綠氫制造，誰(shuí)與爭(zhēng)鋒
氫能，仿佛是一支“消碳筆”。從氫能源汽車(chē)到大規(guī)模綠氫制備，氫能近年來(lái)備受關(guān)注,被視為21世紀(jì)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(guò)程，是一個(gè)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(lái)電解的電能是太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能等可再生能源,那么整個(gè)制氫過(guò)程都不會(huì)產(chǎn)生任何碳排放，并將實(shí)現(xiàn)可持續(xù)利用，是氫能產(chǎn)業(yè)中的“路線”。通過(guò)該路線獲得氫氣就是“綠氫”。
中國(guó)已經(jīng)是全球大的氫氣生產(chǎn)和消費(fèi)市場(chǎng)。隨著新能源電力的大規(guī)模發(fā)展，規(guī)?；G氫制備開(kāi)始快速發(fā)展。2022年3月,國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035年)》，提出重點(diǎn)發(fā)展可再生能源制氫，嚴(yán)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(gè)中國(guó)氫產(chǎn)量中幾乎沒(méi)有存在感的電解水制綠氫，快速爆發(fā)，迎來(lái)了一大批新老玩家的加入。
“除了長(zhǎng)江口和東海的海上風(fēng)電可以用來(lái)電解水制綠氫，很難在上海再找到新的制備場(chǎng)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(yàn),也有著很強(qiáng)的科研實(shí)力?！痹谇逡?上海)新能源科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“清耀新能源”)總經(jīng)理高慧峰看來(lái)，面對(duì)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(shí)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(lái)千倍增長(zhǎng)的綠氫產(chǎn)業(yè)，吸引眾多“玩家”。
2019年氫能首次被寫(xiě)入《政府工作報(bào)告》,2020年“雙碳”目標(biāo)提出，使得中國(guó)的氫能產(chǎn)業(yè)不斷升溫。到2021年,中國(guó)年制氫產(chǎn)量約3300萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)32%，成為全球大的制氫國(guó)。然而,在這3300萬(wàn)噸的氫氣里，只有1%是通過(guò)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(guò)管道或罐車(chē)運(yùn)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(guò)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(guò)直接燃燒產(chǎn)生動(dòng)力。此外，氫氣還可用作化學(xué)工業(yè)的原料氣和冶金項(xiàng)目的還原劑。
近年來(lái)，氫能的市場(chǎng)需求持續(xù)增加。預(yù)計(jì)到2030年“碳達(dá)峰”期間，我國(guó)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(guó)氫能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟預(yù)測(cè)，到2060年“碳中和”愿景下，我國(guó)氫氣年需求量有望增至1.3億噸，在終端能源消費(fèi)中的占比約為20%，其中70%為綠氫。這意味著在未來(lái)30多年里，綠氫的產(chǎn)能將出現(xiàn)成百上千倍的增長(zhǎng)。
發(fā)展綠氫產(chǎn)業(yè)，中國(guó)已開(kāi)始布局。
首先進(jìn)場(chǎng)的是國(guó)家隊(duì)。當(dāng)前多家大型能源企業(yè)均有相關(guān)項(xiàng)目布局。比如，2022年中國(guó)石化在新疆庫(kù)車(chē)的光伏制氫項(xiàng)目，用光伏發(fā)電，電解水制取綠氫。項(xiàng)目每年生產(chǎn)的2萬(wàn)噸氫氣，先被存儲(chǔ)在廠區(qū)的儲(chǔ)氫罐里，通過(guò)管道輸送到中國(guó)石化塔河煉化廠，在煉油加工中使用。
不過(guò)，多位受訪者表示,目前綠氫的制取成本相對(duì)較高，并不具備經(jīng)濟(jì)性。綠氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是與高耗能高排放工業(yè)相結(jié)合。業(yè)內(nèi)專(zhuān)家表示：“目前新疆、寧夏、內(nèi)蒙古等地已有多個(gè)綠氫耦合煤化工、合成氨、煉化、氫冶金的技術(shù)示范項(xiàng)目開(kāi)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(duì)波動(dòng)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(wú)疑問(wèn)，綠氫制備將主要集中在可再生能源發(fā)達(dá)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(lèi)似的觀點(diǎn)：“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(duì)接工業(yè)化級(jí)別的用氫需求。無(wú)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(shì)”。
然而，即便如此，上海也已開(kāi)啟綠氫示范應(yīng)用項(xiàng)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(guó)(上海)自由貿(mào)易試驗(yàn)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(lái)海上風(fēng)電項(xiàng)目多功能融合發(fā)展的重要方向之一，鼓勵(lì)臨港新片區(qū)氫能企業(yè)參與海上風(fēng)電項(xiàng)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(jìn)一步推進(jìn)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行動(dòng)方案(2023-2026年)》再次提出實(shí)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(jiǎn)稱(chēng)“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(jiǎn)稱(chēng)“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(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的一家重量級(jí)公司。與林洋能源一樣,隆基綠能、陽(yáng)光電源、明陽(yáng)智能等一批光伏、風(fēng)電的國(guó)內(nèi)龍頭企業(yè)也紛紛進(jìn)入綠氫領(lǐng)域。這也使得整個(gè)綠氫產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出一種萬(wàn)物競(jìng)爭(zhēng)的勃勃生機(jī)。
