作者：鄭賢玲
編輯：李銘沨
全球范圍來看，2021宣布的500個氫項目，相當于潛在直接投資達到1600億美元，這與2020年相比增長了100%。預計在未來十年中全球將有大約總共250GW的電解項目將會逐漸建成。
在這樣的預期下，全球電解槽行業產能迅速擴張，中國短期內生產廠家增加了10-15倍，產能規劃上升約20倍。
不過，科技是一把雙刃劍，它既能創造一個產業，也能毀滅一個產業，目前有多種電解水制氫的方式，已經產業化的也有兩條技術路線，企業和資本在興奮之余也不免有幾分忐忑：堿性和PEM，到底哪條技術路線更容易獲得現實的訂單？哪條路線又能夠走得更遠呢？或者，堿性電解槽和PEM技術路線是否能像各種儲運方式那樣能夠“和睦相處”呢？
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層層遞進的路線之爭，什么電解槽更有前途？
新產業的發展道路上總是充滿迷霧，尤其是面臨兩條或多條技術路線的時候，企業家和投資人需要在各種嘈雜的討論中辨析并選擇自己的路線。
前一段時間是關于鋰電與氫電的爭論，蓬勃發展的鋰電顯然占據了上風，但挺氫派堅持氫在環保和資源上更有優勢。好不容易市場達成了一些共識，認為氫作為能源不僅僅是用于汽車的燃料電池，還有比作為儲能的鋰電具有更廣泛的應用空間。即使在交通運輸領域，燃料電池也能彌補鋰電能量密度不足和低溫性能不好的短板，在商用汽車、船舶、軌道交通領域更有優勢。
接下來是關于氫氣來源的爭論，灰氫、藍氫、綠氫？或是化石能源制氫、工業副產氫、還是綠電制氫？從技術成熟度、獲取方便、制氫成本、環保等各個維度進行比較。
還好，市場在這個問題上分歧并不大，普遍認為綠氫也就是可再生能源制氫是氫能發展的主流方向，其他制氫方式作為補充。氫能十四五規劃明確鼓勵可再生能源制氫和工業副產氫，不鼓勵化石能源制氫。但在示范期間，主要以產業鏈技術驗證為目的，并不需要十分計較氫氣來源，最重要的是獲取方便、成本可控、品質保障。
氫的儲運方式上也有一些爭議，好在大家認同不同氫氣來源、運輸量、和運輸距離等應選擇不同的方式，高壓儲氫、固態儲氫、液態儲氫、管道運輸或是有機液態儲氫各有各的應用場景，彼此沖突似乎不大。
似乎都清晰了：發展氫能將成為實現“碳中和”目標和能源安全的重要手段，可再生能源制氫是主要的氫能來源，多種儲氫方式供選擇，總之，電解槽將迎來巨大的發展機會。但問題又來了，對于綠電制氫的技術路線又產生了爭論。
暫且不討論其他未成熟的技術路線，就目前已經進入產業化的堿性電解槽和PEM電解槽到底哪一條技術路線才是主流？
去年看起來國外以PEM為主，國內以堿槽為主，更多的人認為PEM更能代表未來；今年國外堿性電解槽似乎在增加，而PEM則似乎在減少，甚至有人說國外企業正"跑步進入堿性電解槽”，更重要的是，國內影響力巨大的新疆庫車項目52臺電解槽全部選用堿性技術路線，而且，最近國內進入電解槽的企業達到150家左右，其中超過100家的方向都是堿性電解槽。
于是市場開始出現否定PEM技術路線的聲音，認為PEM太貴，PK不過堿性電解槽，沒有前途。但這似乎是出于成本的考量，而從技術的角度來看，選擇PEM制氫的企業認為他們的路線更有前途。
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目前，世界上中國主導的堿性電解槽單槽規模在1-6.5MW（中國的主導產品是5MW），而PEM電解槽的單槽規模在0.25-2.5MW（國外主導產品2.5MW)。
