内容来源:
网 络
原文链接：
https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202303301584689562_1.pdf?1680193354000.pdf
氢能清洁低碳
，
发展绿氢是实现碳中和目标的重要方式
氢能是支持可再生能源发展的重要二次能源
：
氢是宇宙中最丰富的化学物质
，
约占所有正常物质的 75%
。
由于氢气必须从水
、
化石燃料等含氢物质中制得
，
而不像煤
、
石油和天然气等可以直接从地 下开采
，
因此是二次能源
。
氢能是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的 理想互联媒介
，
是实现交通运输
、
工业和建筑等领域大规模深度脱碳的最佳选择
。
氢能具有来源多样
、
清洁低碳
、
灵活高效和应用场景丰富等特点
：
1
）
来源多样
：
作为二次能源
，
氢能不仅可以通过煤炭
、
石油
、
天然气等化石能源重整
、
生物质热裂 解或微生物发酵等途径制取
，
还可以来自焦化
、
氯碱
、
钢铁
、
冶金等工业副产气
，
也可以利用电解 水制取
，
特别是与可再生能源发电结合
，
不仅实现全生命周期绿色清洁
，
更拓展了可再生能源的利 用方式
。
2
）
清洁低碳
：
不论氢燃烧还是通过燃料电池的电化学反应
，
产物只有水
，
没有传统能源利用所产生 的污染物及碳排放
。
此外
，
生成的水还可继续制氢
，
反复循环使用
，
真正实现低碳甚至零碳排放
，
有效缓解温室效应和环境污染
。
3
）
灵活高效
：
根据中国氢能联盟数据
，
氢热值较高( 140.4MJ/kg )
，
是同质量焦炭
、
汽油等化石燃料 热值的 3-4 倍
，
通过燃料电池可实现综合转化效率 90%以上
。
氢能可以成为连接不同能源形式(气
、
电
、
热等)的桥梁
，
并与电力系统互补协同
，
是跨能源网络协同优化的理想互联媒介
。
4
）
应用场景丰富
：
氢能可广泛应用于能源
、
交通运输
、
工业
、
建筑等领域
。
既可以直接为炼化
、
钢 铁
、
冶金等行业提供高效原料
、
还原剂和高品质的热源
，
有效减少碳排放
；
也可以通过燃料电池技 术应用于汽车
、
轨道交通
、
船舶等领域
，
降低长距离高负荷交通对石油和天然气的依赖
；
还可应用 于分布式发电
，
为家庭住宅
、
商业建筑等供电供暖
。
目前根据制取方式和碳排放量的不同将氢能按颜色主要分为灰氢
、
蓝氢和绿氢三种
：
1
）
灰氢
：
通过化石燃料
（
天然气
、
煤等
）
转化反应制取氢气
。
由于生产成本低
、
技术成熟
，
也是目 前最常见的制氢方式
。
由于会在制氢过程中释放一定二氧化碳
，
不能完全实现无碳绿色生产
，
故而 被称为灰氢
；
2
）
蓝氢
：
在灰氢的基础上应用碳捕捉
、
碳封存等技术将碳保留下来
，
而非排入大气
。
蓝氢作为过渡 性技术手段
，
可以加快绿氢社会的发展
；
3
）
绿氢
：
通过光电
、
风电等可再生能源电解水制氢
，
在制氢过程中将基本不会产生温室气体
，
因此 被称为
“
零碳氢气
”
。
绿氢是氢能利用最理想的形态
，
但目前受制于技术门槛和较高的成本
，
实现 大规模应用还有待时日
。
发展绿氢是实现碳中和目标的重要方式
：
2016 年
《
巴黎协定
》
正式签署
，
提出本世纪后半叶实现全 球净零排放, 同时提出控制全球温升较工业化前不超过 2℃
，
并努力将其控制在 1.5℃以下的目标
。
为了实现 2℃的温升目标
，
全球碳排放必须在 2070 年左右实现碳中和
；
如果实现 1.5℃的目标
，
全 球需要在 2050 年左右实现碳中和
。
至目前已有超过 130 个国家和地区提出了实现
“
零碳
”
或
“
碳中 和
”
的气候目标
，
其中包括欧盟
、
英国
、
日本
、
韩国在内的 17 个国家和地区已有针对性立法
。
零碳 愿景成为全球范围内绿氢发展的首要驱动力
。
根据 IEA 数据
，
通过可再生能源电解水制氢的碳排放 量基本为零
，
远低于灰氢和蓝氢的碳排放量
。
作为零碳气体
，
绿氢是实现碳中和路径的重要抓手
。
绿氢储能具备大规模
、
长周期等优势
，
可以有效解决
新能源
消纳问题
：
由于可再生能源发电出力置 信水平低
、
转动惯量不足
，
实现高比例可再生能源电力系统的安全稳定运行仍面临较大挑战
。
可再 生能源发电制氢储能具备大规模
、
长周期等优势
，
可实现可再生能源电力在不同时间
、
空间尺度上 转移
，
有效提升能源供给质量和可再生能源消纳利用水平
，
将成为应对可再生能源随机波动
、
拓展 电能利用场景的重要途径
。
随着可再生能源发电占比的提升
，
电力系统季节性调峰压力不断加大
，
接近零成本的弃风弃光电量将成为未来电解水制氢的重要电源
。
绿氢是连接可再生能源丰富地区与需求中心的重要桥梁
：
根据国际太阳能热利用区域分类
，
全世界 太阳能辐射强度和日照时间最佳的区域包括北非
、
中东地区
、
美国西南部和墨西哥
、
南欧
、
澳大利 亚
、
南非
、
南美洲东
、
西海岸和中国西部地区等
。
通过可再生能源电解的方式
，
绿氢能够将可再生 电力转化为更适合长距离运输的能源形式
，
降低了可再生能源的运输成本
，
低成本
、
有效地连接了 可再生能源丰富地区与需求中心
。
发展绿氢将带动上下游产业
，
提供经济增长强劲动力
：
从产业角度来看
，
氢能产业链条长
，
涉及能 源
、
化工
、
交通等多个行业
。
氢能产业的快速发展必将带动氢能产业链上下游零部件商
、
原材料商
、
设备商
、
制造商
、
服务商快速发展
。
根据中国氢能联盟数据
，
氢能产业链的建立能充分带动经济增 长和产业的发展
，
创造约 1.6 万亿的市场产值和超过 1 万亿的基础设施投资空间
（
根据固定成本投 资和运营费用加总计算
）
。
全球绿氢产量有望快速增长
：
根据 Statista 数据
，
主要国际能源组织预测到 2050 年全球的绿氢产量 将远远高于蓝氢
。
以 IEA 为例
，
2050 年全球绿氢产量将达 3.23 亿吨
，
较蓝氢产量高 58%
；
BNEF 预 测 2050 年全球氢能产量将达到 8 亿吨
，
且全为绿氢
。
根据 Statista 数据
，
主要国际能源组织针对 2050 年氢能在全球能源总需求中的占比进行了预测
，
数据显示主要能源组织预测到 2050 年氢能在总能源 中的占比将达 22%
，
其余几家机构的预测值在 12%-18%间不等
。
以国际可再生能源机构 12%的占比 预测为例
，
绿氢产量将提升到 2050 年的 6.14 亿吨