“這些光伏公司進(jìn)入氫能產(chǎn)業(yè)鏈并不奇怪，甚至可以說(shuō)有很強(qiáng)的內(nèi)在邏輯?！备呋鄯逭f(shuō),無(wú)論是光伏發(fā)電還是風(fēng)力發(fā)電,一直以來(lái)都受到氣候環(huán)境的影響，陽(yáng)光的強(qiáng)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(dòng)性，當(dāng)前可再生能源的發(fā)展已經(jīng)由裝機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向消納驅(qū)動(dòng)，必須要為新能源電力找到多元化的應(yīng)用場(chǎng)景。一個(gè)可行的辦法是將波動(dòng)性很大的可再生能源變成另一種能量?jī)?chǔ)存起來(lái),拓展新的應(yīng)用方式。比起儲(chǔ)能電池、抽水蓄能，氫能無(wú)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(dòng)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(chǎng)天花板之后,如果能耦合綠氫產(chǎn)業(yè),就會(huì)催生出一片新的天地?！?/span>
在“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)背景下，綠氫是必然發(fā)展趨勢(shì)，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(shì)?！备呋鄯逭f(shuō),上海是國(guó)內(nèi)早開(kāi)始發(fā)展氫燃料電池汽車(chē)的城市，“簡(jiǎn)單理解,燃料電池是用氫發(fā)電，只要反過(guò)來(lái)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(zhǎng)時(shí)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(shì)。因此，可以將上海打造成綠氫制備的創(chuàng)新策源地。
事實(shí)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(jiǎn)稱(chēng)“上海舜華”)，早在2004年就已經(jīng)成立。時(shí)任同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院院長(zhǎng)萬(wàn)鋼在上海率先推動(dòng)氫能源汽車(chē)發(fā)展。當(dāng)時(shí)同濟(jì)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(guó)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(guó)內(nèi)早從事加氫站和氫能制儲(chǔ)加核心技術(shù)的專(zhuān)業(yè)化公司?！备呋鄯褰榻B說(shuō)，在氫能產(chǎn)業(yè)熱潮之前，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在制氫裝備領(lǐng)域進(jìn)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(guó)家到上海各種課題，開(kāi)展光伏制氫、加氫、儲(chǔ)氫等方面的研究。2016年之后才開(kāi)始實(shí)施產(chǎn)業(yè)化布局?！钡趪?guó)家2019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(chē)載供氫系統(tǒng)開(kāi)展。“一直到2020年，隨著'雙碳’目標(biāo)的提出，我們正式開(kāi)始進(jìn)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(lái)。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(jìn)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(gè)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(gè)個(gè)小室里，水被電解成了氫氣和氧氣?！备呋鄯逭f(shuō),隨著綠氫產(chǎn)業(yè)的升溫,對(duì)于電解槽的需求正在快速提升中。
清耀新能源這臺(tái)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(duì)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(jì)裝機(jī)量為727MW,占電解槽總裝機(jī)規(guī)模的52%。在國(guó)內(nèi)，有近200家的堿性電解槽生產(chǎn)商，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。
“堿性電解槽行業(yè)，入局容易,做好很難。”高慧峰說(shuō)，“這種電解槽結(jié)構(gòu)上很簡(jiǎn)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(mǎi)回來(lái)，裝配疊加在一起，就能拼接成一個(gè)電解槽。但這些槽的安全性、可靠性、能耗就千差萬(wàn)別了。事實(shí)上，如果沒(méi)有成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和長(zhǎng)時(shí)間對(duì)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(wèn)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(jìn)行維修等。”有專(zhuān)家指出，基于新能源電力的新應(yīng)用和新場(chǎng)景，電解水制氫急需快速的技術(shù)提升和變革。
