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探寻氢能源制备的全球投资机会! 普拉格知多少?

日期:2022-11-01    来源:智通元宇中小市值研究中心

国际氢能网

2022
11/01
13:50
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关键词: 制氢技术 氢能源制备 氢能供应

全球多国不断加强氢能源产业链建设,氢能源具有发展潜力。

自第21 届联合国气候变化大会以来,清洁能源的使用已成全球共识。碳中和成为了全球共识的当下,氢能源具有来源丰富,高热值,综合性能强等特性,是化石能源的理想替代品。全球多国不断加强氢能源产业链建设,氢能源具有发展潜力。

从各制取氢路径的特点来看,传统制氢工业中以煤、天然气等化石能源为原料,制氢过程产生CO2排放,制得氢气中普遍含有硫、磷等危害燃料电池的杂志,对提纯及碳捕获有着较高的要求。焦炉煤气、氯碱尾气等工业副产提纯制氢,能够避免尾气中的氢气浪费,实现氢气的高效利用,但从长远看无法作为大规模集中化氢能供应来源;电解水制氢纯度等级高,杂质气体少,易与可再生能源结合,被认为是未来最有发展潜力的绿色氢能供应方式。

图表1 :主要制氢路径及其优缺点

数据来源:《中国氢能产业发展报告》

1、煤制氢

从供应潜力看,中国当前煤化工行业发展较为成熟,煤制氢产量大且产能分布广,可以基于当前的煤气化炉装置生产氢气,并利用变压吸附(PSA)技术将其提纯到燃料电池用氢要求。煤制氢产能适应性强,可以根据当地氢气消耗量的不同,设置氢气提纯规模并调节产能,在车用氢能产业发展初期对企业整体运营影响较小。传统煤制氢采用固定床、流化床、气流床等工艺,合成气中CO2、CO等体积分数高达45-70%,碳排放较高,不满足低碳化制氢路径,且含有硫化物等腐蚀性气体。

近年来,新型煤气化制氢技术也在不断发展,超临界水煤气化技术利用超临界水(温度≥374℃、压力≥22.1MPa)作为均相反应媒介,具有传统煤气化技术无法比拟的气化效率高、氢气组分高、污染少等优点,但目前尚未产业化。

2、天然气制氢

天然气制氢技术以天然气为主要原料成本,由于中国天然气资源供给有限且含硫量较高,预处理工艺复杂,导致国内天然气制氢的经济性远低于国外。

3、工业副产氢

工业副产氢是指在生产化工产品的同时得到的氢气,主要有焦炉煤气、氯碱化工、轻烃利用(丙烷脱氢、乙烷裂解)、合成氨合成甲醇等工业的副产氢。中国工业副产氢大多数已有下游应用,也存在部分放空。当前工业副产氢基本为各企业自产自用,较难统计,实际可利用情况还需与企业相互协调与平衡。

4、电解水制氢

当前电解水制氢工艺主要有碱性电解,质子交换膜(PEM)电解、固体氧化物(SOEC)电解技术。其中碱性电解水制氢与质子交换膜电解制氢技术相对较为成熟,SOEC电解技术的电耗低于碱性和PEM电解技术,但尚未广泛商业化,国内仅在实验室规模上完成验证示范。由于SOEC电解水制氢需要高温环境,其较为适合产生高温、高压蒸汽的光热发电等系统。

根据《中国氢能产业发展报告2022》,可再生能源电价是绿氢成本的重要组成部分,占比约60-70%,目前可再生能源在全球范围内逐步实现发电平价,未来发展潜力巨大,发电成本的不断降低使得带凝结水制氢逐步具备市场竞争力。此外,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,接近于零成本的弃风弃光量将成为未来电解水制氢的重要电源。

考虑减排效益,结合可再生能源的电解水制氢才符合绿色氢能的发展路径。如果考虑当前中国电力的平均碳强度,电解水制氢的综合碳排放是化石能源制氢过程碳排放的2-3倍;随着可再生能源平价上网,中国电力平均碳排放强度将持续下降。

图表2 :电解水制氢与化石能源制氢的碳排放强度对比

数据来源:《中国氢能产业发展报告》

4.1电解槽具体

图表3 :国内电解水制氢主要技术路线的性能特点对比

数据来源:中国船舶重工集团第七一八研究所,国家能源集团大渡河流域水电开发有限公司,中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司,康明斯(中国)投资有限公司,《中国氢能产业发展报告》

电解槽是电解水制氢系统的核心。电解水制氢系统由电解槽及辅助系统组成,其中电解槽是电解反应发生的主要场所,辅助系统则包括电力转换、水循环、气体分离、气体提纯等模块。

(1).碱性电解槽:结构简单、成本低,单台产氢量高

碱性电解槽主要由电极、隔膜、极板(双极板+极框)、密封垫等零部件组装而成。碱性电解制氢技术以30%wtKOH溶液或者25%wtNaOH溶液作为电解质,阴阳电极采用Ni基材料,隔膜采用石棉布或聚砜等绝缘材料,直流电流密度通常为0.25A/c㎡,工作温度一般维持在80-90℃,工作压力在3.2MPa以内,能耗4.5-5kWh/Nm?H2。碱性电解制氢技术成熟度高,设备制造成本低,单体设备产氢量大,但电流密度低、电解槽体积大,同时启动时间长,与可再生能源电解水适配度较低。