，
在氢能的几大行业重点应用领域
，
包括交通业
、
工业和建筑中清洁氢能的总消耗量也将在目前基础上得以大大提升
。
政策持续加码
，
明确产业规划与发展方向
：
2016 年
，
中国标准化研究院资源与环境分院和中国电器 工业协会燃料电池分会发布
《
中国氢能产业基础设施发展蓝皮书
（
2016 年
）
》
，
首次提出了我国氢 能产业发展路线图
。
自 2019 年氢能被首次列入政府工作报告
，
国家紧密出台了一系列政策支持氢能 产业发展
。
2020 年 6 月
，
《
2020 年能源工作指导意见
》
提出推动氢能技术进步与产业发展
。
2021 年 3 月
，
氢能被视为
“
十四五
”
规划中须前瞻规划的未来产业之一
；
11 月
，
《
“
十四五
”
工业绿色发 展规划
》
提出加快氢能技术创新和基础设施建设
，
鼓励氢能的多元化应用
。
2022 年
，
国家政策持续 加码
，
进一步明确氢能产业发展方向和战略布局
，
其中 3 月出台的
《
氢能产业发展中长期规划
（
2021-2035 年
）
》
强调指出
，
统筹推进氢能基础设施建设
，
稳步推进氢能在交通领域的示范应用
，
拓展在储能
、
分布式发电
、
工业等领域的应用
。
多个地方政府积极发布相关政策推动氢能发展
：
为响应国家号召
，
我国多个省份相继发布相关政策 规划推动氢能产业积极发展
。
北京
、
上海
、
广东作为第一批燃料电池汽车示范应用城市群
，
持续推 进氢能科技创新
、
产业链一体化协同发展
、
重点技术攻关等工作
。
河北
、
河南作为第二批示范应用 城市群
，
也在加强建设加氢站等基础设施
、
积极推广燃料电池汽车的普及应用
、
完善政策体系
。
此 外
，
四川
、
江苏
、
山东
、
福建等多个省份公布了加氢站
、
燃料电池汽车等具体规划目标
，
氢能产业 有望快速全面发展
。
欧盟计划到 2030 年实现内部可再生氢能年产能 1,000 万吨
：
欧盟在 REPower EU 方案中提出到 2030 年实现内部生产可再生氢能 1,000 万吨
，
进口可再生氢能 1,000 万吨
，
预计 2030 年欧盟可再生能源 占能源供应的比例达到 45%
，
实现可再生能源装机 12,3600 万千瓦
，
光伏装机增加到 60,000 万千瓦
。
此外
，
欧盟通过碳关税要求有漏碳风险的进口产品缴纳其在生产地和欧盟的碳价差额
，
由于制绿氢 不产生碳排放
，
从而极大程度鼓励了绿氢
、
电解槽的生产
。
美国计划到 2030 年实现绿氢年产能 1,000 万吨
：
美国通过 IRA 法案对光伏
、
储能进行税收抵免
，
抵 免比例上调至 30%
，
且规定满足最终转换成氢能等要求的储能技术才能申请补贴
。
美国计划到 2030 年实现绿氢年产能 1,000 万吨
，
并发布
《
氢能计划发展规划
》
明确 2020-2030 年的关键经济技术指标
，
具体包括电解槽成本降至 300 美元/千瓦
、
氢输配成本降至 2 美元/千克等
。
日本计划到 2030 年实现氢气年供应量 300 万吨
：
日本于 2021 年 10 月发布
《
第六次能源基本计划
》
，
提出到 2030 年实现氢气年供应量 300 万吨
，
制氢成本从目前的 100 日元/Nm3 降至 30 日元/Nm3
；
到 2050 年实现氢气年供应量 2000 万吨/年
，
制氢成本降至 20 日元/Nm3
。
氢能产业链
：
制储用氢产业技术趋于成熟
氢能产业链较长
，
分为制氢
、
储氢和用氢三个环节
：
根据产业链划分
，
氢能可以分为上游的氢气制 备
、
中游的氢气储运和下游的氢气应用等众多环节
，
产业链条较长
。
目前全球主要制氢方式包括化石燃料制氢
、
工业副产制氢和电解水制氢
，
化石燃料制氢为主流
：
根 据中国煤炭工业协会数据
，
2020 年我国氢气总产量达到 2,500 万吨
，
主要来源于化石能源制氢
（
煤 制氢
、
天然气制氢
）
；
其中
，
煤制氢占我国氢能产量的 62%
，
天然气制氢占比 19%
，
而电解水制氢 受制于技术和高成本
，
占比仅 1%
。
全球来看
，
化石能源也是最主要的制氢方式
，
根据 IEA 数据
，
天然气制氢占比 59%
，
煤制氢占比 19%
。
1
）
煤制氢
：
煤炭目前仍是我国的主要能源之一
，
也是我国制氢的主要原料
。
虽然煤焦化副产的焦 炉气也可用于制氢
，
但煤气化制氢目前在国内氢气生产中占据主导地位
。
煤气化制氢技术的工艺过 程一般包括煤气化
、
煤气净化
、
CO 变换以及氢气提纯等主要生产环节
。
煤制氢经过多年的发展
，
技 术成熟
，
被广泛应用于煤化工
、
石化
、
钢铁等领域
。
特别是化工和化肥行业一直在使用这项技术生 产氨
。
但煤制氢工艺的二氧化碳排放量约是天然气制氢的 4 倍
，
需结合碳捕集与封存(CCUS)技术才 能实现减排
，
增加了制氢成本
。
根据 IEA 数据
，
在煤制氢生产中加入 CCUS 预计将使资本支出和燃 料成本分别增加 5%和 130%
。
2
）
天然气制氢
：
天然气制氢是目前全球氢气的主要来源
，
在北美和中东等地区被广泛使用
。
与煤制 氢装置相比
，
用天然气制氢产量高
，
排放的温室气体少
，
是化石原料制氢路线中较为理想的制氢方 式
。
工业上由天然气制氢的技术主要有蒸汽转化法
、
部分氧化法以及天然气催化裂解制氢
。
然而
，
我国国内目前天然气约 40%依赖进口
，
国内主流的工业制氢方式仍然是煤制氢
。
3
）
工业副产制氢
：
工业副产制氢是指将富含氢气的工业尾气作为原料
，
主要采用变压吸附法
（
PSA 法
）
，
回收提纯制氢
。
目前主要尾气来源有氯碱工业副产气
、
焦炉煤气
、
轻烃裂解副产气
。
与其他 制氢方式相比
，
工业副产品制氢的最大优势在于几乎无需额外的资本投入和化石原料投入
，
所获氢 气在成本和减排方面有显著优势
。
由于其丰富的潜在供应量
，
被广泛认为是燃料电池发展现阶段可 行的供氢解决方案
。
4
）
电解水制氢
：
电解水制氢是在直流电下将水分子分解为氢气和氧气
，
分别在阴
、
阳极析出
，
所产生的氢气纯度高
。
该技术是目前最有发展潜力的绿色氢能生产方式
，
特别是利用可再生能 源进行电解水制氢是目前众多氢气来源方案中碳排放最低的工艺
，
与全球低碳减排的能源发展 趋势最为一致
。
氢能储运
：
高压气态储氢
、
低温液态储氢已进入商业应用阶段
氢能储运是大规模用氢的必要保障
：
在氢能产业发展过程中
，
氢的存储运输是连接氢气生产端与需 求端的关键桥梁
，
因此高效
、
低成本的氢气储运技术是实现大规模用氢的必要保障
