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电解槽新技术掀起氢能浪潮

来源:中国能源报    编辑:    发布时间:2023-03-30

  氢能是可持续发展最具潜力的二次清洁能源,根据制氢工艺所产生的碳排放程度,可分为灰氢、蓝氢、绿氢。灰氢成本较低但污染较大,绿氢通过使用再生能源电解水制取的氢气,满足“双碳”要求,是未来的发展方向。

  目前,全球及中国绿氢在氢能占比较低,均不到1%,主要由于绿氢成本高于灰氢成本。未来,随着风电光伏与电解水制氢结合以及电解槽性价比逐步提升,制氢成本有望进一步下探。根据测算,理想情况下绿氢成本可达到5.8元/kg,低于灰氢成本。

  当前,主流电解水制氢技术包括碱性水电解(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)四种。电解槽的性能与整个制氢系统的制氢效率有着直接的关系,在能耗、安全性方面也有十分重要的影响,所以,电解槽是电解水流程的核心。

  在电解水制氢的成本中,设备成本占了14%。电解水制氢系统由电解槽及辅助系统组成,其中,电解槽是电解反应发生的主要场所,辅助系统则包括电力转换、水循环、气体分离、气体提纯等模块。从成本构成来看,电解槽在制氢系统总成本中的占比约为50%,设备在单位时间内的产氢量越大,电解槽所占整个设备制造成本的比例就越高,所以,电解槽的成本会直接影响制氢系统的产品价格。电解槽的成本是电解水制氢系统生产成本的核心。

  对于碱性电解槽在新能源发电系统中的应用,目前国内部分碱性电解槽厂商将提高电流密度、采取热启动作为解决碱性电解槽响应速度的重要方式。有示范项目利用多种混合储能方式进行平抑波动,优化运行。利用碱性电解槽可以适应高功率和功率快速调节运行工况但无法长时间处于低功率工况运行的特点,在混合储能系统协调运行中,通过设计使其在高功率和快速功率调节工况中运行,同时,为了保持运行安全性和稳定性,尽量避免其在低功率工况下运行。

  随着产业的进一步发展,未来应用场景将不断拓宽,大型化、低成本、低能耗是产业发展共识。需要大规模制氢产能的化工冶金领域将持续采用碱性电解槽制氢,而在分布式能源场景中,如现场制氢加氢站这种氢能产量较小的场景,PEM电解槽将具有独特优势。

  相比于碱性电解槽,PEM电解槽由于设备成本过高,制氢成本相对较高。未来,随着氢能行业的发展、氢气需求的增加以及技术的进步,会带来PEM电解槽成本的下降。叠加可再生能源电力成本的下降和产氢数量增加的因素,如果考虑土地成本,PEM电解槽更加紧凑,同等规模下PEM占地面积几乎为碱性装置的一半,在土地昂贵的地区PEM电解槽优势更加明显。此外,结合其效率高、能耗少、响应快、负载高等优势,预计PEM未来发展空间大。

  根据高工锂电的数据,2022年全球电解槽市场出货量达到1GW,其中,中国电解槽总出货量超过800MW,同比增长129%以上,全球占比超过80%。碱性电解槽设备凭借运行稳定、售价低廉等优点,成为市场的主流选择。

  根据BloombergNEF的数据,2023年中国电解槽出货量将持续保持高增,出货量有望达到1.4-2.1GW,占全球出货量的60%以上,同比增加75%-163%。

  当前,伴随电解水制氢性价比逐步凸显,推动电解槽需求提升。

  一是电解槽工作时间不断延长:通过延长电解槽工作时间可生产更多绿氢,从而摊薄其固定成本,根据测算,当电解槽工作时长从2000小时提升至4000小时后氢气成本有望降低4.6%。二是电解槽能量转换效率不断提升:目前行业主流的碱性电解槽能量转换效率较低仅为60%-75%,成为阻碍电解水行业发展的一大难题,质子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽可将能量转换效率提升至75%-85%,有望进一步降低制氢成本。三是电解槽耗电量逐步下降:电解水的主要成本来源于电费,降低电耗一直是困扰行业多年的难题。未来,随着电解槽技术的不断迭代,耗电量有望继续下降。理想情况下,制氢成本可下降80%,达到5.8元/kg,低于煤炭9.9元/吨的制氢成本。

  随着绿氢性价比提升及政策驱动,预计2025年、2030年全球绿氢需求量将分别达到1583万吨、4727万吨;2025年、2030年全球绿氢占比将分别达到15%、38%。受益于下游绿氢市场需求旺盛,电解槽出货量有望在未来几年迎来爆发期,2023年、2025年电解槽市场规模将分别达到1872亿元、5280亿元。

  未来,伴随电解槽产品不断升级,单台设备投资额有望持续下降。电解槽技术的进步将掀起绿色氢能浪潮。(编辑系华安证券分析师)

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