四大绿氢生产路线中，哪一条代表着未来的趋势？绿氢的成本降低之路又将如何推进？本文将结合行业专家的访谈，对这些关键问题进行分析探讨。
水电解制氢四条技术路线
绿色氢气通过电解水生产，目前市场上主要有四种技术路线：碱性电解（ALK）、质子交换膜电解（PEM）、固体氧化物电解（SOEC）和阴离子交换膜（AEM）。
碱性电解（ALK）技术是水电解领域最成熟的技术，其基本原理是在电流作用下，水通过电化学反应分解为氢气和氧气，两者分别在电解池的阴极和阳极析出。
PEM电解的工作原理是水在阳极经催化分解为氧和氢离子（H+），氢离子再透过电解质膜到达阴极，在阴极获得电子生成氢气，反应完成后氢气和氧气分别通过阳极和阴极的双极板收集和输送。该技术目前处于商业化初期，核心部件包括具有优异质子交换能力的聚合物薄膜，以及紧密贴合在电解质膜两侧的阳极和阴极催化剂层。
AEM电解器作为一种新型电解设备，采用阳离子交换膜作为隔膜，可在较宽的pH值范围内操作。
SOEC电解器是一种高温电解装置，其制氢原理是利用固体氧化物作为电解质，在高温条件下运行，实现水或二氧化碳的电化学分解。
四条技术路线在现阶段的发展中，各有哪些优势和劣势?中国能源工程华北电力设计院高级工程师田江南接受第一财经记者专访时，对水电解制氢四条技术路线进行了分析比较。
他表示，ALK是目前最主流的技术路线，市场占有率约95%，主要采用镍网作为电极，PPS材料作为隔膜。该技术虽然已有上百年历史，但存在结构上的限制，如电极与隔膜间隙大、电流密度低、隔膜承压能力差、体积大等；PEM技术是为了解决ALK电密度低的问题而提出的，采用零间距膜电极技术，优点是电流密度高、响应速度更快，但也有缺点，如催化剂需要铂、铱等贵金属，隔膜依赖国外进口材料，制约了其发展；AEM技术结合了ALK和PEM的优点，兼具零间距、电密度高、隔膜承压能力大等优点，近半年来发展迅速，已有部分厂家开始推出AEM产品；SOEC技术目前还处于实验室阶段。 由于该技术需维持800℃左右的高温，使用场景受到限制，主要适用于产生废热的场景，距离商业化还有很长的路要走。
PEM的优势和市场潜力日益显现
总体来说，PEM技术是继碱水制氢之后，最有可能实现工业化的路线。那么，该技术与碱水制氢相比，到底有哪些特点呢？
山东赛克赛斯氢能公司是国内最早从事PEM纯水电解制氢设备的国家高新技术企业之一，已有30多年的历史，对PEM技术和设备有深入的研究。赛克赛斯副总经理丁小涛在接受《财新》专访时表示，PEM技术相较于碱水制氢主要有三大优势，即全生命周期经济性、与可再生能源更好的耦合、氢气纯度高可延长燃料电池寿命。
首先从成本角度，目前碱性水制氢是主流，主要是因为其设备成本低廉。但与全生命周期成本相比，虽然PEM技术初期设备投资成本较高，约为碱性水制氢的3-5倍，但由于其后期维护成本低、使用寿命长，全生命周期运行成本可以与碱性水制氢相媲美。
其次，能够适应可再生能源的波动性是PEM技术的关键优势。丁小涛表示，PEM技术可以快速响应风电、太阳能等绿色电力的波动性、间歇性和周期性特点，从而实现更好的耦合匹配。这主要是因为碱性制氢的压差分离过程在电源波动下会产生氢氧交联，产生安全隐患，而且碱性制氢设备冷启动需要1个小时以上，响应速度慢，而PEM在这两方面具有明显的优势。PEM适应可再生能源的特点决定了它可以更多地利用风电、太阳能和绿色电力，从而享受绿电价格下降带来的红利。
第三，PEM设备产出的氢气纯度高，杂质少，是氢燃料电池或其他高品质氢气使用场景的最佳供氢方式。研究表明，PEM设备产出的氢气不含一氧化碳、硫化物等会对燃料电池造成不可逆损害的杂质，可以显著延长氢燃料电池的使用寿命。