。
目前主要储氢方式分为气态储氢
、
低温液态储氢
、
有机液态储氢和固态储氢等
：
几种主要的储氢方 式各具优缺点
：
1
）
气态储氢具有成本低
、
能耗低
、
操作环境简单等特点
，
是目前发展相对成熟
、
应用较广泛的储氢 技术
，
但该方式仍然在储氢密度和安全性能方面存在瓶颈
；
2
）
低温液态储氢是先将氢气液化
，
然后储存在低温绝热容器中
。
低温液态储氢密度大
，
成本很高
；
3
）
有机液态储氢由于其存储介质与汽油
、
柴油相近
，
可利用已有基础设施从而降低应用成本
。
有机 液态储氢尚处于示范阶段
；
4
）
利用固体对氢气的物理吸附或化学反应等作用
，
将氢储存于固体材料中
，
主要包括苯
、
合金储氢
、
纳米储氢
。
国外固态储氢已在燃料电池潜艇中商业应用
，
在分布式发电和风电制氢中得到示范应用
；
国内固态储氢已在分布式发电中得到示范应用
。
高压气态储氢
、
低温液态储氢已进入商业应用阶段
：
目前
，
高压气态储氢
、
低温液态储氢已进入商 业应用阶段
，
而有机液态储氢
、
固体材料储氢尚处于技术研发阶段
。
根据车百智库信息
，
2021 年
，
全球氢能储运呈现出以高压气态为主
，
液氢
、
有机储氢等多种方式共同探索的发展格局
。
高压气态 由于初始投入较低
、
对基础设施配套要求较低
，
未来一段时间内仍将是小规模短距离氢储运主要方 式
。
液态储运可以实现大规模远距离的氢储运
，
如低温液态储氢
、
液氨储氢及有机液态储氢等,但仍 存成本高
、
技术难度高等问题
，
产业化应用尚需时日
。
氢气运输分为气态输送
、
液态输送和固态输送
，
气态和液态为目前的主流方式
：
通常的输氢形式包 含长管拖车
、
槽罐车
、
管道
（
纯氢管道
、
天然气管道混输
）
，
不同的储运方式具有不同特点及适应 场景
，
如长管拖车适用于城市内配送
、
管道适用于国际跨城市与城市内配送
。
由于目前中国氢能产 业处于发展初期
，
氢能市场规模较小
，
且氢能示范应用主要围绕工业副产氢和可再生能源制氢地附 近
，
因此多采用长管拖车运输
，
这是当前较为成熟的运输方式
。
加氢站
：
中国加氢站数量居全球首位
，
技术趋于成熟但建设成本较高
加氢站是氢能发展的重要基础设施
，
根据不同标准有多种分类
：
加氢站是为燃料电池汽车充装氢气 燃料的专门场所
，
作为服务氢能交通商业化应用的中枢环节
，
是氢能源产业发展的重要基础设施
。
目前
，
根据不同标准
，
加氢站有多种分类
：
1
）
根据氢气来源不同
，
加氢站分为外供氢加氢站和站内制氢加氢站两种
。
外供氢加氢站通过长管拖 车
、
液氢槽车或者管道输运氢气至加氢站后
，
在站内进行压缩
、
存储
、
加注等操作
。
站内制氢加氢 站是在加氢站内配备了制氢系统
，
制得的氢气经纯化
、
压缩后进行存储
、
加注
。
站内制氢包括电解 水制氢
、
天然气重整制氢等方式
，
可以省去较高的氢气运输费用
，
但是增加了加氢站系统复杂程度 和运营水平
。
因氢气按照危化品管理
，
制氢站只能放在化工园区
，
尚未有站内制氢加氢站
。
2
）
根据加氢站内氢气储存相态不同
，
加氢站可分为气氢加氢站和液氢加氢站两种
。
全球液氢储运加 氢站主要分布在美国和日本
。
相比气氢储运加氢站
，
液氢储运加氢站占地面积小
，
同时液氢储存量 更大
，
适宜大规模加氢需求
。
3
）
根据供氢压力等级不同
，
加氢站可分为 35MPa 和 70MPa 压力供氢两种
。
用 35MPa 压力供氢时
，
氢气压缩机的工作压力为 45MPa
，
高压储氢瓶工作压力为 45MPa
，
一般供乘用车使用
；
用 70MPa 压力供氢时
，
氢气压缩机的工作压力为 98MPa
，
高压储氢瓶工作压力为 87.5MPa
。
压缩机
、
储氢瓶
、
加氢机是加氢站三大核心设备
：
1
）
氢气压缩机
：
氢气压缩机是将拖车管束内氢气卸装
，
加压至储氢目标压强的关键设备
。
依据工作 原理差异
，
主流氢气压缩机可分为往复隔膜式压缩机
、
活塞式压缩机
。
由于燃料电池汽车对氢气纯 度要求较高
（
≥99.99%
）
，
隔膜式压缩机能够较好保证气体纯净度
，
是目前的主流选择
。
2
）
储氢罐
：
加氢站是利用站内储氢容器和车载氢瓶间的压差实现氢气加注
，
要求站内储氢压力高于 车载供氢系统
。
为降低卸气过程压缩机能耗
，
提升氢气加注过程可控性
，
加氢站储氢罐或储氢瓶组 通常按照 2-3 级压力分级设置
，
如 35MPa 加氢站可选择配置 45+22MPa 储氢罐组合
，
70MPa 加氢站 则可配置 90+65+40MPa 组合
。
3
）
加氢机
：
加氢机由控制系统
、
计量系统
、
加氢枪三大核心环节构成
，
并完成氢气加注的最终环节
。
中国加氢站数量快速增长
：
随着中石化等能源央企加大加氢基础设施的投资和建设力度
，
中国加氢 站数量呈现快速增长趋势
。
根据中国氢能联盟统计
，
截至 2022 年底
，
全球主要国家在营加氢站数量 达到 727 座
，
我国累计建成加氢站 358 座
，
其中在营 245 座
，
加氢站数量全球第一
。
国内加氢站主 要分布在北京
、
山东
、
湖北
、
上海等燃料电池汽车产业发展较快的地区
。
“
十四五
”
期间,随着全 国
“
3+2
”
燃料电池汽车示范格局的正式形成
，
氢燃料电池汽车推广数量将快速增加
，
加氢站建设也 将提速
。
根据车百智库的预测
，
到 2025 年中国将建成 1000 座加氢站
。
中国加氢站建设参与主体呈现多样化趋势
：
氢能产业各环节的企业都有参与加氢站建设的案例
，
如 上游的能源
、
化工和气体公司以及专业的加氢站建设运营商和设备供应商
，
中游的燃料电池电堆和 系统企业
，
下游的整车企业和车辆运营企业
。
加氢站技术趋于成熟
，
建设成本依然较高
：
现阶段
，
加氢站技术趋于成熟
，
关键设备基本实现国产 化
。
但是
，
当前加氢站的建设成本较高
，
根据车百智库数据
，
加注量 1000 kg/d 的 35MPa 加氢站建 设成本高达 1500 万元
，
是加油站的数倍
，
其中氢气压缩机
、
储氢装置
、
加注机
、
站控系统等占加氢 站总投资约 60%
。
补贴政策
、
技术进步与规模效应带来的加氢站成本下降是提升加氢站数量的主要驱动因素
：
目前示 范城市大多按照加氢站设备投资额或整体投资额的一定比例给予补贴
，
并按照加氢能力设置补贴上 限
，
最高补贴额 200-600 万元/站不等
，
同时给予加氢站销售补贴和税收优惠等扶持政策
。
传统石化 企业普遍通过打造油气电氢合建站来拓展加氢基础设施网络
