二、產業(yè)鏈：制氫環(huán)節(jié)是核心，儲運及應用環(huán)節(jié)快速發(fā)展
氫能產業(yè)鏈分為上游制氫環(huán)節(jié)，中游儲運氫環(huán)節(jié)以及下游應用環(huán)節(jié)。對于上游制氫環(huán)節(jié)而 言，電解槽是核心裝置，電解槽廠商也是行業(yè)內主要玩家，本報告對上游目前主要制氫路 徑以及成本進行了詳細梳理和拆分，電解水制氫目前成本仍然偏高，但是考慮未來碳稅的 征收以及綠氫成本持續(xù)降低，綠氫與灰氫成本差距有望逐步收斂。隨著氫能產業(yè)鏈的發(fā)展， 氫能儲運如儲氫瓶、氫能壓縮機、氫能閥門，下游氫燃料電池企業(yè)、氫能自行車等領域均 迎來較大的發(fā)展機遇，值得長期關注。
2.1 上游：制氫環(huán)節(jié)
灰氫成本優(yōu)勢明顯，綠氫零碳排放具備發(fā)展?jié)摿?。目前氫氣的制備主要技術工藝有熱化學 制氫和水電解制氫，其中熱化學制氫技術主要有化石能源制氫及化工原料制氫?；茉?制氫包括水煤氣制氫、天然氣重整制氫等，目前已經進行工業(yè)生產，技術相對成熟，但用 此法制氫發(fā)電，能量轉換效率低，經濟性差，CO2 排放量大。根據中國氫能聯(lián)盟研究院研 究顯示，2019 年我國氫氣生產中有超過 60%的氫氣是煤制氫。在未來一段時期內，由于 資源稟賦和新制氫技術尚未成熟，煤制氫仍是我國氫氣的主要來源。
2.1.1 煤制氫
以煤為原料制氫氣的方法主要有兩種： 一是煤氣化制氫。煤氣化是指在高溫常壓或高溫高壓條件下，煤與水蒸氣或氧氣(空氣) 反應轉化為以氫氣和 CO 為主的合成氣，再將 CO 經水氣變換反應得到氫氣和 CO?的過 程。煤氣化制氫工藝成熟，目前已實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化。傳統(tǒng)煤制氫采用固定床、流化床、 氣流床等工藝，碳排放較高。 二是煤超臨界水氣化制氫，是新型煤制氣工藝。超臨界水氣化過程是在水的臨界點以上(溫 度大于 647K，壓力大于 22MPa)進行煤的氣化，主要包括造氣、水氣變換、甲烷化三個 變換過程。可以有效、清潔地將煤轉換為 H2 和純二氧化碳。2022 年 8 月南控集團下屬 景隆公司與新錦盛源公司簽約開展煤炭超臨界水氣化制氫項目合作。
煤制氫成本優(yōu)勢明顯，但其碳排放量高，環(huán)保壓力大。2021 年我國煤制氫產量約 2100 萬噸。產出的氫氣主要應用于汽油加氫、粗柴油加氫、燃料加氫脫硫以及合成氨等。在不 考慮碳價的情況下，當前煤氣化制氫的成本最低，在無 CCS(碳捕捉和儲存) 技術的情況 下每公斤氫氣制取成本為 11 元，在結合 CCS 技術的情形下每公斤氫氣制取成本為 20 元。但是煤氣化制氫每生產一公斤 H2 的碳排放水平為 19.94kgCO2~29.01kgCO2，相當 于天然氣重整制氫碳排放水平的兩倍。在全球碳中和的目標導向下，煤氣化制氫成本優(yōu)勢 恐難持續(xù)，據 IEA 預計，在考慮碳價的情況下，煤制氫的成本優(yōu)勢將逐漸消失。
2.1.2 天然氣制氫
天然氣制氫是以天然氣為原料,用水蒸氣作為氧化劑,來制取富氫混合氣。制氫包含兩個過 程：天然氣脫硫過程和甲烷蒸汽轉化過程。與煤制氫相比，天然氣制氫溫室氣體排放量相 對較少。天然氣制氫的本質是以甲烷中的碳取代水中的氫，碳起到化學試劑作用并為置換 反應提供熱量，產生的氫大部分來自水，小部分來自天然氣本身。根據《考慮碳排放的化 石能源和電解水制氫成本》研究，天然氣制氫的 CO?的排放量約為 0.43 kg/(Nm³ H?)。 天然氣制氫缺乏原料保障和政策支持，且不具備經濟性。天然氣制氫是目前全球氫氣的主 要來源，已成為歐美、中東等天然氣資源豐富地區(qū)的主流制氫工藝。然而，我國天然氣資 源較貧瘠，國內目前天然氣約 40%依賴進口，在國際局勢復雜多變的背景下，天然氣制氛 缺乏原料保障和政策支持。再有，根據天然氣價格的變化，天然氣制氫成本在 7.5 元/kg ~ 24.3 元/kg 之間，不具備經濟優(yōu)勢。近幾年部分天然氣制氫項目的投資強度在 0.6 萬元 /Nm3.H -1.4 萬元/Nm3.H，如需要達到高純氫 4N 級標準且具備加氫能力，參照中石化 茂名氫燃料電池項目投資強度，預計投資強度達到 2.9 萬元/ Nm3.H 左右。
