【專題 | 「可再生能源」可再生資源行業(yè)分析_可再生資源裝機(jī)容量_發(fā)電占比】

氫能產(chǎn)業(yè)鏈可以分為上游制氫、中游儲運(yùn)和下游應(yīng)用三個主要環(huán)節(jié)。

圖1  氫能產(chǎn)業(yè)鏈

（資料來源：五度易鏈行業(yè)研究中心）

化學(xué)能源制氫是主流制氫方式，目前國內(nèi)煤制氫技術(shù)成熟，但結(jié)合“藍(lán)氫”技術(shù)成本將大幅上升

制氫的路徑有三種，包括化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)品制氫和電解水制氫：全球制氫主流選擇是天然氣制氫，主要原因是成本較低、效率高且清潔度較高，但純度較低；工業(yè)副產(chǎn)制氫雖然短中期是對氫來源的有效補(bǔ)充，但不具備普遍推廣能力，并且本質(zhì)上也屬于化學(xué)能源，并不會降低碳排放；電解水制氫雖然當(dāng)前占比很小，但由于可以和可再生能源結(jié)合，因此是各國清潔能源研究重點(diǎn)方向。根據(jù)2020中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告數(shù)據(jù)，目前全球制氫原料中，天然氣使用最為廣泛，其次是醇類，最為環(huán)保的電解水使用最少，占比不到5%。我國氫氣來源主要為煤制氫，占比超六成，其次才為天然氣，而電解水制氫僅為1%。

圖2 我國制氫結(jié)構(gòu)

（資料來源：《中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告2020》、五度易鏈行業(yè)研究中心整理）

綠氫是氫能發(fā)展最終目標(biāo)，清潔可再生能源制氫將是未來發(fā)展重點(diǎn)

世界能源理事會認(rèn)為氫本身并不是一種能源，而是能源的載體，其針對不同制氫方式將氫分為“灰氫”、“藍(lán)氫”和“綠氫”。“灰氫”是通過化石能源、工業(yè)副產(chǎn)等制得的氫，但是由于原料是碳基，所以會產(chǎn)生大量碳排放；“藍(lán)氫”則是在灰氫的基礎(chǔ)上，利用碳捕捉和碳封存技術(shù)實(shí)現(xiàn)低碳制氫，但國外有研究表明“藍(lán)氫”全生命周期排放依舊超過直接燃燒煤炭和天然氣，并且更重要的是成本始終居高不下，可行性較低；“綠氫”也被稱為可再生能源電解水制氫，是通過風(fēng)電、光伏、水電等可再生清潔能源方法制氫，基本不會產(chǎn)生碳排放，是唯一清潔的氫能。我國目前處于氫能產(chǎn)業(yè)初期階段，以化石能源和工業(yè)副產(chǎn)制造的“灰氫”為主，“藍(lán)氫”和“綠氫”由于成本都較高還不具備大規(guī)模推廣條件，但相關(guān)技術(shù)都在積極研發(fā)中。

表1 灰氫、藍(lán)氫、綠氫技術(shù)對比

（資料來源：五度易鏈行業(yè)研究中心整理）

電解水制氫純度最高，其中PEM（質(zhì)子交換膜）制氫純度達(dá)到99.999%（5N）

從氫氣的下游應(yīng)用領(lǐng)域分析，根據(jù)IEA數(shù)據(jù)，目前氫的主要用途分別是煉油、合成氨、合成甲醇和直接還原鐵礦石。不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ跉錃饧兌纫蟛煌捎秒娊馑绞街茪浼兌茸罡撸渲谐杀据^高但是最有前景的的PEM制氫純度高達(dá)99.999%（5N），適合為用氫量相對較小但對純度要求較高的行業(yè)提供，比如作為一些電子材料的生長與襯底的制備、氧化工藝、外延工藝中以及化學(xué)氣相淀積（CVD）技術(shù)作為反應(yīng)氣、還原氣或保護(hù)氣。我國廣泛開展的煤制氫純度最低，僅為氫氣48%-54%，但優(yōu)勢在于成本較低，不過提純工藝流程相對復(fù)雜，使用設(shè)備較多，適合為用氫量大的行業(yè)提供氫氣。

PEM電解水制氫具有更強(qiáng)的負(fù)載波動適應(yīng)能力，適合可再生能源間歇性發(fā)電

氫氣純度最高的電解水制氫根據(jù)電解槽隔膜材料的不同電解水制氫可以分為堿性電解水制氫、質(zhì)子交換膜（PEM）電解水制氫和（SOEC）高溫固體氧化物電解水制氫三類。其中堿性電解水制氫技術(shù)已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，但耗電量最高；PEM處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展初期，耗電量和氫氣純度優(yōu)于其他路線，但核心設(shè)備依賴進(jìn)口且電解槽昂貴，總體成本依然最高；SOEC則還處在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段，短期商業(yè)化可能性很低，但該技術(shù)未來有望和SOFC（固體氧化物燃料電池）一起組成氫儲能電站，建立完全的清潔能源“儲能+發(fā)電”系統(tǒng)。在響應(yīng)速度方面，PEM電解槽相比于堿性電解槽具有更強(qiáng)的負(fù)載波動適應(yīng)性能力，并且隨著PEM技術(shù)不斷改進(jìn)，其在風(fēng)電和光伏等波動性可再生能源輸入下其LOCH（平準(zhǔn)化成本）相比堿性電解水更具優(yōu)勢。

圖3 電解水制氫系統(tǒng)及成本構(gòu)成

（資料來源：IRENA，五度易鏈行業(yè)研究中心整理）

電費(fèi)與設(shè)備投資是電解水制氫主要的成本構(gòu)成

電解水產(chǎn)生一公斤氫氣所需的理論耗電量約為30kwh，當(dāng)前電解水制氫的能量轉(zhuǎn)換效率約為60%，因此實(shí)際耗電量大致為每公斤50kwh左右。在設(shè)備方面，目前堿性電解水制氫系統(tǒng)的平均成本大于500美元每千瓦，若假設(shè)系統(tǒng)壽命為5萬小時，則對應(yīng)運(yùn)行周期內(nèi)每公斤氫氣折舊成本為0.5美元/kg（以匯率6.4計算為3.2元人民幣）/kg，而PEM設(shè)備成本需要再翻一倍甚至兩倍。在電費(fèi)方面，以國內(nèi)0.8元/kwh計算，則制取每公斤氫氣需要40元。若以陸上風(fēng)電0.35元/kwh成本計算，則電費(fèi)也需要17.5元。兩項(xiàng)合計明顯高于化石能源的10-15元/kg成本水平，而這還不考慮其他設(shè)備和建設(shè)成本。因此，從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，可再生能源制氫大規(guī)模發(fā)展的條件尚不具備。

結(jié)語

綜合來看，氫能作為二次能源載體，有望成為全球未來能源體系的重要組成部分，發(fā)展?jié)摿薮蟆５捎凇八{(lán)氫”與“綠氫”技術(shù)尚不成熟，成本居高不下，因此目前氫氣的生產(chǎn)與應(yīng)用仍集中在化石能源領(lǐng)域，其作為一種清潔、高效能源的優(yōu)勢尚未充分發(fā)揮。可再生能源發(fā)電成本進(jìn)一步降低與PEM（SOEC）制氫設(shè)備成本下降將是未來以“綠氫”為主的氫能產(chǎn)業(yè)鏈能否持續(xù)發(fā)展的重要因素。