技術專題 | 綠氫制備技術和發展分析

近年來，在“雙碳”目標的引領下，人們的能源生產和消費體系朝著綠色和低碳轉型的進程日益提速。長期以來氫氣作為化工原料在石油石化、鋼鐵冶煉、電力生產等行業中廣泛應用；另一方面由于其具備來源豐富，在使用和能量轉化過程無碳排放的特點，在國家《氫能產業發展和中長期規劃（2021-2035）》中明確定義了氫的能源屬性，將氫確定為交通和工業用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體。

基于國家氫能產業發展中長期規劃，未勢能源相信，在交通和工業等終端用能領域在能源消費轉型的過程中，對氫能的需求會顯著增長。

為了解綠氫制備的必要性，首先介紹氫氣的分類以及綠氫的概念。國際上按照氫氣生產方法不同，把氫氣按照顏色區分為八大不同分類（含綠氫、藍氫、灰/黑氫、棕氫、藍綠氫、黃氫、紫/粉/紅氫和白氫，詳見下圖1）。目前在氫能行業廣泛應用的為灰氫、藍氫和綠氫三種。灰氫是指通過化石燃料（天然氣，煤等）轉化反應制取氫氣，因為生產成本低，技術成熟，是目前最常見的制氫方式，由于在制氫過程中釋放一定量的二氧化碳，不能完全實現無碳綠色生產，故而被稱為灰氫；藍氫是在灰氫的基礎上應用碳捕捉、碳封存等技術將碳保留下來，避免排放入大氣，作為過渡性技術手段，可以加快綠氫社會的發展；綠氫是指通過光電、風電等可再生能源電解水制氫，制氫過程不會產生溫室氣體，也被稱為“零碳氣體”。綠氫是氫能利用最理想的形態，是未來氫能發展的主要方向。

除了按照顏色劃分氫氣種類之外，國內氫能聯盟通過標準量化形式定義的低碳氫、清潔氫、和可再生氫的評價方法。標準T/CAB 0078-2020 (低碳氫、清潔氫與可再生氫的標準與評價) 從生產單位質量氫氣產生的碳排放量和是否消耗可再生能源兩個指標維度對氫氣進行分類評價。

除了上述國內綠氫認證的標準外，國外也發展了類似的認證評價體系。如歐盟于2021年1月頒布可再生能源指令（Renewable Energy Directive (RED) II），制定了歐盟可再生能源生產和推廣的總體政策。

國內外制定標準進行綠氫認證的目的是為了從政策層面鼓勵并促進綠氫行業的發展，以滿足市場、交易的需求，從源頭出發推動氫能全產業鏈的綠色發展。

基于對綠氫行業發展的長期關注，未勢能源認為，在國內大力發展綠氫的必要性主要體現在以下幾方面：

1、中國政府在簽署《巴黎協定》時承諾的“雙碳”目標對排放標準和能源使用效率提出了更嚴苛的要求；

2、從成本層面，隨著行業的持續發展和技術迭代，并且得益于規模化發展的優勢，中國綠氫生產成本持續降低；

3、作為儲能手段，氫能在太陽能和風能電力消納和“削峰填谷“具備大規模，長周期和低成本優勢。

實際來看，綠氫制備的技術綠線有多種，包括堿性水電解技術（ALK）、陽離子交換膜水電解技術(PEM)、固體氧化物水電解技術(SOEC)、陰離子交換膜電解水技術（AEM），以及光化學水解、熱化學水解、生物質重整、微生物電解槽在內的一系列制氫技術。針對ALK、 PEM、SOEC、 AEM具體介紹如下：

堿性水電解（ALK）技術是最為成熟的電解水技術，目前在市場商業化運行裝置中占據主導地位，特別是單槽容量5MW~7MW級別的項目。ALK采用KOH水溶液作為電解質，石棉作為隔膜。在堿性環境下電解可以適用非貴金屬催化劑（如Ni, Co, Mn）。由于避免了貴重催化劑的使用，具有成本低、容易商業化推廣等優勢。但是ALK本身具有啟動速度慢、無法快速變載等原因，與上游可再生能源發電的適配性受到制約。

PEM水電解槽采用陽離子（質子）交換膜Proton Exchange Membrane 作為電解質，隔絕陰極和陽極的氣體滲透，并且以純水為反應物，生產的H2純度較高（>99.99%）。電解槽采用零間距結構，減少了電解損失，提高電解槽的整體效率。同時PEM電解槽具有比ALK更高的電流密度，簡化的BOP系統，而使同等制氫產量條件下電解槽系統整體結構更為緊湊，占地面積小。PEM電解槽更為顯著的特點是能夠適應快速變化的電源輸入波動，因而被視為未來耦合綠電最有發展前景的電解水制氫技術。但是由于PEM電解槽的雙極板需要采用能夠耐受腐蝕酸性環境的Ti, Pt金屬制造、催化劑采用Pt、Ir-Ru等貴重金屬導致PEM電解槽的成本較高。隨著未來規模化的應用，成本的問題有望得到解決。

