綠氫制造，誰與爭鋒
氫能，仿佛是一支“消碳筆”。從氫能源汽車到大規(guī)模綠氫制備，氫能近年來備受關(guān)注,被視為21世紀潛在的“能源”。
在初中的化學(xué)課本里，氫氣和氧氣混合燃燒后變成水的過程，是一個我們熟悉的化學(xué)方程式(H?+0?→H?0)。在通電條件下，其將發(fā)生可逆反應(yīng)：水被電解成為氫氣和氧氣。如果用來電解的電能是太陽能、風(fēng)能、水能等可再生能源,那么整個制氫過程都不會產(chǎn)生任何碳排放，并將實現(xiàn)可持續(xù)利用，是氫能產(chǎn)業(yè)中的“路線”。通過該路線獲得氫氣就是“綠氫”。
中國已經(jīng)是全球大的氫氣生產(chǎn)和消費市場。隨著新能源電力的大規(guī)模發(fā)展，規(guī)模化綠氫制備開始快速發(fā)展。2022年3月,國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》，提出重點發(fā)展可再生能源制氫，嚴格控制化石能源制氫。此舉為自“雙碳”目標(biāo)提出后就不斷升溫的氫能產(chǎn)業(yè)再添一把火。在目前整個中國氫產(chǎn)量中幾乎沒有存在感的電解水制綠氫，快速爆發(fā)，迎來了一大批新老玩家的加入。
“除了長江口和東海的海上風(fēng)電可以用來電解水制綠氫，很難在上海再找到新的制備場景。然而,上海在氫燃料電池、電解水核心材料和關(guān)鍵技術(shù)等領(lǐng)域，不僅有著多年的產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗,也有著很強的科研實力?！痹谇逡?上海)新能源科技有限公司(以下簡稱“清耀新能源”)總經(jīng)理高慧峰看來，面對產(chǎn)業(yè)的風(fēng)口，上海要打造制氫裝備核心技術(shù)高地，突破電解槽的技術(shù)壁壘，為實現(xiàn)大規(guī)模和分布式綠氫制備提供各自的核心設(shè)備。
即將迎來千倍增長的綠氫產(chǎn)業(yè)，吸引眾多“玩家”。
2019年氫能首次被寫入《政府工作報告》,2020年“雙碳”目標(biāo)提出，使得中國的氫能產(chǎn)業(yè)不斷升溫。到2021年,中國年制氫產(chǎn)量約3300萬噸，同比增長32%，成為全球大的制氫國。然而,在這3300萬噸的氫氣里，只有1%是通過電解水制氫,至于使用可再生能源制備的綠氫更是極少。
由可再生能源發(fā)電、水電解技術(shù)得到的綠氫，經(jīng)過管道或罐車運輸至氫用戶，可作為能源用于燃料電池或發(fā)電廠發(fā)電。其中，燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)將氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，而發(fā)電廠則通過直接燃燒產(chǎn)生動力。此外，氫氣還可用作化學(xué)工業(yè)的原料氣和冶金項目的還原劑。
近年來，氫能的市場需求持續(xù)增加。預(yù)計到2030年“碳達峰”期間，我國氫氣年需求量將大增，綠氫也將在氫產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中大幅度提升占比。根據(jù)中國氫能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟預(yù)測，到2060年“碳中和”愿景下，我國氫氣年需求量有望增至1.3億噸，在終端能源消費中的占比約為20%，其中70%為綠氫。這意味著在未來30多年里，綠氫的產(chǎn)能將出現(xiàn)成百上千倍的增長。
發(fā)展綠氫產(chǎn)業(yè)，中國已開始布局。