2.1.3 工業(yè)副產氫
我國工業(yè)副產氫規(guī)模有一定的提升潛力。工業(yè)副產氫是指在生產化工產品的同時得到的氫 氣，主要有焦爐煤氣、氯堿化工、輕烴利用(丙烷脫氫、乙烷裂解)、合成氨合成甲醇等工 業(yè)的副產氫，工藝路線和制氫綜合成本具體如下。 1、氯堿副產制氫：氯堿工業(yè)生產以食鹽水為原料，利用隔膜法或離子交換膜法等生產工 藝，生產燒堿、聚氯乙烯 (PVC)、氯氣和氫氣等產品。 2、焦爐煤氣制氫：焦爐煤氣是煉焦的副產品，焦爐煤氣制氫工序主要有：壓縮和預凈化、 預處理、變壓吸附和氫氣精制。 3、合成氨和合成甲醇副產氣：根據《中國氫能產業(yè)發(fā)展報告 2020》，目前中國氫氣消耗 結構中用于合成氨、合成甲醇的氫氣消耗量占比達 50%以上。合成氨、合成甲醇在生產過 程中會有含氫氣的合成放空氣(降低惰性氣體含量的氣體)和馳放氣(隨液氨夾帶的不凝 性氣體)排出，氫氣含量在 18%-55%之間。 4、輕烴裂解制氫：主要有丙烷脫氫 (PDH) 和乙烷裂解等 2 種路徑。輕烴裂解的氫氣雜 質含量低于焦爐氣制氫，純度較高。 5、合成氨和合成甲醇副產氣：合成氨、合成甲醇企業(yè)可回收利用合成放空氣和馳放氣實 現(xiàn)氫氣外供。 當前工業(yè)副產氫基本為各企業(yè)自產自用，較難統(tǒng)計。根據中國電動汽車百人會統(tǒng)計，從工 業(yè)副產氫的放空現(xiàn)狀看，當前供應潛力可達到 450 萬噸/年，能夠支持超過 97 萬輛公交 車的全年運營。
2.1.4 電解水制氫
電解水制氫是指水分子在直流電作用下被解離生成氧氣和氫氣，分別從電解槽陽極和陰極 析出。根據工作原理和電解質的不同，電解水制氫技術通常分為四種，分別是堿性電解水 技術(ALK)、質子交換膜電解水技術(PEM)、高溫固體氧化物電解水技術(SOEC)和 固體聚合物陰離子交換膜電解水技術(AEM)。 電解水制氫技術以堿性電解為主，PEM 電解次之。“雙碳”目標提出后，國內電解水制氫 項目規(guī)劃和推進逐步加快，2022 年國內堿性電解槽企業(yè)已披露產能接近 11GW，堿性電 解水制氫技術已完成商業(yè)化進程，產業(yè)鏈發(fā)展成熟，且具備成本優(yōu)勢，已實現(xiàn)大規(guī)模應用; PEM 電解水技術則處于商業(yè)化初期，產業(yè)鏈國產化程度不足，電解槽雙極板、膜材料以及 鉑、銥等貴金屬催化劑材料成本更高且極度依賴進口;高溫固體氧化物電解水技術和固體 聚合物陰離子交換膜電解水技術還處于研發(fā)示范階段，未實現(xiàn)商業(yè)化應用。
水電解制氫四種技術基本原理相同，但在電解槽材料和電解反應條件上存在差異。四者都 在氧化還原反應過程中，阻止電子的自由交換，將電荷轉移過程分解為外電路的電子傳遞 和內電路的離子傳遞，從而實現(xiàn)氫氣的產生和利用，技術成熟度、運行溫度、電流密度等 材料及反應條件各異。
1)堿性電解水制氫
堿性電解水制氫是指在堿性電解液環(huán)境下進行電解水制氫的過程，電解液一般為 KOH 或 NaOH 水溶液。將電解質溶液置于電解槽內，通過隔膜將槽體分為陰、陽兩室，各電極置 于其中，電流在一定電壓下通過電極將水分解，在陽極產生氧氣，在陰極產生氫氣，以此 達到制氫目的。