不過，這樣漫長的時間培育出來的產業卻依然還是一個小產業，到2018年前，全球電解槽的出貨量總共也只有135MW，相當于27臺1000Nm3/h的電解槽。
根據倫敦帝國理工學院研究人員統計，到2014 年，全球堿性電解槽的累計出貨量為19.84GW，彭博社估計到2017年累計出貨約20GW，根據項目跟蹤統計預計2018-2023年將再出貨3.81GW，到2023年累計出貨量為23.81GW。而到2017年，全球PEM電解槽累計出貨量約為30MW，預計2018-2023 年期間出貨量為1.31GW，到2023年總計1.34GW。
而在近百年的發展歷史中，電解槽主要是穩定的電源來制取氫氣，更多的氫氣應用于必不可少的工業原理或還原劑，這些經驗不足以解決可再生能源的間歇性問題，行業發展面臨前所未有的技術難題。面對新的應用條件，傳統的電解槽技術并不老道，或者說還處于示范初期階段。
盡管到2021年全球電解槽出貨量共計458MW，其中大部分用于示范性綠氫項目，相比2018年量復合增長率達到50%，但在這些示范項目中還沒有足夠的數據來驗證堿性電解槽和PEM電解槽實際運行的效率和壽命。
目前，國內綠氫項目進入運行期的案例還非常少，寶豐能源投資建設的“國家級太陽能電解水制氫綜合示范項目”已經在寧夏寧東能源化工基地正式投產。該項目可年產2.4億標方綠氫和1.2億標方綠氧，通過太陽能生產綠色電能，再用綠色電能作為動力，通過電解水制取出“綠氫”和“綠氧”，但目前還沒有公開的運行數據。
顯然，這個時候得出堿性或PEM哪條路線是長期趨勢結論還為時過早。
3電解（electrolysis）一詞的后綴lysis是“分離”或“破裂”，即通過電分解的過程，當直流電通過電解槽時，在陽極與溶液界面處發生氧化反應，在陰極與溶液界面處發生還原反應，產生氫氣和氧氣。
目前，堿性和PEM是世界上僅有的兩種已經形成產業化的電解槽，它們所用的催化劑、電解質和結構都不一樣。
電解質是一種含有離子的導電介質，堿性電解槽電解質是含有30%氫氧化鉀的堿性溶液；而在PEM電解中，電解質則是由固體聚合物制成的質子交換膜。堿性電極材料主要包括鎳或鎳鋁合金涂層鋼，在堿性電解液中進行堿性電解；PEM電解槽則是用銥或鉑涂層鋼/鈦，在酸性環境中進行PEM電解。
19世紀初期，電解水技術來自于航天科技，最早是為了生產航空燃料，因為航空基地很偏遠，需要氫氣，而又不能從遠處運輸過去，因保密的需要也不能在當地建化工廠，所以需要就地解決氫的來源。
而在我國，上世紀60-70年代中船718所在進口電解槽的基礎上研究出中壓電解槽，當時的應用是為核潛艇員提供需要呼吸的氧氣，此后氫氣作為還原劑或原料在浮法玻璃、電子行業、鋼鐵行業等領域應用，電解槽從軍工領域進入工業領域。
PEM電解槽是與燃料電池的逆反應。上世紀60年代燃料電池開始在航天器上應用，最早GE公司推出用在宇宙飛船的備用系統，1962年杜邦公司改良了質子膜，在此基礎上于80年代推出民用氫氣發生器。
也就是說，堿性電解槽的出現最初是基于電解水制氧，然后在工業氫氣中應用；而PEM電解槽的出現的背景則是基于氫氣作為動力的大背景，其研究重點就落在了能量利用率、對可再生能源波動的適應性、電解槽氫氣輸出壓力等指標上。
但現實中，堿性電解槽已經處于規模化，而且經歷了輸出壓力、電解槽功率、隔膜材料等多方面的升級來提升效率和改善工作環境的適應性，而PEM則還處于性能和使用壽命被驗證和改善的階段。