首先進場的是國家隊。當(dāng)前多家大型能源企業(yè)均有相關(guān)項目布局。比如，2022年中國石化在新疆庫車的光伏制氫項目，用光伏發(fā)電，電解水制取綠氫。項目每年生產(chǎn)的2萬噸氫氣，先被存儲在廠區(qū)的儲氫罐里，通過管道輸送到中國石化塔河煉化廠，在煉油加工中使用。
不過，多位受訪者表示,目前綠氫的制取成本相對較高，并不具備經(jīng)濟性。綠氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢是與高耗能高排放工業(yè)相結(jié)合。業(yè)內(nèi)專家表示：“目前新疆、寧夏、內(nèi)蒙古等地已有多個綠氫耦合煤化工、合成氨、煉化、氫冶金的技術(shù)示范項目開工。但目前電解水制氫成本仍然偏高，是化石能源制氫的3-5倍,且現(xiàn)有電解槽裝備對波動性光伏和風(fēng)電的適應(yīng)性較差，主要還是并網(wǎng)取電為主,綠電的屬性難以追溯?！?/span>
毫無疑問，綠氫制備將主要集中在可再生能源發(fā)達的地區(qū)，如風(fēng)光資源豐富的新疆、內(nèi)蒙古,以及水能豐富的川渝地區(qū)。”高慧峰也給出了類似的觀點：“大規(guī)模制備綠氫首先要有大規(guī)模的可再生能源,其次要對接工業(yè)化級別的用氫需求。無論是可再生能源,還是化工、冶煉、建材等產(chǎn)業(yè)，上海乃至東部地區(qū)都不具備優(yōu)勢”。
然而，即便如此，上海也已開啟綠氫示范應(yīng)用項目。2022年8月，上海市發(fā)改委、市經(jīng)委發(fā)布《關(guān)于支持中國(上海)自由貿(mào)易試驗區(qū)臨港新片區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》，將綠氫制備作為未來海上風(fēng)電項目多功能融合發(fā)展的重要方向之一，鼓勵臨港新片區(qū)氫能企業(yè)參與海上風(fēng)電項目制氫等技術(shù)研發(fā)、裝備制造及工程建設(shè)。2023年10月,《上海市進一步推進新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行動方案(2023-2026年)》再次提出實施海上風(fēng)電制氫先導(dǎo)工程。
沖入綠氫產(chǎn)業(yè)鏈的還有可再生能源設(shè)備制造商。以清耀新能源為例，兩家合資公司之一就是林洋創(chuàng)業(yè)投資(上海)有限公司(以下簡稱“林洋創(chuàng)投”)，而它的背后站著在上證A股上市的江蘇林洋能源股份有限公司(以下簡稱“林洋能源”)。林洋能源從配電設(shè)備起家,在20多年里成為我國光伏產(chǎn)業(yè)的一家重量級公司。與林洋能源一樣,隆基綠能、陽光電源、明陽智能等一批光伏、風(fēng)電的國內(nèi)龍頭企業(yè)也紛紛進入綠氫領(lǐng)域。這也使得整個綠氫產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出一種萬物競爭的勃勃生機。
“這些光伏公司進入氫能產(chǎn)業(yè)鏈并不奇怪，甚至可以說有很強的內(nèi)在邏輯。”高慧峰說,無論是光伏發(fā)電還是風(fēng)力發(fā)電,一直以來都受到氣候環(huán)境的影響，陽光的強弱、風(fēng)力的大小,讓可再生能源的生產(chǎn)出現(xiàn)很大的波動性，當(dāng)前可再生能源的發(fā)展已經(jīng)由裝機驅(qū)動轉(zhuǎn)向消納驅(qū)動，必須要為新能源電力找到多元化的應(yīng)用場景。一個可行的辦法是將波動性很大的可再生能源變成另一種能量儲存起來,拓展新的應(yīng)用方式。比起儲能電池、抽水蓄能，氫能無疑是用途更廣泛的一種二次能源，既可以作為能源使用，,也可以作為化工原料替代傳統(tǒng)石化行業(yè)的灰氫，推動工業(yè)領(lǐng)域綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展?！霸诠夥a(chǎn)業(yè)已經(jīng)遇到市場天花板之后,如果能耦合綠氫產(chǎn)業(yè),就會催生出一片新的天地?！?/span>