。
展望未来
，
加氢站建设运营成本仍有 一定下降空间
。
根据车百智库的预测
，
到 2025 年
，
加氢站投资有望下降 30%左右
，
加氢站利用率的 提升也将摊薄设备投资及运营成本
。
工业
、
交通
、
储能行业推动绿氢需求快速增长
氢能可以在工业
、
交通
、
建筑和电力等多个领域作为替代能源进行使用
：
作为二次能源
，
氢能在重 工业
、
交通
、
建筑
、
电力行业中均有不同的应用场景
，
其中最主要的用途包括燃料用氢
、
原料用氢
，
以及储能用氢三类
。
目前氢能主要应用在工业和交通领域
：
目前氢能的成本较高
，
使用范围较窄
，
氢能应用处于起步阶 段
。
氢能源主要应用在工业领域和交通领域中
，
在建筑
、
发电和发热等领域仍然处于探索阶段
。
根 据 IEA 数据
，
2021 年全球氢气需求量超 9400 万吨
，
同比增长 5%
，
其中增量中约 67%是来自化工领 域
。
2021 年全球氢气需求来源中
，
炼油
、
合成氨
、
甲醇
、
钢材的氢气需求比例分别为 42.6%
、
36.2%
、
16.0%和 5.3%
。
根据中国氢能联盟预测
，
到 2060 年工业领域和交通领域氢气使用量分别占比 60%和 31%
，
电力领域和建筑领域占比分别为 5%和 4%
。
碳中和目标下
，
氢能大规模推广应用刻不容缓
：
根据中国氢能联盟数据
，
在 2020-2060 年间通过应 用氢能有望实现超过 200 亿吨的累计减排量
，
其中交通行业累计减排量最大
，
约为 156 亿吨
，
钢铁 行业累计减排量约为 47 亿吨
，
化工行业累计减排量约为 38 亿吨
，
而可再生氢将在交通
、
钢铁
、
化 工等领域成为主要的零碳原料
。
工业领域
：
钢铁与化工行业有望成为绿氢发展的重要场景
炼化领域是氢气重要的使用场景
，
到 2030 年炼化用氢需求将达到 4570 万吨
：
在炼化领域
，
氢气主 要用于加氢硫化以去除原油中的硫含量
，
以及加氢裂化将重渣油升级为更高价值的产品
。
全球对空 气质量的持续关注的背景下
，
最终精炼产品中的硫含量持续降低
，
加氢裂化越发重要
。
根据
高盛
数 据
，
目前炼化领域大约一半的氢气需求是通过炼油厂其他工艺或炼油厂集成的其他石化工艺产生的 副产品氢来满足的
，
而其余需求则通过专门的现场制氢或从外部采购的商业氢来满足
。
根据我们的 测算
，
到 2030 年
，
炼化用氢的需求量有望达到 4570 万吨
。
“
双碳
”
目标下
，
钢铁行业面临巨大的碳减排压力
：
钢铁冶炼二氧化碳排放量较大
，
根据 KPMG
《
一 文读懂氢能产业
》
，
2020 年国内钢铁行业碳排放总量约 18 亿吨
，
占全国碳排放总量的 15%左右
。
实现
“
双碳
”
目标下
，
钢铁行业面临巨大的碳减排压力
。
根据各大型钢铁企业公布的碳达峰碳中和 路线图
，
结合中国钢铁行业协会减碳目标
，
假设到 2030 年
，
我国钢铁行业减碳 30%
，
则在此期间钢 铁行业需累计减排 5.4 亿吨
。
氢冶金是钢铁行业实现碳中和目标的革命性技术
：
传统的高炉炼铁是以煤炭为基础的冶炼方式
，
根 据车百智库数据
，
长流程高炉炼铁碳排放量约占整个钢铁生产碳排放的 70%
。
鉴于钢铁行业碳中和 目标的紧迫性
，
钢铁行业必须采用突破性的低碳炼铁技术减少碳排放或通过 CCUS 技术实现脱碳
。
氢冶金通过使用氢气代替碳在冶金过程中的还原作用
，
实现源头降碳
。
氢冶金减碳技术路线主要分 为两种
：
富氢还原高炉和氢气气基竖炉直接还原炼铁
，
根据中国氢能联盟数据
，
富氢还原高炉技术 碳减排潜力可达 20%左右
，
氢气竖炉气基竖炉直接还原炼铁碳减排潜力达到 95%
。
氢气作为氢冶金的基本原料
，
国内需求有望保持快速增长
：
根据百人氢能中心预测数据
，
预计到 2030 年国内氢冶金产量可达 0.21-0.29 亿吨
，
约占全国钢铁总产量的 2.3%-3.1%
。
氢冶金的氢气需求约为 191-259 万吨
，
其中约 92%来自焦炉煤气
，
剩余约 8%来自电解水制氢
。
到 2050 年
，
氢冶金钢产量 为 0.96-1.12 亿吨
，
氢冶金的氢气需求约为 852-980 万吨
，
其中焦炉煤气提供 166 万吨氢
，
剩余 814 万吨来自于绿氢
。
绿氢成本是决定氢冶金竞争力的关键因素
：
“
十四五
”
期间
，
钢铁行业有望纳入碳排放权交易
。
随 着碳价的提高
，
氢冶金对绿氢的价格接受度也将提升
。
根据百人会氢能中心预测
，
到 2030 年碳价将 达到 200-250 元/吨 CO2
，
若届时绿电价格达到 0.15 元/kWh
，
电解水制氢电耗达到 4.5kWh/kg
，
则绿 氢成本将降至 10.5-11.2 元/kg
，
氢冶金经济性将得以显现
。
尤其在可再生能源富集地区
，
绿氢成本 具有较大下降空间
，
适宜开展绿氢氢冶金示范应用
。
化工行业是目前氢气消费的重要领域之一
：
氢气是合成氨
、
合成甲醇
、
石油精炼和煤化工行业中的 重要原料
，
还有小部分副产气作为回炉助燃的工业燃料使用
。
目前
，
中国的化工行业仍然属于以化 石燃料为主要能源基础和原料的高耗能高碳排放行业
。
石油炼化作为石油化工行业的主要生产环节
，
对氢气的需求量大
，
大型炼化厂几乎均有场内制氢设备
，
采取天然气重整或煤气化作为主要氢气供 给方式
。
合成氨
、
甲醇的生产在中国以煤化工为主要路径
，
工厂大多采用煤气化制氢的传统方式获 取氢气
。
根据中国氢能联盟数据
，
2020 年化工行业用氢中
，
合成氨
、
甲醇
、
冶炼与化工所需氢气分 别占比 32%
、
27%和 25%
。
目前
，
工业用氢主要依赖化石能源制取
，
未来通过低碳清洁氢替代应用 潜力较大
。
甲醇是第二大工业氢应用领域
，
到 2030 年全球甲醇用氢需求有望达到 1756 万吨
：
甲醛是甲醇体积 最大的衍生物
，
用于生产建筑
、
汽车和消费品行业使用的树脂
。
在国内
，
甲醇是用煤炭生产高价值 化学品(制造塑料的关键化学前体)的中间原料
，
是传统以石油为基础路线的替代品
。
根据 IEA 数据
，
每吨甲醇大约需要 130 公斤氢气作为原料
，
2021 年全球生产的 1.13 亿吨甲醇对氢气的需求约 1500 万吨
。
生产 1 吨甲醇平均会产生 2.2 吨二氧化碳
，
而以煤为原料的生产在国内占主导地位
，
约占全 球总量的一半
。
与合成氨类似
，
绿氢是甲醇脱碳的重要手段
，
到 2030 年全球甲醇用氢需求有望达到 1756 万吨
，