固體氧化物（SOEC）電解槽在高溫（700~850degC）條件下運行，適合于工業生產中高品質余熱的條件下使用，電解槽進料為高溫水蒸氣。如果添加CO2后，可以生產合成氣（CO, H2混合物）。SOEC在高溫條件下優良的反應動力學優勢使其可以使用廉價的Ni電極從而降低成本。SOEC另一個優勢是水電解和燃料電池發電過程可逆。因此SOEC被歐美列為重點發展的電解水制氫技術之一。其中固體氧化物的性能提升，耐久性改進，和降低操作溫度是該技術研發的重點方向。

AEM是較為新興的電解水制氫技術，尚處于研發階段。備受關注的原因是其采用陰離子交換膜作為電解質，將ALK的低成本和PEM的簡單，高效優點相融合。現階段的研究重點陰離子交換膜材料開發和機理研究，主要以國外大學，國家實驗室等科研機構主導（如Northeastern University, Los Alamos, University Oregon, Georgia Tech 等）。

針對前面四種應用廣泛的電解水制氫技術路線的技術成熟度，技術難點及未來突破的方向、適用的場景，制造和運行的成本，未勢能源逐一詳細分析對比了個技術路線的優勢和劣勢，總結如下：

同時，未勢能源針對四種電解水制氫技術的特點，結合市場的需求，對綠氫的應用場景也進行了探索分析：

1、在電解水制氫配合儲氫和燃料電池發電在儲能（P2X）場景中，通過太陽能和光伏發電耦合PEM制氫，為電網未覆蓋的特定偏遠的特定地區（如邊疆，島嶼、沿海，偏遠試驗基地，海上平臺，電信基站）提供連續、穩定、安全電力供應；

2、采用SOEC制氫技術，在工業余熱或地熱能資源豐富的場景下結合儲氫和燃電技術，為生活和工業用電保供；

3、在西部風光資源和沿海風力資源豐富地區，采用ALK或者PEM制氫，為礦山開采，物流集散中心，碼頭和港口等場景提供制-加一體解決方案。

2021年來各地方政府針對綠氫制備和制加一體站建設出臺的鼓勵性法規和政策表2所示：

未勢能源聚焦行業、技術、應用、政策等角度、層面，進行了多維度探索研究，對綠氫制備和發展做了綜合性分析和對比，認為：

從行業的角度，國家氫能產業發展和中長期規劃賦予氫能的能源屬性，為氫能產業未來在大規模、長周期儲能，以及交通運輸和工業等領域的戰略定位明確了方向，同時規劃也明確了可再生能源制氫在終端能源消費的占比顯著提升為目標，綠氫產業的發展迎來了新一輪的“熱潮”。

從技術的層面，通過可再生能源發電，采用電解水制氫的方式生產綠氫，將可再生電力的生產與用能終端的脫碳需求聯系起來，實現綠電和綠氫的靈活高效轉化。本文所介紹的四種電解水制氫技術路線各有優點和缺點，從技術和成本的層面ALK更適合于大規模制氫應用場所，應用需要配合網電或者其他儲能手段以獲取穩定的電力供應，ALK技術在近期解決可再生能源的消納占主力地位。考慮未來綠氫的發展需求，PEM由于占地小，系統簡單，針對具體應用場景便于方案集成、與風電和光伏發電匹性好等特點，是未來5~10年綠氫制備的重要方向。歐盟和美國均將PEM電解槽技術的開發列為重點研發方向。伴隨著該技術的推廣，其成本高的問題有望獲得解決。SOEC作為利用熱量從水蒸氣中制氫的重要技術手段，具有電耗低，效率高的特點：由于采用了高品質的熱能作為部分水電解的能耗（約占25%），降低了單位制氫量的電力消耗，SOEC整機的系統效率可高達85%。基于該特點，SOEC也被認為是有重要發展潛力的綠氫制備方式。AEM由于尚處于研發階段，因此實際工業化，商業化應用尚需時日。

從應用的層面，在考慮電解水制氫技術方案時需綜合考慮應用場景、制氫規模、電力及場地條件。另一方面深刻理解各種電解水制氫技術的特點，有助于氫能使用生態系統的正向設計，譬如不同的P2X場景，適合于采用PEM電解槽的做儲能/供電方案。

從政策的層面，為了鼓勵氫能發展，國家層面和地方政府層面關于氫能的政策紛紛出臺。國家層面的政策包括《智能光伏產業創新發展行動計劃（2021~2025）》，《“十四五”新型儲能實施方案》，《氫能產業發展中國長期規劃（2021~2035）》等均對可再生能源制氫的研究，產業布局提供政策性指導意見。除此之外地方政府也在具體項目和應用場景方面出臺相關政策，如海南省因地制宜，針對“清潔能源島” 建設出臺《海南省建立健全生態產品價值實現機制實施方案》，廣東省針對制加氫一體站發布地方標準《制氫加氫一體站安全技術規范》探索在非化工園區現場制氫。

可以看到，綠氫在整個氫能發展中具有重要位置，并且正在迎來關鍵的發展機遇。