ATC & 大东时代：2024中国绿电制氢技术趋势分析报告

二零二四年一月 报告主要观点 政策 随着《氢能产业发展中长期规划（2021-2035）》的政策出台，明确了低碳绿色氢源在主要工业、交通、发电及储能领域中的重要性。同时，明确的量化目标提出，意味着各地政府需拿出实质行动，去完成既定的目标，意味着中国氢能产业有望加速发展。 中国绿氢产业化的主要优势 中国还有着发展绿色氢源中得天独厚的物理条件-丰富的可再生能源以及高量可再生能源装机量，这为发展绿氢提供良好条件。绿氢的主要成本来自于绿电，廉价的绿电带动了绿氢的经济性。根据大东时代智库（TD）数据显示，中国绿氢成本，全球最低。 ALK制氢技术总结 ALK制氢技术在中国的发展已经成熟，目前中国的主要水电解制氢技术以ALK为主，主要原因在于：①设备廉价（仅为PEM的1/4)，适合大规模集中式制氢，②技术成熟，设备的寿命可以达到10万小时。但ALK技术存在与可再生能源不“契合”（响应时间慢），工作负载范围窄（不适合波动性大的电源）的缺点。 PEM制氢技术总结 PEM制氢步伐上，中国较海外落后，其主要体现在①质子交换膜的产业化落后，②钛毡和钛网（气体扩散层材料）产业链；导致中国PEM设备价格较为高昂，但降本路线明确，有望在2026年实现大规模的推广。 国家级政策出台，明确重点可再生能源制氢 国家级规划《氢能产业发展中长期规划（2021-2035）》出台 •主要宗旨：明确“能源”的角色定位以及在绿色低碳转型中的作用，为产业发展构建清晰的蓝图。 •阶段目标设立： •2025/完善的产业发展制度政策环境，初步建立以工业副产氢和可再生能源制氢就近利用为主的氢能供应体系，燃料电池车辆保有量达到5万辆，可再生能源制氢量达到10-20万吨/年，实现二氧化碳减排100-200万吨/年； •2030/完善的清洁能源制氢及供应体系•2035/构建以交通、储能、工业、发电为主的应用场景，可再生能源制氢在终端能源消费中的比重明显提升 •政策意义： •对发展清洁低碳氢源做出明确部署，发展清洁低碳的氢源，重点发展可再生能源制氢，严格控制化石能源制氢。•以工业，交通，储能领域和分布式发电作为主要的发展领域。•有既定的量化目标，可以达到鼓励各地方积极进行配套政策的制定以及基础设施布局的效果。 氢源将逐步往绿氢过渡，在“脱碳”的背景下，未来氢气主要需求将集中于工业以及交通领域 •中国是产氢大国，年产氢量达到3300万吨，但氢源严重依赖煤制氢。技术上，煤制氢会产生大量的二氧化碳，显然并不符合政策上描述的发展氢能促进产业脱碳的目的。因此，发展绿氢才是推广氢能的关键。 •中国是氢气需求大国，年消费量超3000万吨，其主要的消费用途集中于工业领域（以化工合成氨和甲醇为主，部分作为还原剂炼钢以及工业热源）。 •工业是当前脱碳难度较大，若仅仅通过CCUS以及电气化，很难完成既定的目标。而绿氢将在主要在工业脱碳领域发挥重要的作用，主要体现在三方面，①替代一氧化碳作为还原剂炼钢，②替代天然气等化石能源成为高能耗产业的主要热源，③在化工中作为绿色原材料。 •自国家层面发布《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》后，各地地积极规划可再生能源制氢（绿氢），据大东时代（TD）目前统计，到2030年规划的绿氢产能将超过450万吨。 Page4•交通方面的占比将迎来一定的提升，主要原因在于：①随着产业化的发展，零碳排放的FCEV在规模化的生产下有较大的降本空间，②性能上较BEV更适合在商用车领域的要求，因此相应的氢气需求量将提升。 •随着绿氢产能的逐步释放以及制氢成本的下降，绿氢的经济性将逐步显现，煤制氢的氢源份额预计将逐步被电解水制氢所蚕食。 中国可再生能源装机容量超过煤电，绿氢规划产能270万吨 大规模的可再生能源装机对绿氢降本效果是明显的，当前中国以12.1亿千瓦可再生能源装机容量排在全球首位，绿氢制备成本最低。 