文｜鐘財富

可再生能源電力制氫，是指利用風(fēng)電、光伏等可再生能源電力進(jìn)行電解水制氫，與當(dāng)前絕對主導(dǎo)的且會產(chǎn)生大量碳排放的煤制氫、天然氣制氫等化石能源制氫方式相比，可再生能源制氫過程中不產(chǎn)生碳排放，屬于完全綠色的制氫方式。因此，國際上也將可再生能源制氫稱之為綠氫。發(fā)展綠氫，是通過氫能支撐碳中和目標(biāo)的根本。

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）》（以下簡稱《規(guī)劃》），明確了我國氫能戰(zhàn)略定位、總體要求和發(fā)展目標(biāo)，從國家層面對氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了頂層設(shè)計。《規(guī)劃》提出了要走清潔低碳的發(fā)展路線，未來重點發(fā)展可再生能源制氫。雖然當(dāng)前綠氫在經(jīng)濟(jì)性上仍存在“瓶頸”，但產(chǎn)業(yè)有望在《規(guī)劃》指引和政策支持下逐漸實現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展。

綠氫將是實現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略的重要支撐

從世界上主要國家發(fā)布的碳中和戰(zhàn)略或氫能戰(zhàn)略規(guī)劃來看，發(fā)展光伏、風(fēng)電制氫為主的綠氫是這些國家實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要支撐。德國和歐盟委員會分別于2020年6月和7月相繼通過了德國和歐盟的氫能戰(zhàn)略。德國和歐盟的氫能戰(zhàn)略總體上一脈相承，戰(zhàn)略中提到發(fā)展氫能是支持歐盟和德國2050年實現(xiàn)碳中和的必要條件，特別是綠氫將彌補可再生能源的不足，對化石能源生產(chǎn)氫氣的設(shè)施進(jìn)行碳捕集、利用和封存改造，實現(xiàn)“藍(lán)氫”制取的方式將作為近中期的過渡方案。歐盟戰(zhàn)略中提出到2024年要安裝6GW的電解設(shè)施生產(chǎn)100萬噸綠氫，到2030年安裝40GW的電解設(shè)施生產(chǎn)1000萬噸綠氫，到2050年實現(xiàn)所有氫都來自綠氫，并且25%的可再生能源電力用于電解制氫?？紤]到目前歐洲電解設(shè)施年生產(chǎn)能力遠(yuǎn)低于1GW，要達(dá)成這一目標(biāo)需要大幅提升設(shè)備生產(chǎn)能力或加大進(jìn)口規(guī)模。

歐盟戰(zhàn)略預(yù)計到2030年將需要投入240億～420億歐元，到本世紀(jì)中葉將需要投入1800億～4700億歐元。法國作為歐盟雙龍頭之一，在德國之后也于2021年初成立國家氫能委員會，在繼承了歐盟氫能戰(zhàn)略的核心的同時制定了《國家氫能戰(zhàn)略》；法國計劃安裝建設(shè)大規(guī)模的水電解制氫裝置，到2030年擁有6.5GW的電解槽產(chǎn)能，可生產(chǎn)綠氫60萬噸，同時在交通領(lǐng)域推廣氫燃料電池車，并力爭到2028年建成400到1000座加氫站。英國政府也于2021年8月發(fā)布了其首個氫戰(zhàn)略。根據(jù)該戰(zhàn)略，到2030年實現(xiàn)5GW低碳?xì)涞纳a(chǎn)能力，氫將在英國化工、煉油廠、電力和重型運輸?shù)雀呶廴?、能源密集型行業(yè)脫碳方面發(fā)揮重要作用；2050年，英國20%～35%的能源消耗將以氫為基礎(chǔ)，最終為英國到2035年減少78%的碳排放和2050年實現(xiàn)凈零排放目標(biāo)做出重要貢獻(xiàn)。

歐盟之外，美國在拜登政府上臺后，更加重視新能源的發(fā)展，包括氫能。2021年6月美國宣布“氫能源地球計劃”，提出在10年內(nèi)實現(xiàn)綠氫成本降低80%的目標(biāo)，由目前每千克5美元降至每千克1美元。韓國政府在2021年10月發(fā)布發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的“氫能領(lǐng)先國家愿景”，力爭到2030年構(gòu)建產(chǎn)能達(dá)100萬噸的清潔氫能生產(chǎn)體系，并將清潔氫能比重提升至50%；2021年12月又發(fā)布了韓國首個《氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展基本規(guī)劃》，其中提出，到2050年韓國氫能將占終端能源消費總量的33%，占發(fā)電量的23.8%，成為超過石油的最大能源，并且到2050年氫將完全來自綠氫和藍(lán)氫等“清潔氫”。

