【專題 | 「可再生能源」可再生資源行業分析_可再生資源裝機容量_發電占比】

氫能產業鏈可以分為上游制氫、中游儲運和下游應用三個主要環節。

圖1  氫能產業鏈

（資料來源：五度易鏈行業研究中心）

化學能源制氫是主流制氫方式，目前國內煤制氫技術成熟，但結合“藍氫”技術成本將大幅上升

制氫的路徑有三種，包括化石能源制氫、工業副產品制氫和電解水制氫：全球制氫主流選擇是天然氣制氫，主要原因是成本較低、效率高且清潔度較高，但純度較低；工業副產制氫雖然短中期是對氫來源的有效補充，但不具備普遍推廣能力，并且本質上也屬于化學能源，并不會降低碳排放；電解水制氫雖然當前占比很小，但由于可以和可再生能源結合，因此是各國清潔能源研究重點方向。根據2020中國氫能產業發展報告數據，目前全球制氫原料中，天然氣使用最為廣泛，其次是醇類，最為環保的電解水使用最少，占比不到5%。我國氫氣來源主要為煤制氫，占比超六成，其次才為天然氣，而電解水制氫僅為1%。

圖2 我國制氫結構

（資料來源：《中國氫能產業發展報告2020》、五度易鏈行業研究中心整理）

綠氫是氫能發展最終目標，清潔可再生能源制氫將是未來發展重點

世界能源理事會認為氫本身并不是一種能源，而是能源的載體，其針對不同制氫方式將氫分為“灰氫”、“藍氫”和“綠氫”。“灰氫”是通過化石能源、工業副產等制得的氫，但是由于原料是碳基，所以會產生大量碳排放；“藍氫”則是在灰氫的基礎上，利用碳捕捉和碳封存技術實現低碳制氫，但國外有研究表明“藍氫”全生命周期排放依舊超過直接燃燒煤炭和天然氣，并且更重要的是成本始終居高不下，可行性較低；“綠氫”也被稱為可再生能源電解水制氫，是通過風電、光伏、水電等可再生清潔能源方法制氫，基本不會產生碳排放，是唯一清潔的氫能。我國目前處于氫能產業初期階段，以化石能源和工業副產制造的“灰氫”為主，“藍氫”和“綠氫”由于成本都較高還不具備大規模推廣條件，但相關技術都在積極研發中。

表1 灰氫、藍氫、綠氫技術對比

（資料來源：五度易鏈行業研究中心整理）

電解水制氫純度最高，其中PEM（質子交換膜）制氫純度達到99.999%（5N）

從氫氣的下游應用領域分析，根據IEA數據，目前氫的主要用途分別是煉油、合成氨、合成甲醇和直接還原鐵礦石。不同應用領域對于氫氣純度要求不同，采用電解水方式制氫純度最高，其中成本較高但是最有前景的的PEM制氫純度高達99.999%（5N），適合為用氫量相對較小但對純度要求較高的行業提供，比如作為一些電子材料的生長與襯底的制備、氧化工藝、外延工藝中以及化學氣相淀積（CVD）技術作為反應氣、還原氣或保護氣。我國廣泛開展的煤制氫純度最低，僅為氫氣48%-54%，但優勢在于成本較低，不過提純工藝流程相對復雜，使用設備較多，適合為用氫量大的行業提供氫氣。

PEM電解水制氫具有更強的負載波動適應能力，適合可再生能源間歇性發電

氫氣純度最高的電解水制氫根據電解槽隔膜材料的不同電解水制氫可以分為堿性電解水制氫、質子交換膜（PEM）電解水制氫和（SOEC）高溫固體氧化物電解水制氫三類。其中堿性電解水制氫技術已實現規?；a，但耗電量最高；PEM處于產業化發展初期，耗電量和氫氣純度優于其他路線，但核心設備依賴進口且電解槽昂貴，總體成本依然最高；SOEC則還處在實驗室開發階段，短期商業化可能性很低，但該技術未來有望和SOFC（固體氧化物燃料電池）一起組成氫儲能電站，建立完全的清潔能源“儲能+發電”系統。在響應速度方面，PEM電解槽相比于堿性電解槽具有更強的負載波動適應性能力，并且隨著PEM技術不斷改進，其在風電和光伏等波動性可再生能源輸入下其LOCH（平準化成本）相比堿性電解水更具優勢。

圖3 電解水制氫系統及成本構成

（資料來源：IRENA，五度易鏈行業研究中心整理）

電費與設備投資是電解水制氫主要的成本構成

電解水產生一公斤氫氣所需的理論耗電量約為30kwh，當前電解水制氫的能量轉換效率約為60%，因此實際耗電量大致為每公斤50kwh左右。在設備方面，目前堿性電解水制氫系統的平均成本大于500美元每千瓦，若假設系統壽命為5萬小時，則對應運行周期內每公斤氫氣折舊成本為0.5美元/kg（以匯率6.4計算為3.2元人民幣）/kg，而PEM設備成本需要再翻一倍甚至兩倍。在電費方面，以國內0.8元/kwh計算，則制取每公斤氫氣需要40元。若以陸上風電0.35元/kwh成本計算，則電費也需要17.5元。兩項合計明顯高于化石能源的10-15元/kg成本水平，而這還不考慮其他設備和建設成本。因此，從經濟性的角度出發，可再生能源制氫大規模發展的條件尚不具備。

結語

綜合來看，氫能作為二次能源載體，有望成為全球未來能源體系的重要組成部分，發展潛力巨大。但由于“藍氫”與“綠氫”技術尚不成熟，成本居高不下，因此目前氫氣的生產與應用仍集中在化石能源領域，其作為一種清潔、高效能源的優勢尚未充分發揮?？稍偕茉窗l電成本進一步降低與PEM（SOEC）制氫設備成本下降將是未來以“綠氫”為主的氫能產業鏈能否持續發展的重要因素。