绿氢替代空间广阔
。
到 2030 年中国化工行业绿氢年消费量将达到 376 万吨
：
未来
，
可再生氢能在化工行业的应用将主要包 括既有传统工艺流程的可再生氢替代和新型化工生产的可再生氢利用两种模式
。
由于现代化工项目工艺 复杂
、
投资大且周期长
，
可再生氢作为原料在化工生产中大规模利用需要进行较多产线的升级改造
，
短 期内成本较高且风险较大
，
因此未来十年可再生氢将主要在既有传统工艺流程中发挥对传统化石能源制 氢的替代作用
，
并在条件相对成熟的少部分可再生氢新型化工项目中逐步开展试点应用
。
新型化工路径 采取的工艺技术不同于现有传统生产路径
，
已有项目进行改造的难度大
，
因而仅适用于新建项目
。
根据 中国氢能联盟测算
，
2030 年中国化工行业总可再生氢消费量将达到 376 万吨
。
1
）
合成氨领域
：
到 2030 年
，
相关产能集中度增强
、
装置替换升级
，
并进一步向可再生资源富集地 区转移
，
根据中国氢能联盟测算
，
中国合成氨领域可再生氢需求预计达到 138 万吨/年
。
2
）
甲醇领域
：
到 2030 年
，
产业整体保持增长并逐渐饱和
，
根据中国氢能联盟预测
，
中国甲醇领域 可再生氢需求量预计达到 165 万吨/年
，
全国甲醇产业平均可再生氢应用率有望达到 20%
。
目前国内 甲醇产业整体供过于求且各区域差异大
，
原料结构对煤炭的依赖度高
，
易受国外低成本甲醇的冲击
。
未来预计甲醇下游消费增长将以 MTO/MTP
（
甲醇制烯烃
）
、
甲醇燃料等新兴下游带动
，
政策引导 下优胜劣汰产能整合升级以提高竞争力
。
考虑煤制甲醇新项目难以获批
，
可再生氢制绿色甲醇将成 为未来增加甲醇产能的突破口
。
3
）
炼化领域
：
到 2030 年
，
炼厂总产量预计与目前持平
，
可再生氢需求预计达到 73 万吨/年
。
受到 上游原料供应来源
、
工业基础以及下游消费市场等因素影响
，
目前炼厂的区域布局以东部沿海地区 为主
。
至 2030 年
，
随着
“
双碳
”
和相关行业政策的推进
，
交通领域加速
新能源
替代
，
石化产品市场 总需求增长不显著
，
未来大型炼化一体化装置的投产将增长部分产能
，
同时部分规模较小的独立炼 厂将面临淘汰或兼并重组
，
炼厂总产量预计与目前水平持平
。
交通领域
：
燃料电池需求快速增长
，
有望带动绿氢需求增长提速
氢燃料电池汽车适用于中长途
、
高载重
、
固定路线货运场景
：
中长途指行驶里程在 400-800 公里左 右
，
燃料电池相比纯电动技术的续航优势更加明显
；
高载重指燃料电池及储氢系统重量能量密度远 高于电动汽车动力电池
，
大幅提升了重型货车载货能力
；
固定路线指车辆运营路线相对固定
，
便于 布局加氢站等配套基础设施
。
氢燃料电池产销量快速增长
：
根据中汽协数据
，
2022 年国内氢燃料电池汽车产销量分别为 3626 辆 和 3367 辆
，
同比分别增长 104.1%和 112.3%
。
根据香橙会氢能数据库统计
，
截至 2022 年底
，
全球燃 料电池汽车保有量 67488 辆
。
2022 年全球主要国家销售燃料电池汽车 17920 辆
，
同比增长 9.9%
。
现 阶段氢燃料电池汽车处于起步阶段
，
以氢燃料电池
商用汽车
为主
。
随着 5 大示范城市群相继落地
，
“
十四五
”
期间我国燃料电池车及加氢站有望迎来大面积推广
。
根据中国汽车工程学会组织编制的
《
节能与新能源汽车技术路线图 2.0
》
，
2025 年中国氢燃料电池汽车保有量将达到 10 万辆左右
，
加 氢站 1000 座
，
2030 年燃料电池汽车将达到 100 万辆左右
，
加氢站 5000 座
。
预期 2021-2025 年中国 氢燃料电池汽车年复合增长率有望达到 68%
，
预期市场规模有望达到 800 亿元
。
储能领域
：
氢储能有望成为绿氢需求的重要组成部分
光伏风电装机快速增长
，
弃风弃光问题逐渐凸显
：
截至 2022 年
，
全国风电装机达 3.65 亿千瓦
、
光 伏发电 3.93 亿千瓦
，
光伏风电累计装机接近 8 亿千瓦
，
已占全国发电总装机的 29.5%
。
截止 2022 年
，
光伏风电发电量达到 1.19 万亿千瓦时
，
可再生能源发电量达到 2.7 万亿千瓦时
，
占全社会用电 量的 31.6%
。
2022 年 2 月
，
国家发展改革委
、
国家能源局等 9 部门联合印发
《
“
十四五
”
可再生能 源发展规划
》
提出
，
2025 年可再生能源年发电量达到 3.3 万亿千瓦时左右
，
“
十四五
”
期间可再生 能源发电量增量在全社会用电量增量中的占比超过 50%
，
风电和太阳能发电量实现翻番
，
意味着以 风电光伏为代表的可再生能源发电的比重还将继续增大
。
但是
，
光伏风电发电具有随机性和间歇性
，
影响并网的稳定性和连续性
，
同时装机迅速上量也带来了消纳问题
，
加大了系统调峰难度
，
造成弃 风
、
弃光等问题
，
产生资源浪费
。
以氢作为储能载体
，
具备长周期
、
季节性优势
，
有助于解决可再生能源消纳问题
：
氢储能技术是利 用光伏
、
风电等间歇性
新能源
发电所产生的富余电能或弃电
，
通过电解槽制氢
，
并经由压缩机储存 在储氢罐中
，
在其他需要用电时段由燃料电池发电或通过管道
、
长管拖车等手段供应用电终端
。
相 对于传统的储能方式
，
氢储能的存储规模更大
，
可达百万千瓦级
，
存储时间更长
，
可根据太阳能
、
风能
、
水资源等产出差异实现季节性存储
。
氢储能可以满足长周期
、
大容量储能要求
，
实现季节性 失衡下所需的电力容量或时间跨度
。
此外
，
氢储能可以采用长管拖车
、
管道输氢
、
液氨等储运方式
，
更具灵活性
。
氢能可以更经济地实现电能或热能的长周期
、
大规模存储
，
成为解决弃风
、
弃光
、
弃 水问题的重要途径
，
保障未来高比例可再生能源体系的安全稳定运行
。
氢储能仍处于起步阶段
，
面临诸多挑战
。
氢储能目前仍处于起步阶段
，
根据车百智库和 KPMG 数据
，
2021 年国内氢储能装机量约为 1.5MW
，
氢储能渗透率不足 0.1%
。
目前氢储能仍面临诸多挑战
：
一 方面
，
氢储能系统效率相对较低
。
根据车百智库
、
高盛和 KPMG 数据
，
氢储能的
“
电-氢-电
”
过程存 在两次能量转换
，
整体效率 40%左右
，
低于抽水储能
、
锂电池储能等 70%左右的能量转化效率
。
另 一方面
，
氢储能系统成本相对较高
。
当前抽水蓄能和压缩空气储能成本约为 7,000 元/千瓦
，