在“碳達峰”“碳中和”目標(biāo)背景下，綠氫是必然發(fā)展趨勢，但若要大規(guī)模推廣，仍需在技術(shù)上多發(fā)力。
“在綠氫裝備產(chǎn)業(yè)上，上海有自己的優(yōu)勢?！备呋鄯逭f,上海是國內(nèi)早開始發(fā)展氫燃料電池汽車的城市，“簡單理解,燃料電池是用氫發(fā)電，只要反過來分解就能產(chǎn)氫。因此上海在綠氫制備的技術(shù)和材料上，有長時間的積累和沉淀，也有一批高校和研究所的創(chuàng)新研發(fā)優(yōu)勢。因此，可以將上海打造成綠氫制備的創(chuàng)新策源地。
事實上，清耀新能源的另一家合資方——上海舜華新能源系統(tǒng)有限公司(以下簡稱“上海舜華”)，早在2004年就已經(jīng)成立。時任同濟大學(xué)汽車學(xué)院院長萬鋼在上海率先推動氫能源汽車發(fā)展。當(dāng)時同濟大學(xué)孵化了兩家產(chǎn)業(yè)化公司，一家做燃料電池另一家配套加氫站，并建設(shè)了國內(nèi)家加氫站——安亭加氫站,后者就是上海舜華。
“上海舜華是國內(nèi)早從事加氫站和氫能制儲加核心技術(shù)的專業(yè)化公司。”高慧峰介紹說，在氫能產(chǎn)業(yè)熱潮之前，研究團隊已經(jīng)在制氫裝備領(lǐng)域進行了多年的科研攻關(guān)和探索，“2016年以前,我們主要是承接從國家到上海各種課題，開展光伏制氫、加氫、儲氫等方面的研究。2016年之后才開始實施產(chǎn)業(yè)化布局?！钡趪?019年明確地提出大力發(fā)展氫能之前，公司業(yè)務(wù)主要圍繞加氫站和車載供氫系統(tǒng)開展。“一直到2020年，隨著'雙碳’目標(biāo)的提出，我們正式開始進軍電解水制氫領(lǐng)域；2021年，上海舜華和林洋創(chuàng)投合資成立了清耀新能源。”
電解槽是綠氫制備的核心設(shè)備。在浦東張江科學(xué)城東區(qū)，一棟有著標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)廠房的辦公樓里，500標(biāo)方的圓型電解槽被豎了起來。工人們將直徑2米的隔膜拉直,與墊片、雙極板和電極貼在一起，然后從上往下放置到電解槽里。這樣的操作要進行200次,直到電解槽的腔室內(nèi)安裝下200套這樣的組合。而每一個由隔膜、墊片、雙極板構(gòu)成的“房間”，構(gòu)成了電解槽小的功能單位——小室?！熬褪窃谶@樣一個個小室里，水被電解成了氫氣和氧氣?！备呋鄯逭f,隨著綠氫產(chǎn)業(yè)的升溫,對于電解槽的需求正在快速提升中。
清耀新能源這臺重30噸的電解槽屬于技術(shù)為成熟、設(shè)備成本低的堿性電解槽。而當(dāng)前針對大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的制氫，主要就是堿性電解槽。2022年,全球堿性電解槽累計裝機量為727MW,占電解槽總裝機規(guī)模的52%。在國內(nèi)，有近200家的堿性電解槽生產(chǎn)商，市場競爭激烈。