堿性電解水制氫系統(tǒng)主要包括堿性電解槽主體和 BOP 輔助系統(tǒng)。堿性電解槽由電極、電 解液、隔膜及極板、墊片等零部件組成，其中隔膜通常為石棉或者為高分子復合材料，電 極一般采用鎳基金屬材料，極板通常采用鑄鐵金屬板、鎳板或不銹鋼金屬板。堿性電解槽 工作溫度一般為 70-90℃，產生的氫氣純度在 99%以上，經分離后的氫氣需要脫除其中的 水分和堿液。一般電解槽需要降低電壓增大電流以提高轉化效率，成本與其制氫能力有關， 制氫能力越大，成本越高。堿性電解水制氫裝置 BOP 輔助系統(tǒng)包括八大系統(tǒng)：電源供應 系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、氣液分離系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、堿液系統(tǒng)、補水系統(tǒng)、冷卻干燥系統(tǒng)及附屬 系統(tǒng)。 堿性電解水制氫是目前發(fā)展最為成熟的制氫技術，具備槽體結構簡單、安全可靠、運行壽 命長、操作簡便、售價低廉等優(yōu)點，是市場上主要的電解制氫方式，廣泛應用于冶金、醫(yī) 藥、儲能、食品等行業(yè)。
2)質子交換膜電解水制氫(PEM)
質子交換膜電解水制氫技術簡稱 PEM(Proton exchange membrane),和堿性電解水制 氫的區(qū)別是，PEM 電解制氫使用質子交換膜作為固體電解質替代堿性電解槽使用的隔膜 和堿性電解液，避免了潛在的堿液污染和腐蝕問題，安全性更高。 質子交換膜電解水制氫同樣是是純水發(fā)生電化學反應分解產生氧氣和氫氣的過程。電解水 的能源則利用太陽能、風能和水力發(fā)電等零碳能源，制氫過程無污染排放，是最清潔環(huán)保 的“綠氫”。
PEM 電解水制氫系統(tǒng)由 PEM 電解槽和輔助系統(tǒng)(BOP)組成。PEM 電解槽結構與燃料 電池類似，主要部件由內到外依次是質子交換膜、陰陽極催化層、陰陽極氣體擴散層、雙 極板等。其中擴散層、催化層與質子交換膜組成膜電極，是整個水電解槽物料傳輸以及電 化學反應的主場所，膜電極特性與結構直接影響電解槽的性能和壽命。PEM 電解水制氫 裝置輔助系統(tǒng)包括四大系統(tǒng)：電源供應系統(tǒng)、氫氣干燥純化系統(tǒng)、去離子水系統(tǒng)和冷卻系 統(tǒng)。
投資和運行成本高仍然是 PEM 電解水制氫亟待解決的主要問題。過去 5 年，PEM 電解槽 成本已下降了 40%，但由于商業(yè)化時間不夠長，PEM 電解槽制造成本仍遠高于堿性電解 槽，為相同規(guī)模堿性電解槽的 3-5 倍。由于 PEM 電解槽需要在強酸性和高氧化性的工作 環(huán)境下運行，因此設備極度依賴價格昂貴的銥、鉑、鈦等貴金屬;質子交換膜作為 PEM 電 解槽的核心零部件之一，性能好壞直接影響電解槽的運行效率和壽命，其生產技術長期被 歐美和日本壟斷，十分依賴進口，這些都是可能制約國內 PEM 電解水制氫產業(yè)鏈發(fā)展的 問題。 PEM 電解槽成本存在下降空間。隨著氫能行業(yè)的發(fā)展，氫氣需求的增加，以及技術的進 步，疊加可再生能源電力成本的下降和產氫數量的增加，PEM 電解槽成本或將逐步下降。 如果考慮用地面積，即土地成本，PEM 電解槽更加緊湊，同等規(guī)模下 PEM 占地面積幾乎 為堿性裝置的一半，在土地昂貴的地區(qū) PEM 電解槽優(yōu)勢更加明顯，結合其效率高、能耗 少、響應快、負載高等優(yōu)勢，PEM 電解槽將是未來電解制氫的主流方向。
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