电化学 储能成本约为 2,000 元/千瓦
，
而氢储能系统成本约为 13,000 元/千瓦
，
远高于其他储能方式
。
氢储能 工艺流程较长
，
目前各环节的产业化程度还比较低
，
实现规模化发展仍需一定时间
。
纯氢气
、
氢气与天然气的混合可以为燃气轮机提供动力
，
从而实现发电行业的脱碳
：
氢能发电有两 种方式
。
一种是将氢能用于燃气轮机
，
经过吸气
、
压缩
、
燃烧
、
排气过程
，
带动电机产生电流输出
，
即
“
氢能发电机
”
。
氢能发电机可以被整合到电网电力输送线路中
，
与制氢装置协同作用
，
在用电 低谷时电解水制备氢气
，
用电高峰时再通过氢能发电
，
以此实现电能的合理化应用
，
减少资源浪费
。
另一种是利用电解水的逆反应
，
氢气与氧气
（
或空气
）
发生电化学反应生成水并释放出电能
，
即
“
燃 料电池技术
”
。
燃料电池可应用于固定或移动式电站
、
备用峰值电站
、
备用电源
、
热电联供系统等 发电设备
。
这两种氢能发电均存在成本较高的问题
。
根据 KPMG 数据
，
目前燃料电池发电成本大约 2.50-3.00 元/度
，
而其他发电成本基本低于 1 元/度
。
燃料电池发电成本较高
，
主要原因为于质子交换 膜
、
电解槽等核心设备主要依赖进口叠加原材料铂的价格昂贵
。
核心设备电解槽需求有望快速增长
电解槽是电解制氢的核心设备
，
关键零部件对制氢效率起到重要作用
电解水制氢有多种技术路线
：
根据电解质系统的差别
，
电解水制氢的技术路线可以分为包括碱性电 解水制氢
（
ALK
）
、
质子交换膜电解水制氢
（
PEM
）
、
固态氧化物电解水制氢
（
SOEC
）
、
阴离子交 换膜电解水制氢
（
AEM
）
。
各种技术路线的原理类似
，
都是在氧化还原反应过程中
，
阻止电子的自 由交换
，
而将电荷转移过程分解为外电路的电子传递和内电路的离子传递
，
从而实现氢气的制备和 利用
。
电解槽是电解水制氢的核心设备
：
电解水制氢装备包括电解槽及辅助系统
（
电源
、
控制器
、
换热器
、
气液分离器等
）
，
电解槽为主体核心设备
，
承担电解职能
，
决定效率
、
能耗
、
纯度等关键性指标
。
根据 IRENA
，
碱性电解槽和 PEM 电解槽在电解水系统中成本占比均约 45%
。
电解槽材料及零部件 包括电解质
、
隔膜
、
电极/催化剂
、
多空传输层
、
双极板等
，
影响效率的关键零部件主要是隔膜
、
电 极/催化剂
、
双极板
。
隔膜是影响电解槽的安全性
、
纯度
、
效率的重要材料
：
隔膜是分隔产成品氧气
、
氢气的材料
。
PEM
、
SOEC
、
AEM 电解槽均使用固态电解质
，
隔膜材料即为电解质材料
。
1
）
安全性
：
氧气
、
氢气在隔膜 的分离之下进入气体分离器
，
因此隔膜的气密性对电解槽的安全性至关重要
。
2
）
产成品纯度
：
若隔 膜气密性不佳
，
无法良性分隔氢气
、
氧气
，
可能会造成电解水制成的氢气被氧气污染
，
导致氢气纯 度降低
，
也可能导致氢气
、
氧气被外部空气污染
。
3
）
效率
：
隔膜电阻会影响电解槽电耗
，
隔膜的离 子电导率会影响电解槽内阻
，
疏水性影响氢气
、
氧气的传输
。
通常情况下
，
低内阻
、
低疏水性隔膜 较优
。
PPS
、
PSU 等材料正在代替石棉成为碱性电解槽隔膜的主流材料
：
石棉曾被广泛用作隔膜材料
，
但 石棉的高温耐碱腐蚀性差
，
隔气能力较差
，
存在爆炸风险
，
逐渐被其他材料替代
。
碱性电解槽使用 的隔膜需要具备低电阻
、
高隔气性
、
高机械强度和高化学稳定性等特性
，
目前主流方案包括聚苯硫 醚
（
PPS
）
、
聚砜
（
PSU/PSF
）
。
隔膜在电解槽中属于消耗品
，
使用厚膜可延长隔膜寿命
，
但厚膜 会增加气体运输阻力并降低生产效率
，
选择膜材料时需考虑寿命
、
效率
、
衰减等性质
。
电极性能影响电解水效率
：
电极/催化剂为电解反应的发生场所
，
根据郭育菁
《
一种碱水制氢电解槽 结构设计及性能优化
》
水的理论分解电压为 1.23V
，
但实际电解过程中的最小分解电压一般约为 1.7V
，
其原理在于电解过程中需要克服电解池中的电阻及过电位
。
电极/催化剂在电解池反应中主要作用是 降低反应过电势
，
减少能耗
。
阴阳电极上自由电子的转移过程可分为
：
阳极的失电子和阴极的得电 子两大类
。
氢气的析出发生在阴极
，
氢离子得到电子发生氧化反应后析出
。
氧气的析出发生在阳极
，
水或者氢氧根离子失去电子发生还原反应
。
在整个电解水反应中
，
析氢过电位往往较小
，
并且远低 于析氧过电位
，
为降低电解过程的能耗
，
常采用适宜的催化剂提高析氧催化
，
降低析氧过电位
。
膜电极是 PEM 电解槽最重要的部分
，
直接影响电解池制氢效率
：
PEM 膜电极的核心为质子交换膜
（
隔膜
）
，
阳极催化剂和阴极催化剂通过化学镀或者热压的方法附着在隔膜两侧
。
PEM 膜电极可同 时被用作电极和隔膜
。
从膜电极自身来看
，
制备完成的膜电极组装进电解池
，
电解时长会引起催化 剂活性的改变
，
进而影响膜电极性能
。
从电解池装置来看
，
电解液种类
、
酸碱性和电解液温度对膜 性能也存在影响
。
双极板在 PEM 电解槽成本中占比超过 50%
，
承担多种功能
：
双极板是为 PEM 电解槽提供结构支撑 的材料
，
双极板还需要为反应物的供应和生成物的排出提供路径
，
通过流道设计在电荷
、
热量
、
产 成品氢气氧气的运输中起着关键作用
。
PEM 双极板通常使用钛
、
石墨或涂层不锈钢形式
，
根据 IRENA
，
双极板成本约占电堆总成本的 53%
。
目前大多数的研究主要集中在表面抗腐蚀
、
成本降低以及流道 结构对性能的影响
。
PEM 双极板和燃料电池双极板在结构
、
材料方面有差异
：
1
）
结构方面
，
PEM 电解槽双极板不需要 加入冷却液对设备进行冷却
，
使用一板两场的结构就可以满足运行需求
，
相比于燃料电池双极板两 板三场的结构更为简单
。
2
）
材料方面
，
PEM 电解槽中阳极的电位过高
，
燃料电池常用的石墨板或 者不锈钢制金属板容易被腐蚀降解
。
使用钛材料可以很好的避免金属腐蚀导致的离子浸出
，
预防催 化剂的活化电位受到干扰
。
但由于钛受到腐蚀后
，
容易在表面形成钝化层
，
增大电阻
，
通常会在板 上涂抹含铂的涂层来保护钛板
。
在碱性电解槽中增加极板与电极的接触有利于提升电解水效率
：
通过提升双极板表面粗糙度
，
可提 升双极板与 KOH 溶液的接触面积
，
最终导致电解面积增大
、
电流密度降低