“堿性電解槽行業(yè)，入局容易,做好很難?！备呋鄯逭f，“這種電解槽結(jié)構(gòu)上很簡單，只要找?guī)讖堧娊獠鄣膱D紙，或是聯(lián)系下電解槽上游零部件供應(yīng)商，將各種材料買回來，裝配疊加在一起，就能拼接成一個電解槽。但這些槽的安全性、可靠性、能耗就千差萬別了。事實上，如果沒有成熟的設(shè)計經(jīng)驗和長時間對工藝的摸索，用同一批材料、相同工藝，都很難制作出性能一模一樣的電解槽?！?/span>
此外“現(xiàn)在，堿性電解水制氫面臨很多問題，包括電極的衰減、鍍層的脫落、隔膜的磨損和密封的失效等。而且，效率衰減也比較大，維修很不方便，要拉回廠家進行維修等?！庇袑＜抑赋觯谛履茉措娏Φ男聭?yīng)用和新場景，電解水制氫急需快速的技術(shù)提升和變革。
與國內(nèi)產(chǎn)品相比，國外堿性電解槽在隔膜、電極，以及設(shè)計上，采用了更為先進的技術(shù)。例如,在PPS(聚苯硫醚)隔膜基礎(chǔ)上，涂敷其他材料成為復(fù)合新材料，使其有更好的阻氣性和更低的面電阻；在電極基材上噴涂高性能催化劑，提升化學(xué)活性，提升單位產(chǎn)氫效率；在結(jié)構(gòu)上，根據(jù)復(fù)雜的流體力學(xué)設(shè)計出能讓氫氣“產(chǎn)得快、跑得快”的導(dǎo)氣通道。
“多年的研發(fā)沉淀和正向開發(fā)路徑，讓我們能夠更快地進行產(chǎn)品升級?！备呋鄯逋嘎?清耀新能源在2022年11月發(fā)布的首款500標(biāo)方的堿性電解槽，其電流密度為每平方米3000安，僅僅屬于行業(yè)的平均水平。2023年，公司迭代了新一代產(chǎn)品，通過改用高效催化劑電極提升性能，將電流密度提升到每平方米6000安,使得500標(biāo)方電解槽的產(chǎn)氫量提升了1倍?，F(xiàn)下,公司正計劃在明年推出新型隔膜技術(shù)的三代產(chǎn)品，進一步提升產(chǎn)品性能。
當(dāng)氫能源成為我國未來能源結(jié)構(gòu)中不可或缺的一環(huán)時，無論是核心設(shè)備還是關(guān)鍵材料，都需要實現(xiàn)從無到有的突破。
目前水電解制氫有四種技術(shù)：堿性水電解、質(zhì)子交換膜水電解(PEM)、陰離子交換膜(AEM)水電解，以及高溫固體氧化物水電解(SOEC)。這四種技術(shù)在我國都有研發(fā)，以及產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。據(jù)專家介紹，盡管堿性電解槽在技術(shù)上還在“摸著石頭過河”但上游零部件和原材料基本實現(xiàn)了國產(chǎn)可控，且已經(jīng)以低價搶占了不少國際市場的份額。與之相比，另一個已經(jīng)走出實驗室的質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)規(guī)模要小得多，主要原因在于關(guān)鍵材料質(zhì)子交換膜生產(chǎn)技術(shù)被歐美、日本等巨頭壟斷。此外，這種電解槽使用的貴金屬催化劑也存在進口依賴，且價格昂貴。
結(jié)合應(yīng)用場景，闖出綠氫上游發(fā)展新路。
目前，國內(nèi)大型堿性電解槽層出不窮。隆基氫能發(fā)布的單體3000標(biāo)方電解槽是目前國內(nèi)首臺單體大堿性電解槽。
然而，這些大型堿性電解槽基本采用圓型承壓式設(shè)計?！耙驗?國產(chǎn)堿性電解槽是中船718所引入為潛艇使用的。為了提高產(chǎn)氫密度，使用圓型帶壓結(jié)構(gòu)，用螺桿在兩頭夾緊?！备呋鄯寤仡櫦夹g(shù)的發(fā)展歷程時，也對其中遇到的問題直言不諱，“在潛艇里用幾十標(biāo)方的電解槽當(dāng)然沒問題，但如果要做到上千標(biāo)方的電解槽，只是把小電解槽做簡單放大，就會遇到難題。”比如,因尺寸的放大會帶來中間部位重力沉降，由此導(dǎo)致堿液泄漏和設(shè)備失效；以及大尺寸電解槽無法現(xiàn)場維修，維修費用高、周期長難題。