图表4 :碱性电解槽工作原理

资料来源: 《中国制氢技术的发展现状》

(2). PEM电解槽:结构类似燃料电池堆,但材料体系有别,国内技术成熟度低,设备成本高

PEM电解槽的结构类似燃料电池电堆,主要由膜电极(质子交换膜、催化剂、气体扩散层)、双极板构成,但在材料用量和加工工艺两者有所差异。PEM电解槽的电解质为固体质子交换膜,氢气渗透率较低,产生的氢气纯度高,仅需脱除水蒸气,工艺简单,安全性高;采用零间距结构,欧姆电阻较低,显著提高电解过程的整体效率,且体积更为紧凑;压力调控范围大,氢气输出压力可达数兆帕,可以适应快速变化的可再生能源电力输入。

图表5 :PEM电解槽工作原理及结构

资料来源: 《中国制氢技术的发展现状》

4.2绿氢成本是决定电解水制氢市场空间的关键变量

(1). 2022年,电解水设备厂商已披露产能合计约6.5GW

据GGII调研统计,2021年中国电解水制氢设备出货量超过350MW。其中,考克利尔竞立出货量达到160MW排名第一,主要受益于宝丰能源绿氢项目,公司1000标方制氢设备出货量国内领先;按出货量统计的CR3(考克利尔竞立、中船718所、赛克赛斯氢能)大约60%。根据已披露的企业产能情况,主流电解水生产企业2022年的产能合计约6.5GW。

图表6 :部分披露产能的电解水设备厂商

资料来源:公司官网

(2). 绿氢成本的影响因素:电价、工作小时数、设备成本

在目前三种主流制氢技术路径中,电解水制氢的成本最高。以大型绿氢项目应用较多的碱性电解水系统为例,不考虑土建安装、原料水和人工运维,制氢成本=电价×单位电耗+每年设备折旧/每年制氢总量,按照可再生能源电价为0.3元/kwh,碱性电解水制氢系统价格1200万元,每年工作2000小时,测算电解水制氢成本为22元/kg。

图表7 :大型碱性电解水制氢项目电解槽设备价格估算

资料来源:公司公告

图表8 :电解水制氢成本计算

对电解水制氢成本影响较大的变量:电价、设备成本、工作小时。在碱性电解水制氢中,电耗成本占比达70%,最有效的降本路径是可再生能源电价的下降,以及工作小时数提升。在PEM电解水制氢中,设备成本占比达77%,最有效的降本路径是降低设备成本、提高工作小时数。目前,国内尚无PEM电解槽的大型绿氢项目应用,和PEM电解槽成本高昂有较大关系。PEM电解槽设备成本的下降空间可参考燃料电池系统,以亿华通为例,2017年至2021年,燃料电池系统成本从1.44万元/kw降至0.53万元/kw,降幅达到63%。

对电解水制氢成本影响较大的变量:电价、设备成本、工作小时。在碱性电解水制氢中,电耗成本占比达70%,最有效的降本路径是可再生能源电价的下降,以及工作小时数提升。在PEM电解水制氢中,设备成本占比达77%,最有效的降本路径是降低设备成本、提高工作小时数。目前,国内尚无PEM电解槽的大型绿氢项目应用,和PEM电解槽成本高昂有较大关系。PEM电解槽设备成本的下降空间可参考燃料电池系统,以亿华通为例,2017年至2021年,燃料电池系统成本从1.44万元/kw降至0.53万元/kw,降幅达到63%。

5、代表公司——普拉格(PLUG.O)

普拉格(PLUG.O):全球氢燃料电池叉车龙头

普拉格能源目前是全球最大的燃料电池集成商之一,也是全球市值最高的燃料电池公司。公司专注于在全球范围内从事氢燃料电池系统的设计、开发、制造和商业化应用,主要用于工业越野、叉车物料搬运等市场,是燃料电池叉车领域细分龙头。截至 2020 年,公司已经部署了4万套燃料电池系统,并且成为液态氢的最大买家。

深耕于制氢端,大力推动绿氢发展。公司的电解水制氢系统由世界上最有经验的PEM电解团队之一——Giner ELX设计,其拥有超过47年的设计、生产和销售电解槽电堆以及集成产品的经验。GenFuel 电解解决方案简化了电力辅助设施(BOP),降低了电堆和系统成本,处于行业领先地位。

应用场景主要是: 1) 储存剩余电能、太阳能和风能,用于生产氢气供以后使用。 2) 用于工业用户按需制氢,包括电动涡轮冷却,食品厂商的氢化,浮法玻璃 工艺和半导体制造。 3) 为燃料电池公共汽车、汽车、火车、叉车、卡车和其他燃料电池车辆提供加氢服务。 GenFuel电解解决方案简化了电力辅助设施(BOP),降低了电堆和系统成本,处于行业领先地位。PEM 技术使产品在可再生电力转化为氢气时迅速作出反应。

公司认为电解氢是生产可持续能源的关键。公司有一个清晰的绿色氢发展路线图,即未来达到绿氢成本为每公斤 1.5 美元。PEM 电解槽的最新研发进展提高了在能源利用和运行成本方面的效率,使得电解系统与水电、风能和太阳能等动态可再生能源相结合变得更加容易。


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