。
传统碱性电解槽一般采 用低成本的金属双极板
，
包括多孔金属框架结构或表面涂覆催化剂层
。
在碱性电解槽中双极板的多孔结构有利于提升电解水效率
：
碱性电解槽的极板通常与电极相分离
，
极板的设计也会影响碱水制氢电解槽的电极电阻
。
若多孔结构越多
，
生成氢气形成大气泡的概率降 低
，
而大气泡会造成电解液内的电阻变大
，
因此极板多孔具备降低电阻的作用
。
目前传统冲压乳突 式极板 /单摆镍网正在朝平面极板 /焊接镍网的复合式极板进行迭代
。
PEM 电解槽优点包括反应效率高
、
不需要稳定电源
、
维护成本低
：
1
）
反应效率高
：
由于 PEM 隔膜 分离作用更好且无溶液电压降
，
所以可以承受更大的电流密度
，
进而具备更高的能量利用率
；
2
）
不 需要稳定电源
：
根据车百智库
，
PEM 电解槽额定功率调节范围可达 0%-160%
，
且启停时间快
，
所以 易于实现与可再生能源的结合
；
3
）
与碱式电解槽相比
，
PEM 电解槽电解质为去离子水
，
不具备腐 蚀性所以维护成本更低
。
PEM 电解槽缺点主要有设备成本高
、
单台设备制氢规模较小
：
1
）
设备成本高
：
PEM 电解槽的设备 成本主要体现在贵金属使用上
，
Nafion 膜在水中呈现强酸性
，
只有少数贵金属催化剂才能表现出较 好的活性
、
稳定性
。
目前常用的电极材料为铱
（
阳极
）
、
铂
（
阴极
）
，
根据 IRENA
，
制造 1GW 质 子交换膜电解槽需要 300 公斤铂金及 700 公斤铱
，
目前全球铱年产量仅 7000 吨
。
此外 PEM 电解槽 设备所需要的 Nafion 膜成本相较于 ZrO2
、
无纺布等材料也更高
。
综合来看
，
PEM 电解槽设备价格 为碱性电解槽的 2-5 倍
。
2
）
单台设备制氢规模较小
：
根据车百智库
，
碱性电解槽制氢规模通常位于 0.5-1000 标方
，
但 PEM 电解槽制氢规模通常位于 500 标方以内
，
相较于碱性电解槽
，
PEM 电解槽 单台设备制氢规模较小
。
固态氧化物电解水制氢
（
SOEC
）
是新兴技术
，
目前仍未产业化
SOEC 电解槽的结构简单
：
SOEC 电解槽使用固态电解质
，
一般中间是致密的电解质层
，
两边为多 孔的氢电极和氧电极
。
电解质的主要作用是隔开氧气和燃料气体 ,并且传导氧离子或质子
。
因此一 般要求电解质致密且具有高的离子电导率和可忽略的电子电导
。
电极一般为多孔结构 ,以利于气体 的扩散和传输
。
SOEC 电解槽优点
：
能耗更低
、
电解槽成本较低
、
具备与燃料电池逆运行的可能性
：
1
）
能耗更低
：
根据艾邦氢能技术网
，
因为 SOEC 电解槽在高温下运作
，
所以粒子反应速度比碱性电解槽
、
PEM 更 快
，
使得 SOEC 具备更低的工作电压
（
1.2-1.4V
）
及更低的能耗
。
此外
，
部分用于电解水的能量可以 通过热能获得
，
所以基于电力计量的表观效率可以高于 100%
。
2
）
成本较低
：
由于 SOEC 具备较优 的动力学条件
，
因此可以使用相对便宜的镍电极
。
目前由于 SOEC 电解槽仍未产业化
，
具体销售价 格未知
。
3
）
具备与燃料电池逆运行的可能性
：
由于 SOEC 的反应过程为 SOEF 的逆运行
，
其具备可 逆性潜力
，
即同时作为燃料电池和电解槽工作
。
SOEC 电解槽缺点
：
系统复杂
、
需要稳定电源
：
1
）
系统复杂
：
因为 SOEC 电解槽以高温为基础
，
所 以需要多个组件以维持系统运行的温度及压力
，
其系统需要额外的热交换器
、
电加热器等设备维持 系统热平衡
，
对于热集成能力要求较高
。
此外
，
由于系统运行温度高
，
所以安全性要求更高
。
2
）
需 要稳定电源
：
热化学循环会加快系统劣化和缩短使用寿命
，
若频繁在停机/启动之间切换
，
寿命下降 更明显
，
因此 SOEC 系统通常需要稳定电源供能
。
AEM 电解槽结构与 PEM 电解槽类似
，
核心组件为膜电极组件
（
MEA
）
：
膜电极组件主要包括阴 离子交换膜
、
离聚物
、
阳极和阴极催化剂层
。
AEM 的阴离子交换膜是 AEM 电解槽装置中的基本核 心组成部分
，
其作用是将 OH-从阴极传导到阳极
，
同时阻隔气体和电子在电极间直接传递
。
结构上
，
阴离子交换膜通常由带有固定阳离子基团的聚合物主链组成
，
阳离子基团具备阴离子选择性
。
其中
，
大多数阴离子交换基团由三烷基季铵盐组成
，
通过苯基亚甲基连接到聚合骨架上
，
如聚苯乙烯
、
聚 孤
、
聚醚孤或聚氧化亚苯等
。
高效的阴离子交换膜应该具备较高的机械
、
热和化学稳定性
、
离子导 电性
，
以及电子和气体的势垒作用
。
碱性电解槽短期内适用于大规模示范项目
，
PEM 电解槽具备发展潜力
碱性电解槽短期内具备成本优势
、
规模优势
，
是短期内适合在西北示范项目落地的技术路线
：
1
）
成本优势
：
根据车百智库
，
由于碱性电解槽初始投资额较低
，
假设碱性电解槽和 PEM 电解槽年均全 负荷运行小时 7500h
、
使用电价 0.3 元/kWh
，
则碱性与 PEM 电解水的制氢成本分别为约 21.6 元/kg
、
31.7 元/kg
，
碱性电解槽制氢成本相较低约 30%
，
短期内成本优势明显
。
2
）
规模优势
：
碱性电解槽 制氢规模通常可达 1000 标方
，
优势企业碱性电解槽制氢规模可达 2000 标方
，
相比于 PEM 电解槽的 500 标方具备明显规模优势
。
目前国家积极推动氢能产能落地
，
碱性电解槽短期内具备成本优势
、
规模优势
，
适合作为示范项目落地土地成本相对便宜的西北地区
。
提升设备性能
、
降低材料成本为电解水制氢技术的发展方向
碱性电解槽技术发展方向
：
提升性能
、
降低电耗
：
根据车百智库
，
碱性电解水制氢电解能量转化效 率基本位于 60%-75%
，
电费约占制氢费用的 86%
。
碱性电解槽降本路径主要是降低电耗
、
提升设备 性能
。
实际上
，
设备电耗和转换效率息息相关
，
根据
《
水电解制氢系统能效限定值及能效等级 GB 32311-2015
》
，
在标准状态下制取 1 m3 氢气所需理论电量为 2390 Ah/ m3
，
能效值 100%时
，
能耗约 3.54 kWh/m3
。
目前隆基氢能
、
华光环能
企业在极限情况下可将碱性电解槽能耗降低至 4.0-4.2 kWh/m 3
，
能耗仍有下降空间
。
开发关键材料
、
改进电解槽结构为目前主要方案
：
电解槽关键材料需在可稳定运行的前提下具备经 济性
。