此外，中金公司的研报还指出了PEM在负载范围、后期维护等方面的优势。从负载范围来看，碱性电解槽的功率需维持在额定功率的30%以上（30%~100%），在可再生能源发电量突然减少时会造成一定的浪费；PEM电解槽的功率负载范围可达5%~125%，较低的功率限值在风电、太阳能发电量较小时节省用电成本。同时在风电、太阳能资源最有效时超负荷运行，最大限度提高可再生能源的利用率。
在维护成本与环保方面，由于PEM电解槽体积较小、重量较轻，运输、安装、更换、维修都较为快捷方便，使用叉车即可完成；而碱性电解槽则需要大型起重设备进行更换。同时，碱性电解槽使用的是碱溶液，需要定期进行维护和处理，维护成本较高。碱溶液本身会造成环境污染，需要考虑排放问题。
为何拥有诸多优势的PEM技术规模化仍远不及碱性水制氢？丁小涛表示，PEM目前在市场尚未得到广泛应用的一个重要原因是氢能产业链整体尚处于发展初期，氢气储运等后续成本仍相对较高，规模化制氢后的经济性消费方式还在探索中。因此，多数企业出于保守考虑，仍倾向于选择碱性水制氢。但随着氢能产业的发展和下游应用的成熟，未来PEM技术的市场潜力巨大。丁小涛预计2026年PEM技术市场份额将达到20%以上，2030年左右或将实现绿氢与灰氢成本平价。同时，他也强调，PEM的规模化落地，不仅需要设备成本的降低，还需要绿电价格的降低和整个产业链成本的降低。
在PEM应用方面，中金公司研究报告显示，交通运输领域是应用占比最高的场景。中金公司预测，PEM电解槽凭借其强大的风光耦合特性，将在海外化工行业得到更加广泛的应用，化工行业装机容量将快速上升。
对于AEM和SOEC技术，丁小涛表示，AEM综合了碱性水制氢和PEM技术的优点，其成本介于碱性水制氢和PEM之间；而SOEC虽然在炼钢等特定应用场景有潜力，但总体处于早期阶段，短期内均缺乏大规模工业化的能力。
绿氢平价的关键：降低设备成本和电价
氢能若想最终成为像光伏一样可负担的能源，关键是降低成本。田江南表示，绿色氢能的产业化、规模化需要多方面因素的共同推动。从制氢角度看，降低电价和设备成本是最关键的两点。
他分析说，首先，电价约占水电解制氢成本结构的50%-80%，是最大的变动成本，而电价在绿氢成本中的占比与系统的配置有关，如水电解制氢设备的选型、电源投资占比等，存在成本下降空间；其次，水电解制氢设备约占制氢站总固定投资的70%-90%，是主要的固定成本，目前设备价格较高，降低设备成本可以有效降低制氢成本；此外，水电解制氢设备的电解效率普遍较低，提高电解效率意味着消耗同样的电量可以产出更多的氢气，也是降本增效的重要手段。
碱性电解器降本已见成效，仍有提升空间。据浙江证券研报，碱性电解器已基本实现国产化，2023年国内外价格分别约为151万元/MW、240万元/MW，其中膜/电极占成本大头，约占57%。田江南表示，目前绿氢项目正处于示范过程中，单套³/h ALK水电解制氢系统市场价格较2020年左右下降200-300万元，他估计仍有100-200万元的成本下降空间。
相比之下，PEM电解器价格较高，且成本降低步伐较慢。PEM电解器主要成本来源包括双极板、膜电极和催化剂。据浙商证券研报，2023年PEM电解器国内外价格分别约为890万/MW和800万/MW，其中双极板成本占比53%。但我国PEM电解器的国产化率较低，主要原因有两点：一是催化剂所需铂、铱国内储量较少，依赖海外进口；二是质子交换膜多为全氟磺酸膜，制备工艺复杂。
电力成本对绿氢成本的影响也十分巨大。国泰君安证券研报显示，随着电价下降，绿氢生产成本有明显下降趋势。相较于灰氢和蓝氢，当电价分别低于0.15元/千瓦时和0.25元/千瓦时时，绿氢具备成本优势，制氢成本分别为9.89元/kgH2和15.27元/kgH2。
除了降低成本，水电解制氢的便捷性和安全性也是行业关注的重要问题。田江南表示，目前的制氢设备体积大、重量重，近期部分厂商推出的303/h容量碱性电解槽，负荷量达百吨以上，对设备的运输和安全运行不方便。另一方面，绿色氢能零碳化需要与风电、光伏发电等可再生能源相结合，可再生能源具有波动性、随机性、间歇性等特点，可能导致水电解制氢设备存在安全隐患。