可再生能源的装机规模正处于快速扩张中，其装机容量已在2022年时超过煤电。而随着装机量的提升，有助于绿电价格的快速下降，广州电力交易中心的数据显示，2023年1-6月南方区域绿电交易均价较煤电基准价上浮9.7分/千瓦时。 随着绿氢成本的下降，绿氢的经济性正逐步显现，反映在规划的绿氢项目产能快速增长，近两年已立项的绿氢项目合计约达到270万吨。 当前主流的电解水技术(ALK,PEM)成本占比表显示，电耗成本是主要的电解水制氢成本来源，因此，廉价的绿电是绿氢降本的关键之一。 ALK技术投资成本低，但能耗、电解效率和响应速度是其短板 •目前来说主要的电解水制氢技术路线有4种，碱性（ALK）、质子交换膜（PEM）、阴离子交换膜（AEM）、固体氧化物（SOEC）；最为成熟且商业化程度最高的时碱性电解水技术，PEM技术处于商业化早期，而AEM和SOEC则处于实验室→商业化起步阶段。 •ALK电解水技术上，其产品技术突破的空间越来越小，以部件性能优化提高为主。在PEM电解水技术，中国存在卡脖子的问题，因此，也意味着突破性的发展空间大。 ALK制绿氢比例达93%，设备投资额仅PEM为1/4 在绿氢制备设备（技术）选择上，由于ALK设备相对更加廉价，技术也更为成熟，因此多数电解水项目都会选用ALK的技术路线。招投标的统计情况显示，当前93%的电解槽都选择以ALK技术路线为主，占有行业的绝对地位，而其设备价格仅为PEM设备价格的1/4-1/5，因此，经济性更好。 Page7而在中标企业中，派瑞氢能，隆基氢能和阳光电源分列前三甲。市场份额的CR3约为70%左右，与2022年差别不大。但2022年出货量第一名的厂商考克利尔竞立并未上榜。 中国PEM设备成本800~1000万/MW，质子交换膜/钛毡/钛网被卡脖子 中国PEM发展现状 •耗电成本：50kwh/kg.H2•设备成本：800~1000万/MW系统•PEM产品与国外产品性能存在差距：国外整体更为成熟，单体电解槽规模更大。 技术原理： 该技术用质子交换膜替代了碱性电解水中的隔膜和电解质，同时起到了隔离气体与离子传导的作用。具有工作电流高，设备体积小，负载灵活，启停快，能耗低的特点。 产业主要“卡脖子”环节 PEM电解过程中，水在阳极催化分解为氧气和H+，H+穿过电解质隔膜到达阴极，并在阴极得电子生成氢气。 •质子交换膜产业化技术不成熟，依赖进口厂商产品•钛毡和钛网（气体扩散层材料）产业链目前不成熟，导致成本过高 中国PEM电解槽通过四个维度，降本空间达72% 2026年PEM制氢成本预计将低于ALK制氢，成为主要水电解制氢技术 技术特点上，PEM电解槽具有启停快，负载范围广，能耗低的特点，因此，更能适应可再生能源发电的波动性。但目前受制于设备成本高昂的原因，难以形成大规模的推广。大东时代智库（TD）预计，随着关键零部件国产替代化，贵金属负载量（催化剂）降低等，PEM制氢的单位氢气成本预计将在2026低于ALK制氢。 ➢在小规模分布式制氢上，预计会以PEM为主，而在大规模集中式制氢上，在2026年前，预计会以ALK为主，PEM为辅的模式为主，其主要原因在于当ALK电解槽负载低于25%时，所生产出来的氢气不纯，因此需要使用PEM电解槽。 SOEC电解水制氢技术处于实验室迈向商业化的阶段 技术原理： SOEC的原理是在高温条件下（650-850°C）电解水蒸气制氢，总反应为2H2O→2H2+O2。从阴极侧供给水蒸气。水分子在得到电子后生成氢气，并电离出氧离子。氧离子经过电解质传导至阳极后，经氧化形成氧气。 技术主要优势： 能量转换效率高(85%-100%) 产业发展现状： 处于发展初级阶段，处于实验室迈向商业化的阶段。海外SOFC/SOEC企业的产品成熟度要领先于国内，代表企业有美国BloomEnergy、丹麦Topsoe、德国Sunfire。 