所以，從把水變成氫的成熟度來看，堿性電解槽已經很成熟，PEM還處于成長階段；但從工作原理上看，PEM電解槽更適應可再生能源不穩定的工作狀態，所以，很大程度上取決于項目方想要達到什么目的。
目前，世界上主要的電解槽制造商分布在歐洲、美國和中國，其中，歐美國家以PEM為主，代表企業有西門子、康明斯、ITW Power、NEL、普拉格等；而中國以堿性為主，代表企業有考克利爾競立、派瑞氫能、天津大陸、隆基綠能等。
原本以為歐美發達國家的技術更能代表行業發展的趨勢，而且國內中國石化、國電投、派瑞氫能、陽光電源等企業都投資于PEM，但近期蒂森克虜伯和NEL都擴大了在堿性電解槽的產能。
NEL幾乎是目前唯一一家可以從上市公司報表上看到產品結構變化的企業，今年1-9月份的銷售數據顯示：前三季度，NEL堿性電解槽營業收入同比大幅增長702.64%，而PEM則同比下降了3.91%，難怪業內有人形容國外企業”跑步進入堿性電解槽“了。
不過，荷蘭氫和燃料電池聯合計劃項目研究員王戶貴說：”PEM電解槽是針對能源目標來設計的，而堿性電解最初的目標是制氧制氯，我和歐洲企業對兩條技術路線都是支持的。“
不過對于目前市場的變化，王戶貴研究員認為個別企業的收入結構變化不能代表行業趨勢。
他說，雖然NEL的發展歷史可以追溯到1927年，而且2017年成為上市公司，目前訂單顯示公司處于快速增長，但NEL依然是一家規模不大的企業，目前大約600名員工，到2021年公司營業收入也只有7.98億挪威克朗，相當于5.59億人民幣，目前公司依然處于求生存的階段，還沒有能力引領行業，所以，他們今年堿性槽的大幅增加不能代表行業趨勢。
至于歐洲老牌工業企業蒂森克虜伯，王戶貴研究員認為這家服務于傳統鋼鐵和汽車行業的工業企業同樣處于求生存的狀態，過去十多年公司營業收入處于下降趨勢，而且大部分時間處于虧損或微利，也不能代表歐洲先進的科技發展方向。而影響德國經濟30%的西門子則愿意投入更多未來產業的研究，他們的選擇也更能代表電解槽發展方向。他認為，西門子大概率不會選擇堿性電解槽。
4成本與效率永遠都是工業產品追求的目標。對于電解槽來說，降低成本可以減少客戶的設備采購成本，但提升效率則可以在運行過程中創造更多的價值。
中國在堿性電解槽的成本上具有絕對的優勢，堿性電解系統的價格一般只有歐美國家同類型項目的25%，PEM電解系統的成本比歐美的堿性電解系統高約15%。
到2021年，10MW堿性電解系統在中國的成本可能約為 300 美元/kW，國內PEM成本大約為堿性電解槽的4-5倍；而歐美國家的相同系統至少為1,200美元/kW，PEM制電解槽大約1400美元/kW。
不過，由于中國堿性電解槽比較成熟，而且越來越大型化的電解槽很難做到自動化流水線作業，而PEM電解槽伴隨著技術進步與規模化產，到2030年后與堿性電解槽差距大幅縮小。
從國內外電解槽制造商出貨情況來看，堿性電解槽單槽功率最高（考克利爾競立）已經達到6.5MW，主流產品2.5-5MW，PEM電解槽單槽功率最高（康明斯、ITM Power)2.5MW，主流產品0.73-2.5MW。
彭博咨詢對國內外代表企業進行調研，堿性電解槽能量轉換率在79%-83%，而PEM的轉換率在79%-89%。不過這一數據應該是科研數據，國內電解槽企業反映，正常情況下，堿性電解槽的效率在70%，PEM效率在80-85%。而荷蘭氫和燃料電池聯合計劃項目研究員王戶貴說，堿性電解槽的效率最高62%，PEM的運行效率在60-100%之間。
