2024-10-30
各國(guó)際能源機(jī)構(gòu)對(duì)2050年氫能在全球能源總需求中占比預(yù)測(cè)
數(shù)據(jù)來(lái)源：畢馬威、華鑫證券
目前主流電解水制氫技術(shù)路徑有四種，它們分別是：堿性電解水制氫（ALK）、固體氧化物電解水制氫（SOEC）、陰離子交換膜制氫（AEM），以及即將迎來(lái)商業(yè)化的質(zhì)子交換膜電解水制氫（PEM）。面對(duì)碳減排壓力，電解水制氫或許是眼前工業(yè)化制氫技術(shù)中接近零碳排放的制氫技術(shù)。電解水制氫技術(shù)迭代應(yīng)用將直接減少化工、石化以及交通、氫冶金等新舊領(lǐng)域的碳排放。
四種電解水制氫技術(shù)參數(shù)對(duì)比
數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)資料整理
堿性電解槽內(nèi)部構(gòu)成
來(lái)源：高工氫電
缺點(diǎn)：能耗較高，堿性電解水制氫需要消耗大量電能，而且電解效率相對(duì)較低；在堿性條件下，電解槽內(nèi)的電極容易受到腐蝕，導(dǎo)致設(shè)備壽命縮短，維護(hù)成本增加；堿性條件下的膜穩(wěn)定性差，堿性環(huán)境對(duì)膜的穩(wěn)定性要求較高，膜損壞會(huì)導(dǎo)致電解效率下降；堿性電解水制氫產(chǎn)生的氫氣純度相對(duì)較低，需要額外的處理步驟才能得到更高純度的氫氣。
由于產(chǎn)品非常成熟，當(dāng)前低能耗、大標(biāo)方已成為其主流研究方向：據(jù)高工氫電報(bào)道，大標(biāo)方的單體槽制氫設(shè)備的成本低于采購(gòu)?fù)犬a(chǎn)量多套設(shè)備，2022年堿性電解槽1000 Nm3/h的產(chǎn)品已趨于成熟，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有單槽產(chǎn)能共15700Nm^3/h；當(dāng)前行業(yè)的普遍電耗水平在4.5-4.6 kWh/Nm3，降低電解槽的直流電耗是電解槽技術(shù)升級(jí)的重點(diǎn)。
ALK堿性電解水隔膜發(fā)展歷程
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代際 |
石棉 (第一代) |
聚苯硫醚 (PPS) (第二代) |
復(fù)合隔膜 (在PPS基底兩面涂覆漿料) (第三代) |
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隔氣性 |
隔氣性差 |
隔氣性差 |
隔氣性好 |
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能耗 |
能耗高 |
能耗較低 |
能耗最低 |
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應(yīng)用 |
已退出市場(chǎng) |
亞洲國(guó)家 |
歐美應(yīng)用，國(guó)內(nèi)起步 |
來(lái)源：國(guó)海證券
固體氧化物電解水制氫（SOEC）
簡(jiǎn)介：SOEC 的原理是在高溫條件下電解水蒸氣制氫，總反應(yīng)為2O→2+。SOEC 電解槽由氫電極層、電解質(zhì)層、氧電極層構(gòu)成。氫電極為多孔陶瓷結(jié)構(gòu)，例如 Ni-YSC 金屬陶瓷，負(fù)責(zé)導(dǎo)通電子，傳輸水蒸氣及生成的氫氣；電解質(zhì)為致密的鈣鈦礦類陶瓷（如 YSZ），可導(dǎo)通氧離子 ；氧電極為多孔陶瓷結(jié)構(gòu)（如 LSM），可導(dǎo)通 ，傳輸空氣及生成的氧氣。
固體氧化物制氫流程
來(lái)源：艾邦氫能
優(yōu)點(diǎn)：SOEC技術(shù)最大優(yōu)勢(shì)是電耗低，適合產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽的光熱發(fā)電系統(tǒng)。應(yīng)用廣泛，除了電解水制氫外，SOEC電解槽還可以與二氧化碳合成燃料及利用可逆反應(yīng)用于燃料電池。另外，SOEC還具有穩(wěn)定性良好、產(chǎn)氫純度高等優(yōu)點(diǎn)。