SOEC产业化应用待解决的问题： ①长期的高温高湿运行环境对材料造成衰减，造成电解槽使用寿命下降。 ②SOEC单电池制备。由于SOEC单电池一般很薄，且需堆叠成电堆，因此对制备工艺要求较高。 ③密封技术。频繁的启停，对电池片的密封材料也造成考验，由于SOEC的运行环境严酷，需在650-850°C的高温下长时间工作，还有启动和停止导致的急速升温和降温，密封材料要在这样的环境中也能稳定发挥性能，保持高度的气密性和耐受性。 AEM电解水制氢技术商业化应用尚待突破 技术原理： AEMWE制氢原理与传统碱性水电解制氢类似：阳极发生析氧反应，阴极发生析氢反应，电极的催化层通过降低氧/氢过电位来提高系统效率；扩散层为电解质转移和生成气体释放提供通道，同时在电解池内部起到结构支撑作用；由阴离子交换膜进行氢氧根的传导，同时隔绝阴阳极阻断氢气和氧气产物的混合；碱液或纯水用作电解液，以促进离子转移。 技术主要优势： 成本低、启停快、耗能少 产业发展现状： 处于初级阶段，目前研究集中在关键核心组件AEM（阴离子交换膜），高效、稳定的AEM对实现AEMWE的商业化应用十分关键。 要实现大规模的推广，AEM电解槽需达到PEM电解槽相似的性能，即电流密度>1 A/cm2@1.8 V，衰减速率<1 μV/h；但目前大部分商业化AEM在电化学工况下的稳定性，包括电化学稳定性与化学/机械稳定性，仍存在一定的问题。国内的AEM的离子电导率已可超过150 mS/cm(80 ℃)，碱稳定性达到2000 h(80 ℃，1 mol/L KOH)以上，并在AEMWE制氢中实现超过2000 h的高电流密度(>0.5 A/cm2)稳定运行，距离商业化应用要求还有距离。 电解槽产业部分公司 ALK 质子动力 ◼本报告由大东时代智库（TD）发布，版权归属大东时代（深圳）信息咨询有限公司，大东时代智库（TD）对此报告拥有唯一著作权和解释权。未经过大东时代智库（TD）的书面许可，任何组织和个人不得以任何形式复制、传播相关内容。任何未经授权使用本报告的相关商业行为，大东时代智库（TD）将依据《中华人民共和国著作权法》和其他法律法规以及有关国际公约的规定追求其法律责任。 ◼本报告所涉及的观点或信息仅供参考，不构成任何证券或基金投资建议。本报告中相关数据及观点为大东时代智库（TD）采用案头研究、访谈及其他研究方法获得，由于调研方法、样本量的限制，该数据与市场实际情况或存在一定偏差。在任何情况下，报告中的数据、信息及观点均不构成对任何单位或个人的投资建议。 TD与时代卓越者同行 大东时代智库（TD）在全球经济结构调整的大背景下，紧紧扣住能源和数字经济主线，着重研究产业发展初期、中期、成熟期、衰退期看不同阶段的不同特征；并以此为索引，深入分析企业的产业链、资金链、信息链、帮助企业确立战略方向，优化企业状态，及时掌握市场动态。以专业的服务，帮助企业不断增强核心竞争力。 大东时代智库（TD）的首要方法是通过面对面访谈的方式，从产业专家里面获取一线的信息；其次通过行业上下游、竞争对手交叉的行业大数据，以科学的分析方法不断精确产业数据，寻找产业规律，建立产业预测模型；在深入研究，精确数据，科学预测的基础上，协助企业家做出正确的抉择。 大东时代智库（TD）始终在新能源、新材料、数字经济等科技产业一线，把握产业发展最新动向，研究成果会随着产业发展、技术革新、竞争格局变化、政策法规颁布、市场调研深入，保持不断更新与优化。 大东时代智库（TD）秉承“挖掘产业潜力，助力科学决策“的使命，通过市场调研，战略咨询等服务方式，真正帮助企业家利用有限资源，不断壮大发展企业。 联系我们Contact Us www.dadongtimes.comluohuanta@dadongtimes.com+86 18957160600 大东时代智库公众号 工业数智时代公众号