据悉，水电解制氢设备膜片承压能力有限，ALK制氢设备膜片承压能力约几十千帕，PEM制氢设备膜片承压能力约百千帕，当可再生能源电力供应不稳定时，可能超过膜片承压上限，造成氢氧串扰，这一安全隐患也亟待解决。
多家企业加速布局电解槽
国内碱性电解器技术源于中船七一八所，早期由七一八所、苏州晶力、天津大陆“老三家”瓜分市场。发展至今，碱性电解器玩家主要包括三类：第一类是“老三家”，包括天津大陆、中船派瑞氢能、科克里尔晶力、康明斯等；第二类是跨界布局的新能源企业，包括阳光氢能、隆基氢能、华光环保、天合氢能等；第三类是新进入者，包括广东圣氢（圣辉科技旗下子公司）、双良节能、氢时代、精电装备、长春绿能、氢能等。
近年来电解器供给大幅增加，根据高工氢电产业研究院（GGII）调研统计，2023年国内水电解制氢电解器出货量将达到1.2GW（含出口，不含研发样机），同比大幅增长61%。其中派瑞氢能出货量排名第一，隆基氢能排名第二，华电重工、航天思卓首次进入前五。TOP5厂商合计市占率为54%，较2022年大幅下降25%。从集中度下降可以看出，新玩家正在入局，行业正处于快速发展阶段。
相较于碱性电解器，PEM电解器目前相对小众，主流厂商以国外企业为主。前五大核心厂商分别为On-Site、康明斯、西门子、东芝、山东赛克赛斯，合计占据约70%的市场份额，集中度较高。其中，大中型PEM水电解器占据了第一、第二细分市场。
2023年国内将有超过40家企业发布电解槽新品，电解槽将向大方正、高电密度、低功耗、轻量化方向持续迭代。业内人士指出，经过前期的招标和小规模建设投产，电解槽出货将进入快速落地期，预计2024年需求将达3GW，2025年将达6GW，同比增长一倍。
从电解器产业链投资来看，受成套设备价格持续下降影响，受益环节上移。田江南指出，2020年之前，首当其冲受益的是水电解制氢设备制造商，该类设备制造商利润空间较大。但由于短期内大量制造商涌入，行业盈利能力被削弱，而水电解制氢设备供应链如隔膜、电极、机加工、电镀等环节仍然有较大的利润空间。
上市公司中，华光环保能源（.SH）于2023年成功推出产氢能力1500m³/h的碱性电解槽制氢设备并完成性能测试鉴定，该设备在标准电流密度、1.6MPa压力下直流电耗为每标准立方米氢气4.2kWh，处于行业领先水平。同时，公司新型智能化、绿色化、数字化专用装备基地建设规划同步规划500MW电解槽及制氢系统生产线。
双良节能(.SH)2023年11月发布新款JSDJ S1系列碱性水电解器，样机产氢量达1001.23m³/h，直流能耗4.04kWh/Nm³@3000A/m²，气液分离出口氢气纯度达99.99%，使用寿命可达20年。双良一期年产300套绿电制氢设备已于2023年9月建成投产，投资1.5亿元。二期年产700套绿电制氢设备已开工，投资3.5亿元。达产后，公司总产能将达到1000套。
亿华通（.SH）主要从事氢燃料电池发动机的研发和产业化，2023年，公司通过旗下子公司亿华通氢能科技开始从事PEM水电解制氢设备的生产。近日，亿华通在张家口建成了碱性液相-PEM混合制氢平台，由风电光伏模拟器、混合制氢系统、氢能储能系统、电网模拟器四部分组成。该平台是即将建设的张北200MW风氢一体化项目的氢能储能中试验证平台。调度算法让碱性液相制氢运行平稳，同时PEM制氢适应大部分波动。锂电池主要起调频作用，通过高频充放电维持微电网电频率和相位的稳定。 亿华通在接受第一财经记者采访时表示，公司水电解制氢设备的技术优势在于利用混合系统平衡电网波动，最大限度利用碱性和PEM各自的特性，实现优势互补。
（本文来自第一财经）
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