與國內(nèi)堿性電解槽廠商“蕭規(guī)曹隨”式的開發(fā)不同，德國蒂森克虜伯股份有限公司根據(jù)原有的氯堿槽推出了方型堿性電解槽。這種電解槽采用單元化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，多個單元疊加在一起。在高慧峰看來，這種方型電解槽的優(yōu)勢在于“只要地方足夠大，就可以組成巨型產(chǎn)氫設(shè)備”，而且“是插片式的，可以隨時取掉，維修也很方便”。國內(nèi)也有部分廠家做類似技術(shù)的產(chǎn)品研發(fā)，“要敢于打破成規(guī)，闖出發(fā)展新路”。
創(chuàng)新需要時間和資金,高慧峰說:“依托于股東方技術(shù)資源優(yōu)勢，我們目前正在基于市電、光伏和電化學(xué)儲能，全方位搭建500標(biāo)方制氫全場景綜合應(yīng)用示范系統(tǒng)。這是我們進行產(chǎn)品實測和工程化應(yīng)用的重要舉措。我們將與雙方股東共同培育'風(fēng)光發(fā)電+氫儲能+氫輸配’一體化應(yīng)用新模式，將堿性電解槽作為公司未來進入綠氫產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展戰(zhàn)略?！?/span>
包括清耀新能源在內(nèi)，越來越多的氫能企業(yè)清晰地認識到，面對綠氫應(yīng)用場景的多樣化，很難用單一類型的電解槽“包打天下”。大型化的路徑不僅僅是尺寸放大，也可以通過模塊化集成達到同樣的目的。清耀新能源在持續(xù)完善大型堿性電解槽等制氫設(shè)備的同時，已經(jīng)構(gòu)建完成了交通、工業(yè)、儲能和發(fā)電四大領(lǐng)域的解決方案模型，從而贏得了數(shù)個商業(yè)訂單。隨著“雙碳”目標(biāo)推進，未來“綠電+綠氫”有望成為深度脫碳的重要解決方案。
“我們把浦東乃至上海作為企業(yè)的研發(fā)、集成中試的基地，并設(shè)置中央生產(chǎn)制造基地，開展核心技術(shù)的研發(fā)和核心零部件的生產(chǎn)制造。根據(jù)市場的區(qū)域分布，在項目集聚地設(shè)置組裝中心，就近提供成套產(chǎn)品和服務(wù)?！备呋鄯逭f，“我們要用上海的技術(shù)和創(chuàng)新去贏得國內(nèi)外綠氫制備市場，也希望能在上海綠氫應(yīng)用落地項目中獲得更多的機會?！?/span>
從政策上講，浦東需要明確氫能定位、加強頂層設(shè)計，推動風(fēng)電有效消納、綠氫規(guī)?；迫〖皯?yīng)用，探討未來“綠氫高效制、科學(xué)用”的解決方案。此外，還需要推動風(fēng)電與氫電的深度融合，以產(chǎn)業(yè)協(xié)同方式帶動更多終端氫能規(guī)?；瘧?yīng)用發(fā)展,探討上下游企業(yè)更多元化的商業(yè)模式。
文章：浦東科技雜志10期刊
作者：桌爾
清耀（上海）新能源科技有限公司，由上海舜華新能源系統(tǒng)有限公司和林洋創(chuàng)業(yè)投資（上海）有限公司合資成立，公司致力于提供高效智能安全的制氫裝備以及制儲運加整體氫能解決方案，目前可提供1000Nm3/h以下高效堿性電解水制氫裝備、 智能化微型供氫艙、制氫用非標(biāo)壓力容器等設(shè)備，業(yè)務(wù)涵蓋光伏、風(fēng)電、儲能、制氫、加氫、儲氫等多個環(huán)節(jié)和領(lǐng)域，可在新能源相關(guān)領(lǐng)域，為客戶提供高效、清潔、可持續(xù)的能源解決方案能力。
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