ATC & 大东时代：2024中国绿电制氢技术趋势分析报告

中国绿电制氢技术趋势分析报告 Page1 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。 Page2 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。 Page3 Sources:①国家发改委 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2023氢源构成 中国2030氢源构成 中国2023氢气需求构成 中国2060氢气需求构成 煤制氢工业副产氢 天然气制氢电解水制氢 煤制氢工业副产氢天然气制氢电解水制氢 合成氨合成甲醇炼油用氢 热源其他 工业领域交通领域 电力领域建筑领域 •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。 •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。 •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。 •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。 Page4 Sources:①中国氢能联盟，②各地方官网，③2022年中国氢能及燃料电池产业发展趋势报告 中国可再生能源装机容量超过煤电，绿氢规划产能270万吨 中国发电装机容量（亿千瓦） 13 11.1 11.2 10.63 12 11 10 4.4 4.4 2.3 9 12.1日本 德国美国中国 2023各国绿氢制备成本（元/kg） 8.2 20212022 煤电装机容量可再生能源装机容量 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。 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。 2022-2023年已立项绿氢项目产能合计约达到270万吨 141 4.9 150 128 碱性电解水制氢成本构成 PEM电解水成本构成 100 50 电耗成本其它成本 电耗成本其它成本 0 已投产 2022 已立项绿氢项目 2023 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。 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。 Page5 Sources:BNEF,电力交易中心,各政府官网 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 不同电解水制氢技术对比 ALK PEM AEM SOEC 压力/bar 1~30 1~35 1~35 - 温度/℃ 60-80 50-90 50-90 600-1000 电流密度/A·cm-2 0.2-0.5 1.5-2.0 0.8-2.5 0.3-2.0 能耗/kWh·Nm-3 4.2-5.9 4.2-4.6 4.2-4.6 >3 电解效率 59%-70% 65%-82% 60%-75% 85%-100% 负载范围 25%-115% 0-125% - - 成本/USD.kw 400 1200 - - 使用寿命.h 60000-120000 60000-100000 10000-30000 8000-20000 响应速度 0.5-5小时 0.5秒 秒级别 - 题，因此，也意味着突破性的发展空间大。 Page6 Sources:化学工业与工程 ALK制绿氢比例达93%，设备投资额仅PEM为1/4 电解水技术路线分类招标量占比 4% 3% 93% （2023年1-11月） 2023年1-11月国内电解水制氢设 备企中2%标份额 7% 5% 3% 6% 31% 8% 15% 24% 1% 2023年电解水制氢设备企业中标均价 8（元/W) PEM技术路线SOEC技术路线ALK技术路线 7 5.80 1.371.40 1.44 1.54 1.70 0.75 6 5 4 3 2 1 大陆制氢亿利氢田时代南通安思卓0 三一氢能长春绿动翌晶能源阳光电源隆基氢能派瑞氢能其他 6.87 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。 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。 Page7 Sources:中国招标和采购网，香橙会氢能研究院 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 中外典型企业PEM电解槽对比 公司 最大单体电解槽规模（Nm3/h) 阳光氢能 200 派瑞氢能 300 国富氢能 200 康明斯（Cummins） 500 ITMPower 400 解槽规模更大。 技术原理： PEM电解槽结构与工作原理 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。 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。 产业主要“卡脖子”环节 •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 Sources:化学工业与工程 高Page8 中国PEM电解槽通过四个维度，降本空间达72% 国产MW级PEM电堆 通过四个维度，有机会降本72% 29% 13% 6% 降低贵金属铱(Ir)在催化剂中的用量:由当前2-3mg/cm2下降至0.5mg/cm2质子交换膜的国产化替代 24% 优化膜电极提提升性能：1.5~2.0A/cm2@1.8V升至2.0~3.0Acm2@1.8V极板及多孔传输层规模化生产 Page9 Sources:氢辉能源-李辉 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 屋顶光伏及小规模制氢（KW） 当前 分布式制氢应用场景（MW) ALK为主，少量PEM示范 ALK为主，PEM为辅助 2024-2025PEM为主 PEM为主+ALK ALK+PEM 2026及以后PEM+AEM导入 PEM为主+ALK+AEM导入 PEM为主+ALK+AEM导入 集中式制氢应用场景（GW) 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。 Page10 Sources:氢辉能源-李辉 userid:532115,docid:160478,date:2024-05-01,sgpjbg.com 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BloomEne