我國政府已經(jīng)提出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)，大規(guī)模利用綠氫也將是我國實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要方式。根據(jù)《規(guī)劃》，到2025年，我國可再生能源制氫量將達(dá)到10萬～20萬噸/年，2030年形成較為完備的氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系、清潔能源制氫及供應(yīng)體系，到2035年形成氫能多元應(yīng)用生態(tài)，可再生能源制氫在終端能源消費中的比例明顯提升。在交通、工業(yè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)深度碳減排，綠氫的作用將不可或缺。此外，在綠氫的生產(chǎn)過程中，通過電解裝置與可再生能源發(fā)電的耦合，制氫可以平抑新能源發(fā)電的波動性，提高新能源發(fā)電質(zhì)量，通過制氫和氫儲能還可以提高電網(wǎng)跨月跨季度的調(diào)節(jié)性，保障電網(wǎng)運行安全。因此，綠氫在我國構(gòu)建新型電力系統(tǒng)中也將發(fā)揮重要作用。

綠氫項目開發(fā)加速

從全球來看，近年來，綠氫項目數(shù)量快速增長。根據(jù)國際能源署（IEA）的數(shù)據(jù)，截至2021年，全球在建的制氫項目有近400個，且在建的電解制氫項目規(guī)模增長顯著。2010年前后的多數(shù)電解制氫項目規(guī)模低于0.5MW，而 2017-2019 年的項目規(guī)模提高到了1～5MW級別；日本2020年投產(chǎn)了10MW規(guī)模的項目。歐洲燃料電池和氫能聯(lián)合組織資助的德國科隆市REFHYNE項目2021年投運，成為歐洲最大的質(zhì)子膜交換電解（PEM）制氫項目，其電解槽的峰值容量為10MW，總耗資約2000萬歐元，每年可生產(chǎn)約1300噸氫氣。REFHYNE項目將在德國威瑟林的殼牌萊茵煉油廠使用可再生電力生產(chǎn)綠氫。

世界上主要國家發(fā)布的碳中和戰(zhàn)略或氫能戰(zhàn)略規(guī)劃中的綠氫項目規(guī)模更是呈爆發(fā)式增長。隨著太陽能、風(fēng)能等可再生能源成本的下降，以及電解槽的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)顯現(xiàn)，到2030年，綠氫將在成本上更具競爭力，市場認(rèn)可度有望不斷提升。預(yù)計到2030年，制氫項目有望生產(chǎn)1700萬噸低碳?xì)?，其?00萬噸來自電解制氫，900萬噸來自化石燃料配合CCS技術(shù)的“藍(lán)氫”。規(guī)劃項目主要分布在亞太、中東和歐洲地區(qū)，其中亞太地區(qū)增長最為顯著。2021年以來，全球幾個大型的GW級制氫項目規(guī)劃均位于該地區(qū)。2021年6月，哈薩克斯坦公布了裝機(jī)30GW的綠氫項目，該項目位于哈薩克斯坦西部和中部的大草原，計劃由德國可再生能源開發(fā)商和哈薩克斯坦投資促進(jìn)署合作開發(fā)，由45GW的風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)、30GW電解槽裝置構(gòu)成，預(yù)計每年約生產(chǎn)300萬噸綠氫，該項目預(yù)計將在2024-2027年間做出最終投資決定。2021年7月，澳大利亞西澳大利亞州宣布將投建裝機(jī)28GW的西部綠色能源中心項目，包括50GW的風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)，預(yù)計每年可生產(chǎn)350萬噸綠氫以及2000萬噸綠氨，預(yù)計2028年做出最終投資決定，最早在2030年初實現(xiàn)首階段投產(chǎn)。盡管上述項目規(guī)劃規(guī)模龐大，但是大多數(shù)GW級或更大商業(yè)規(guī)模的制氫項目，將在2025年或之后才將開始實施建設(shè)。

