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2021年7月，歐洲最大的質(zhì)子膜交換電解（PEM）制氫項目在德國科隆市萊茵煉廠（REFHYNE）投運(yùn)，該項目裝配了10MW級PEM電解槽，由ITM Power提供，每年可生產(chǎn)多達(dá)1300噸的綠氫，同時該項目還將擴(kuò)產(chǎn)至100MW的第二期工程規(guī)劃提上日程。
截止2020年底，全球已有約70個在建的綠氫項目，“綠色氫氣”作為實現(xiàn)氣候目標(biāo)的新興領(lǐng)域，正成為行業(yè)的焦點。大量來自政府和私人投資者的資金開始流入該行業(yè)，包括傳統(tǒng)能源巨頭、裝備制造企業(yè)以及初創(chuàng)公司等超萬家企業(yè)正在迅速切入綠氫產(chǎn)業(yè)鏈。
毫無疑問，綠氫產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展空間，但同時也面臨著降低成本的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。氫要真正成為一種具有成本效益的減少排放的能源，還面臨著技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和政策方面的挑戰(zhàn)。氫工業(yè)必須在氫的生產(chǎn)、分配(儲存、運(yùn)輸、加注)和終端使用方面做到更便宜、更高效，以實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上的可行性和商業(yè)上的可擴(kuò)展性。
2021年4月，世界知名企業(yè)管理咨詢公司Boston Consulting Group（BCG）發(fā)布了《氫能的綠色科技機(jī)遇》，文中指出了各環(huán)節(jié)的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，并詳細(xì)分析了綠色氫產(chǎn)業(yè)鏈的特點。結(jié)合BCG的分析，總結(jié)了綠色氫產(chǎn)業(yè)特別是電解水制氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?jié)摿透偁幐窬帧?/span>
綠氫產(chǎn)業(yè)鏈減排潛力巨大
氫可以通過多種工藝和能源來制造。世界能源理事會根據(jù)生產(chǎn)來源將氫分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫。灰氫是指從天然氣、煤炭等化石燃料中生產(chǎn)的氫，其生產(chǎn)成本最低，但碳排放高，廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)。藍(lán)氫是灰色氫的“升級版”。在制氫過程中結(jié)合碳捕集與存儲技術(shù)，碳排放可降低約90%，成本相應(yīng)較高。綠氫利用風(fēng)能和太陽能等可再生能源發(fā)電，然后電解水生產(chǎn)氫，這是最昂貴的。其中，綠氫從源頭上消除了碳排放，是一種真正意義上的清潔能源。
在綠氫工業(yè)的應(yīng)用端，減排潛力最大的領(lǐng)域是冶金和交通。據(jù)估計，到2050年，清潔氫氣可以通過在化工、運(yùn)輸和制造方面的應(yīng)用，使每年減少至少50至60億噸的溫室氣體排放。這相當(dāng)于到2050年所有綠色技術(shù)減排的15%左右。
降本——既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇
目前，可再生能源制氫主要是利用電解水制氫。現(xiàn)階段電解水制氫技術(shù)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)是高成本。電解水制氫成本比煤、天然氣使用的蒸汽重整制氫和工業(yè)副產(chǎn)氣純化制氫成本高2~3倍。
電解制氫設(shè)備居高不下主要包括以下原因：
電解槽的關(guān)鍵部件(膜、雙極)需要大量的貴重金屬材料。例如，目前的PEM電解槽需要使用陰極為鉑、陽極側(cè)為銥或釕的材料。研究機(jī)構(gòu)正在探索如何在保持設(shè)備耐用性的同時減少所需的貴金屬數(shù)量。
電解槽設(shè)備的制造成本較高。因為電解槽制造要求精度高，自動化程度低，且缺乏相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
電解水制氫工程規(guī)模小，輔助系統(tǒng)成本高。一個完整的電解槽制氫系統(tǒng)除了電解槽設(shè)備外，還需要大量的周邊輔助設(shè)備系統(tǒng)(包括壓縮機(jī)、泵、緩沖罐、冷卻設(shè)施等)。目前，單個項目電解制氫裝機(jī)容量相對較小，因此對周邊元器件系統(tǒng)的需求成本比相對較高。
降低電解槽及外圍設(shè)備的成本、提高制氫系統(tǒng)的效率是綠氫降本的關(guān)鍵。根據(jù)BCG的測算，如果電解槽設(shè)備產(chǎn)量從每年的50件增加至1000件，通過降低材料成本并提高制造的自動化和標(biāo)準(zhǔn)化，就可將制造堿性水電解槽設(shè)備的成本降低30~40%，并將外圍設(shè)備成本減少20~30%，這樣整個系統(tǒng)的成本將降至280~350美元/kW。而對于PEM電解槽，則需要將設(shè)備成本下降40~50%，外圍設(shè)備成本下降20~30%，才能將整個系統(tǒng)的成本降至320~400美元/kw。除了降低成本以外，提高效率也是電解槽設(shè)備未來的投資方向。例如通過改進(jìn)材料可以將PEM電解槽的系統(tǒng)效率從60%提高到70%。
降低成本是電解水制氫的最大挑戰(zhàn)，同時也創(chuàng)造了巨大的投資空間。據(jù)BCG預(yù)測，到2050年，全球綠色氫產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)所需設(shè)備及零部件的總投資需求將達(dá)到2000億美元/年，其中電解氫及周邊輔助系統(tǒng)的設(shè)備及零部件的投資需求最高，可達(dá)到500 - 600億美元/年，占總投資需求的四分之一。
前景看好迎來眾多投資者入場
據(jù)統(tǒng)計，目前全球活躍的電解槽供應(yīng)商超過百家，其中2/3是在2020年才進(jìn)入該領(lǐng)域的。此外，目前近一半活躍的電解槽制造商專注于開發(fā)PEM設(shè)備。許多公司選擇PEM技術(shù)路線，這也表明PEM是業(yè)界公認(rèn)的最有前景的電解水制氫技術(shù)。
總之,由于氫能高度的市場細(xì)分,和商業(yè)模式,技術(shù)路線和政策支持等都有一定的不確定性,因此眾多已經(jīng)進(jìn)入或計劃進(jìn)入氫能市場的企業(yè)需要確保擁有核心專業(yè)技術(shù)，并基于技術(shù)、市場、區(qū)域等多種因素綜合考慮，制定合理的市場進(jìn)入策略。
