于德國多特蒙德，此前主要生產(chǎn)氯堿電解器，2018年轉(zhuǎn)型發(fā)展為大型水電解供應(yīng)商，并建造了利用太陽能和風(fēng)能生產(chǎn)氫氣的工廠。另外還有法國Elogen、法國McPhy、日本AsahiKasei、日本Toshiba等多家國際知名公司，分別專長于ALK/AWE技術(shù)路線或PEM技術(shù)路線。國內(nèi)代表公司考科利爾競立（蘇州）氫能科技有限公司（CJH）于2018年，由蘇州競立制氫設(shè)備有限公司與比利時(shí)JohnCockerill集團(tuán)合資成立。1995年，蘇州競立完成國內(nèi)最大的200Nm3/h電解水制氫設(shè)備，榮獲