數據來源：彭博社
從氫氣輸出壓力來看，堿性電解槽最高3MPa，其中中國企業大部分1.6MPa，歐洲企業主要是3MPa，PEM電解槽輸出壓力最高4MPa；堿性電解槽使用壽命達到100000小時（超過10年），目前，國外企業PEM的使用壽命也在努力達到這一目標，康明斯、西門子達到8萬小時，相當于9年，而國內已經實現PEM電解槽產業化的賽克賽斯，產品使用壽命達到12萬小時，相當于13.7年；從單位產氫量耗電指標來看，堿性電解槽過去大約在5度/Nm3，近期主要企業的數據為4.3-4.5度/Nm3，PEM的耗電在4.0-4.5度/Nm3。
數據來源：產業觀察者
盡管堿性電解槽一次性采購成本低于PEM電解槽，電解槽在整個可再生能源制氫中的比例依然不高，對于用戶來說，效率還是最重要的指標。荷蘭氫和燃料電池聯合計劃項目研究員王戶貴說：”考慮電解槽全生命周期的效率，同樣的生命周期和同樣的資金投入，PEM比堿性電解槽的產出多出30%。“
當然，我想這一效率比較應該是基于歐洲基礎數據的預算，在中國，一個比較現實的預算就是PEM制氫多出的產量彌補設備采購多出的成本，按照目前的35元/kg氫氣價格，預計PEM設備運行三年可以彌補與堿性電解槽采購的價差。
5比較容易理解的是在燃料電池汽車示范期，氫氣來源更多是工業副產品或化石能源制氫，但進入工業化后，綠電制綠氫就會成為主要來源。
示范期我國大部分燃料電池汽車采用的是35MPa的三型瓶，儲運方式主要以技術相對成熟的高壓儲氫為主，因為這一時期最主要的目標是要讓車輛跑起來，驗證燃料電池的性能，而且一次性采購成本也相對比較低。
但與此同時一定要為規模化發展做準備，考慮進入市場化后的汽車性能和運行成本，就要研究和驗證70MPa的三型瓶和四型瓶，還要探索不同應用場景下安全、經濟的運輸方式，包括固態儲氫、液態儲氫、管道輸氫和有機化合物輸氫等。
同樣，目前對于綠電制綠氫很多都還是小規模的示范項目，花不多的錢讓設備運轉起來是非常現實的需求，如果要進入工業化大生產，則必須考慮價值空間最大的生產方式。
王戶貴研究員列舉了歐洲工程方案決策的模式：通過數字化分析，對設備進行評分。
一般將項目的預算以橫坐標三個階段：前期、中期和后期，縱坐標打分。時間上的前、中、后，以權重的數值體現，三階段總和為100/100。歐盟的科研和美國的Nasa都是采用類似這樣的模型對項目進行數字化分析。
前期規劃主要考慮研發風險，成熟產品風險肯定低于研發中的產品。王戶貴研究員說，從設計上講，大小決定了啟動響應時間，堿性電解槽和PEM電解槽兩者無大差異，幾何和理化設計決定響應速度的快慢。
中期生產是制造過程的合理性和可實現性，顯然，這一項通常也是成熟產品更具有優勢，不過如果要規模化生存就必須考慮實現的路徑，包括生產方式和供應鏈。
后期是設備的運行和維護，前面兩個階段都是手段，這一階段則是目的，包括了產品全生命周期的能源轉換和經濟效率，穩定電源下堿性分值比較高，波動電源下PEM分值比較高，即使是光伏和風能，可能也是光伏與堿性匹配的分值高于PEM，而風電與PEM匹配的分值高于堿性。
而且，后期的分值還包括了社會、企業和環境各層面的利益，即經濟效應和社會效應。
原文始發于微信公眾號（產業觀察者）：產業觀察 | 堿性&PEM，是技術路線之爭還是成本之爭？