上述隔膜
、
电极
、
双极板对电解槽性能均具备重要影响
。
1
）
隔膜
：
根据 IRENA
，
目前碱性 电解槽隔膜厚度约 460 微米
，
通过减少隔膜厚度至 50 微米
，
减少电阻可提升碱性电解槽电流强度至 1.0A/cm2
，
提升电流强度 250%-500%并同时实现降本
。
同理也适用于 PEM 电解槽
，
根据 IRENA
，
目前 PEM 电解槽质子交换膜厚约 125-175 微米
，
其具备降低至 20 微米的可能性
。
2
）
提高阳极
、
阴 极催化率利用率以实现提效
；
3
）
优化双极板流场设计
，
使得水均匀分布
、
减少气体堵塞
。
重新设计 电堆和电解槽结构可能通过降低系统电阻
、
气阻等方式实现更高能效
、
更长寿命
、
更大电流密度从 而实现更低能耗
、
更高生产速度
。
设备产量大型化是降低单位制氢成本的路径之一
：
提升电解槽产量后可摊薄辅助设备单位成本从而 实现降本
。
根据许卫
《
大规模电解水制氢系统的发展现状
》
，
目前国内主流碱性电解槽氢气产量为 1000Nm3 /h
，
其设备成本约为氢气产量 500Nm3 /h 设备成本的 150%
。
2021 年 7 家单位承担国家重点 研究计划
“
氢能专项
”
中的
“
高效大功率碱水电解槽关键技术开发与装备研制
”
，
目标在 2025 年前研发 出 3000Nm3 /h 的碱性电解槽
，
并将制造单位 Nm3 氢气的电耗降至 4.3kWh 以下
。
根据 IRENA
，
若将 碱性电解槽规模由 1MW 提升至 100MW
，
其单位投资额降幅比例约 60%
。
目前产氢量最大的设备由
明阳智能
发布
，
产氢量单位产氢量最高可达 2500Nm3 /h
，
但根据中氢博创
，
目前明阳智能的 2500Nm3 /h 电解槽距离工业化需求产氢量仍有一定差距
。
2022 年全球电解槽出货快速增长
：
根据中氢博创数据
，
2022 年全球电解槽市场出货量达到 1GW
，
中国碱性电解水制氢设备的出货量约 776MW
，
电解槽总出货量在 800MW 左右
，
在 2021 年基础上 实现翻番
。
根据 BNEF 统计
，
目前电解槽市场出货量尽管有延迟
，
但仍在增长
。
2023 年
，
中国电 解槽出货量将为 1.4-2.1GW
，
占当年全球出货量的 60%以上
；
未来 18 个月
，
全球电解槽出货量将 为 2.4-3.8GW
，
ALK 制氢技术路线将继续凭借经济性
、
大型化
、
高转化效率
、
可靠性强等性能指标 优势占据主导地位
。
全球电解槽市场格局相对集中
：
根据 BNEF 数据
，
2022 年全球电解槽出货量前三名的制氢设备厂商 分别为
：
考克利尔竞立
、
派瑞氢能
、
隆基氢能
。
根据 BNEF 数据
，
头部电解水制氢装备制造企业的 市场占有率较高
，
市场相对集中
，
Top3 企业电解槽总市场占有率占 80%
。
2022-2030 年全球新增电解槽需求 CAGR 有望达到 77%
：
根据我们的测算
，
到 2025 年全球电解槽 的累计需求量有望达到 16GW
，
2022-2025 年新增电解槽需求 CAGR 有望达到 100%
；
到 2030 年全 球电解槽的累计需求量有望达到 288GW
，
2022-2030 年全球新增电解槽需求 CAGR 有望达到 77.36%
。
碱性电解槽将保持主流路线地位
：
根据 IEA 预测
，
2030 年全球碱性电解槽产能占比将保持高增达到 64%
，
PEM产能占比将达到22%
，
SOEC产能将达到5%
。
2030年中国碱性电解槽产能有望超过22GW
，
占中国电解槽总产能比例约 97%
。
华光环能
环保基因悠久
，
横向发展氢能
：
公司前身华光股份可追溯至 1958 年
“
公私合营无锡锅炉厂
”
与
“
地 方国营湖光机械厂
”
合并成立
“
国营无锡江苏锅炉厂
”
，
而后改制成为华光股份并于 2003 年挂牌上 交所
。
2005 年公司控股股东水星集团更名国联环保
，
2017 年公司吸收合并国联环保实现整体上市
。
吸收合并完成后
，
公司主营业务由传统常规能源逐渐向
新能源
、
环保领域发展
，
2020 年公司更名华 光环能
，
并于 2022 年逐步布局制氢产业
。
目前
，
公司在环保
、
能源领域建立了涵盖设计咨询
、
设备 制造
、
工程建设
、
运营管理的一站式服务体系
。
收入
、
盈利情况持续向好
：
2018 年至今
，
公司收入
、
归母净利润总体保持上升趋势
。
2018-2021 年
，
公司收入复合增速 4.02%
，
盈利复合增速 21.67%
。
其中新业务板块热电及光伏发电运营服务收入占 比不断提升
，
由 15.03%逐渐提升至 32.73%
。
2022 年上半年公司装备制造业务板块
，
即节能高效发 电设备
、
环保设备业务
，
受到地区疫情影响供应链受阻
，
发货周期延后
，
收入占比同比下滑约 13.40 个百分点
。
但总体上装备制造板块
、
工程与服务板块毛利率持续向好
，
带动公司毛利率波动提升
。
地区热电运营龙头
，
深度减碳受益于碳排放权交易
：
公司是无锡地区热电运营龙头
，
市区热电联产 供热市占率超 70%
，
拥有国内供热距离最长的多热源
、
大规模蒸汽集中供热系统
。
目前公司已经实 现燃煤燃气联合供应
、
能够跨区域供热
。
2021 年 8 月
，
公司完成了对无锡蓝天控股权收购
，
进一步 扩大公司在无锡热网领域的调度范围
。
公司注重热电生产运营的控碳
、
减碳
，
通过降低厂用电率
、
降低供电标煤耗
、
提高电厂热效率等措施
，
降低碳排放
，
并建设打造了智慧电厂系统
。
根据
《
2019-2020 年全国碳排放权交易配额总量设定与分配实施方案
（
发电行业
）
》
等政策文件
，
目前公司下属惠联 热电
、
友联热电
、
无锡蓝天 3 家热电企业进入重点排放名单
，
2021 年及 2022 年上半年
，
3 家单位 碳排放权盈余合计分别为 31.39 万吨
、
10.06 万吨
。
报告出品方/作者
：
中银证券
，
李可伦
、
李天帅
精选报告来源
：
【
未来智库
】
关注更多
碳
（
CO
2
）资讯
请长按
识别下方二维码
关注
3060
CCTC®
（华夏气候技术中心）致力于
1. 气候技术综合应用示范推广
2. 气候技术与绿色金融融通
3. 碳达峰碳中和及与气候变化、能源相关研究传播与咨询
……
合作
/
投稿
请
联系电话：0755-21002565
邮箱：
若对
气候变化
感兴趣
关注
气候变化
（
狭义/泛义
）资讯
请长按
识别下方二维码
关注
华夏气候