目前，我國綠氫項目建設(shè)也逐漸進(jìn)入快軌。2020年以來，包括隆基股份、陽光電源、晶科能源等新能源制造企業(yè)紛紛宣布入局綠氫領(lǐng)域，中石油、中石化、國電投、華能集團(tuán)等國內(nèi)大型能源企業(yè)也紛紛布局綠氫項目。綠氫項目規(guī)模也大幅提高。國內(nèi)首個綠氫項目是河北沽源風(fēng)電制氫項目，2017年項目開始建設(shè)，規(guī)劃建設(shè)容量為10MW電解水制氫系統(tǒng)及氫氣綜合利用系統(tǒng)。中國寧夏寶豐能源集團(tuán)股份有限公司實施的太陽能電解水制氫綜合示范項目已于2021年4月正式投產(chǎn)，其電解槽規(guī)模達(dá)到100MW（產(chǎn)能為每小時近2噸），為已知全球單廠規(guī)模最大、單臺產(chǎn)能最大的電解水制氫項目。2021年11月，中國石化宣布啟動建設(shè)我國首個萬噸級光伏綠氫示范項目，即中國石化新疆庫車綠氫示范項目，項目包括光伏發(fā)電、輸變電、電解水制氫、儲氫、輸氫五大部分，投資近30億元，項目將新建裝機(jī)容量300MW光伏電站，年產(chǎn)能2萬噸的電解水制氫廠，儲氫規(guī)模為約19噸氫的儲氫球罐，輸氫能力為約每小時2.5噸的輸氫管線及配套輸變電等設(shè)施。項目預(yù)計于2023年6月建成投產(chǎn)，生產(chǎn)的綠氫將供應(yīng)中國石化塔河煉化公司，以替代現(xiàn)有的天然氣制氫。

電解制氫裝備技術(shù)迭代加快

當(dāng)前電解制氫主要包括堿性電解槽制氫和質(zhì)子交換膜（PEM）電解制氫兩種技術(shù)。為了降低電解槽成本，不管是價格較低的堿性電解槽還是成本更高的PEM電解槽，提高單槽規(guī)模均為發(fā)展趨勢。中國在堿性電解槽制氫產(chǎn)業(yè)上具有較大的優(yōu)勢，堿性電解槽電解制氫設(shè)備的最大產(chǎn)氫量已經(jīng)達(dá)到每小時1000標(biāo)準(zhǔn)立方米甚至更高。比如，2021年，中國華能集團(tuán)等多家企業(yè)聯(lián)合研制的世界單槽產(chǎn)能最大的堿性制氫水電解槽在蘇州下線，它可以每小時制氫1300標(biāo)準(zhǔn)立方米，最多達(dá)1500標(biāo)準(zhǔn)立方米。該設(shè)備以較小的體積實現(xiàn)較大的功率，單位設(shè)備投資明顯減少，直流能耗低于標(biāo)準(zhǔn)立方米氫氣4.2千瓦時，顯著優(yōu)于國家大型電解槽的一級能效標(biāo)準(zhǔn)。

PEM制氫，雖然成本更高，但是運行更加靈活、更適合可再生能源的波動性，因此許多新建項目開始選擇PEM電解槽技術(shù)。過去數(shù)年，美國、歐盟、日本等國的企業(yè)推出了一系列PEM電解水制氫產(chǎn)品，Proton-Onsite、Hydrogenics、西門子股份公司等相繼將PEM電解槽規(guī)格規(guī)模提高到兆瓦級。其中，Proton-Onsite公司的PEM電解制氫裝置的部署量超過2000套（分布于72個國家和地區(qū)），擁有全球PEM水電解制氫70%的市場份額，具備集成10 MW以上制氫系統(tǒng)的能力；Giner公司單個PEM電解槽規(guī)格達(dá)5MW。PEM電解制氫的“瓶頸”環(huán)節(jié)在于成本和壽命，降低PEM 電解槽成本的研究集中在以催化劑、PEM 為基礎(chǔ)材料的膜電極以及氣體擴(kuò)散層、雙極板等核心組件上。我國在PEM電解槽技術(shù)上還處于追趕狀態(tài)，國內(nèi)由陽光電源于2021年3月發(fā)布了最大功率250kW的PEM制氫電解槽。