缺點(diǎn)：高溫高濕的工作環(huán)境使電解槽選擇穩(wěn)定性高、持久性好、耐衰減的材料受到限制，也制約SOEC制氫技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景的選擇與大規(guī)模推廣。耐久性是SOEC目前的重點(diǎn)問(wèn)題，熱化學(xué)循環(huán)，特別是系統(tǒng)停、啟時(shí)，都會(huì)加速老化，降低使用壽命。
現(xiàn)狀：國(guó)際市場(chǎng)SOEC已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化初期階段，代表企業(yè)有德國(guó)的Sunfire、美國(guó)的Bloom Energy、Fuelcell Energy和康明斯、丹麥的Topsoe等。
陰離子交換膜制氫（AEM）
簡(jiǎn)介：AEM利用帶有荷正電的基團(tuán)形成的正電場(chǎng)吸引，從而實(shí)現(xiàn)電解液中離子的傳遞，阻攔陽(yáng)離子的通過(guò)。同樣涉及兩個(gè)半反應(yīng)：析氧反應(yīng)（OER）和析氫反應(yīng)（HER）。
結(jié)構(gòu)：由陰離子交換膜和兩個(gè)過(guò)渡金屬催化電極組成，采用純水或低濃度堿性溶液用作電解質(zhì)。重要零部件陰離子交換膜的作用是將從陰極傳導(dǎo)到陽(yáng)極，同時(shí)阻隔氣體和電子在電極間直接傳遞。在電極上負(fù)載催化劑后，再通過(guò)與極板、氣體擴(kuò)散層、墊片等組件密封組裝。
AEM電解水制氫運(yùn)行過(guò)程示意圖
億緯鋰能AEM膜產(chǎn)品實(shí)物圖
來(lái)源：億緯鋰能
AEM領(lǐng)先制造商意大利ENAPTER小型商業(yè)化產(chǎn)品參數(shù)
數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)資料
質(zhì)子交換膜制氫（PEM）
原理：PEM水電解槽中，水在陽(yáng)極被分解成氧氣（O2）、電子（e-）和質(zhì)子（H+），氧氣從陽(yáng)極排出。電子通過(guò)外電路流向陰極，而質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜流向陰極。在陰極一側(cè)，兩個(gè)質(zhì)子和電子重新結(jié)合產(chǎn)生氫氣（H2）。
結(jié)構(gòu)：PEM電解槽采用質(zhì)子交換膜替代了堿性電解槽中的隔膜和液態(tài)電解質(zhì)，起到離子傳導(dǎo)和隔離氣體的雙重作用。質(zhì)子交換膜電解槽成本中45%是電解電堆、55%是系統(tǒng)輔機(jī)；其中電解電堆成本中24%是膜電極。
PEM 電解水制氫結(jié)構(gòu)原理圖
來(lái)源：中國(guó)節(jié)能協(xié)會(huì)氫能專業(yè)委員會(huì)，《當(dāng)代石油石化》
毫無(wú)疑問(wèn)，處于商業(yè)化黎明的PEM電解水制氫市場(chǎng)廣闊。以權(quán)威機(jī)構(gòu)的氫氣需求及電解水制氫滲透率等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合國(guó)產(chǎn)替代及技術(shù)更新帶來(lái)的PEM在電解水制氫中占比的增長(zhǎng)預(yù)期，我們最終測(cè)算出2020-2050年國(guó)內(nèi)PEM制氫對(duì)質(zhì)子交換膜的需求量如下表：
國(guó)內(nèi)PEM電解制氫質(zhì)子交換膜需求測(cè)算
數(shù)據(jù)來(lái)源：高工氫電，寧波材料所，中國(guó)氫能發(fā)展報(bào)告，中航證券，國(guó)海證券
水電解綠氫作為一種清潔能源生產(chǎn)方式，具有巨大潛力。可再生能源發(fā)電打開(kāi)了氫能天花板，未來(lái)隨著技術(shù)不斷進(jìn)步和成本的進(jìn)一步下降，綠氫需求有望迎來(lái)“高斜率”的增長(zhǎng)，為實(shí)現(xiàn)能源清潔轉(zhuǎn)型和碳中和目標(biāo)作出重要貢獻(xiàn)！
領(lǐng)先的先進(jìn)材料科技企業(yè)