與國(guó)內(nèi)產(chǎn)品相比，國(guó)外堿性電解槽在隔膜、電極，以及設(shè)計(jì)上，采用了更為先進(jìn)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(jì)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(kāi)發(fā)路徑，讓我們能夠更快地進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)?！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(guò)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(jì)劃在明年推出新型隔膜技術(shù)的三代產(chǎn)品，進(jìn)一步提升產(chǎn)品性能。
當(dāng)氫能源成為我國(guó)未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中不可或缺的一環(huán)時(shí)，無(wú)論是核心設(shè)備還是關(guān)鍵材料，都需要實(shí)現(xiàn)從無(wú)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(guó)都有研發(fā)，以及產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)。據(jù)專(zhuān)家介紹，盡管堿性電解槽在技術(shù)上還在“摸著石頭過(guò)河”但上游零部件和原材料基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)可控，且已經(jīng)以低價(jià)搶占了不少?lài)?guó)際市場(chǎng)的份額。與之相比，另一個(gè)已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽，國(guó)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(jìn)口依賴(lài)，且價(jià)格昂貴。
結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景，闖出綠氫上游發(fā)展新路。
目前，國(guó)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(guó)內(nèi)首臺(tái)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(jì)?！耙?yàn)?國(guó)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(shí)，也對(duì)其中遇到的問(wèn)題直言不諱，“在潛艇里用幾十標(biāo)方的電解槽當(dāng)然沒(méi)問(wèn)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(jiǎn)單放大，就會(huì)遇到難題?！北热?因尺寸的放大會(huì)帶來(lái)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(wú)法現(xiàn)場(chǎng)維修，維修費(fèi)用高、周期長(zhǎng)難題。
與國(guó)內(nèi)堿性電解槽廠商“蕭規(guī)曹隨”式的開(kāi)發(fā)不同，德國(guó)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(jì)結(jié)構(gòu)，多個(gè)單元疊加在一起。在高慧峰看來(lái)，這種方型電解槽的優(yōu)勢(shì)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(shí)取掉，維修也很方便”。國(guó)內(nèi)也有部分廠家做類(lèi)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(shí)間和資金,高慧峰說(shuō):“依托于股東方技術(shù)資源優(yōu)勢(shì)，我們目前正在基于市電、光伏和電化學(xué)儲(chǔ)能，全方位搭建500標(biāo)方制氫全場(chǎng)景綜合應(yīng)用示范系統(tǒng)。這是我們進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)測(cè)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(chǔ)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(lái)進(jìn)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(lái)越多的氫能企業(yè)清晰地認(rèn)識(shí)到，面對(duì)綠氫應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化，很難用單一類(lèi)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(guò)模塊化集成達(dá)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(shí)，已經(jīng)構(gòu)建完成了交通、工業(yè)、儲(chǔ)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(gè)商業(yè)訂單。隨著“雙碳”目標(biāo)推進(jìn)，未來(lái)“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(kāi)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(chǎng)的區(qū)域分布，在項(xiàng)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(shuō)，“我們要用上海的技術(shù)和創(chuàng)新去贏得國(guó)內(nèi)外綠氫制備市場(chǎng)，也希望能在上海綠氫應(yīng)用落地項(xiàng)目中獲得更多的機(jī)會(huì)。”
從政策上講，浦東需要明確氫能定位、加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，推動(dòng)風(fēng)電有效消納、綠氫規(guī)?；迫〖皯?yīng)用，探討未來(lái)“綠氫高效制、科學(xué)用”的解決方案。此外，還需要推動(dòng)風(fēng)電與氫電的深度融合，以產(chǎn)業(yè)協(xié)同方式帶動(dòng)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(chǔ)運(yùn)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(chǔ)能、制氫、加氫、儲(chǔ)氫等多個(gè)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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