綠氫發(fā)展還將面臨多重困難

雖然綠氫產(chǎn)業(yè)前景美好，電解制氫項目的經(jīng)濟(jì)性仍然是阻礙上述規(guī)劃能否實現(xiàn)的關(guān)鍵。當(dāng)前大多數(shù)制氫項目在沒有補貼的情況下，是很難實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的。短期內(nèi)要實現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展還需要突破多重“瓶頸”。

首先，在較長時期內(nèi)，綠氫的生產(chǎn)成本仍遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的煤制氫或者工業(yè)副產(chǎn)氫的成本。綠氫生產(chǎn)成本主要由發(fā)電成本和制氫設(shè)備折舊兩部分組成。國內(nèi)新能源電力剛實現(xiàn)和煤電價格齊平，全國的平均成本在0.35元/kWh左右，考慮到新能源電力較大的波動性，會降低制氫設(shè)備利用率，國內(nèi)大部分地區(qū)新能源制氫成本仍在25元/kg以上，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方式10元/kg的制氫成本。要實現(xiàn)綠氫整體成本快速下降，還需要電解槽等核心設(shè)備的成本以及風(fēng)電、光伏等綠色電力成本實現(xiàn)較大幅度的下降。預(yù)計到2030年后，我國平均新能源度電成本降低0.2元/kWh左右，同時考慮電解效率提升，制氫成本相應(yīng)可降至15元/kg以下。如果考慮碳排放成本，屆時國內(nèi)新能源電力制氫方式將和煤制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫的成本基本相當(dāng)。

其次，高昂的儲運成本抵消了部分地區(qū)制氫成本低的優(yōu)勢。我國西部光照資源最優(yōu)異的地區(qū)光伏發(fā)電成本最低不到0.2元/kWh，風(fēng)能資源最優(yōu)地區(qū)風(fēng)電成本甚至接近0.1元/kWh，這些地區(qū)綠氫成本最低能降低到10-15元/kg。但風(fēng)光資源優(yōu)異地區(qū)一般較為偏遠(yuǎn)，當(dāng)?shù)貙G氫需求量很小，距離用氫量大的地區(qū)普遍較遠(yuǎn)。而當(dāng)前氫氣儲運成本較高，隨著運輸距離增大，成本直線提高。經(jīng)濟(jì)可行的氫氣運輸半徑只有一兩百公里，長距離運輸后制氫成本低的優(yōu)勢將蕩然無存。

最后，電解槽技術(shù)經(jīng)濟(jì)性仍有待提升。堿性電解水技術(shù)雖然成本較低、技術(shù)成熟，但是在適應(yīng)新能源發(fā)電的波動性上有所不足。而與新能源波動性特征匹配良好的PEM電解槽，技術(shù)成熟度仍有待提高；國內(nèi)PEM電解制氫技術(shù)和國際先進(jìn)水平相比也還存在較大差距。

穩(wěn)步有序推進(jìn)我國綠氫產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展

要實現(xiàn)綠氫規(guī)?；l(fā)展，仍需要較長時間苦練內(nèi)功。首先，短期內(nèi)單純的綠氫項目還難以實現(xiàn)盈利，仍需要給予相關(guān)政策支持。一方面，可在生產(chǎn)端降低綠氫成本，對電解制氫項目給予電價支持，研究出臺綠氫生產(chǎn)的專用電價，允許可再生能源電力直接交易并給予過網(wǎng)費優(yōu)惠；鼓勵發(fā)展配置一定比例制氫裝置的可再生能源項目等。另一方面，在消費端，有條件的地區(qū)可對綠氫消費進(jìn)行一定程度的補貼，鼓勵綠氫消費。

其次，推動企業(yè)積極開展項目示范，探索可行的商業(yè)模式，降低制氫成本。比如，開展風(fēng)光互補制氫，或者“新能源電力+谷電制氫”等多種模式，在不增加用電成本的同時提高制氫設(shè)備的利用率，從而降低制氫的成本。在滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的條件下，鼓勵發(fā)展加氫站內(nèi)電解制氫。

最后，推動制氫以及儲運裝備技術(shù)進(jìn)步和成本下降。政府可通過補貼或項目審批等方面引導(dǎo)和扶持企業(yè)、科研院所開展制氫、氫氣儲運等重點環(huán)節(jié)核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的開發(fā)，通過技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模化效應(yīng)不斷降低制氫設(shè)備以及儲運裝備成本，為綠色制氫產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)規(guī)模推廣打好基礎(chǔ)。