技术专题 | 绿氢制备技术和发展分析

近年来，在“双碳”目标的引领下，人们的能源生产和消费体系朝着绿色和低碳转型的进程日益提速。长期以来氢气作为化工原料在石油石化、钢铁冶炼、电力生产等行业中广泛应用；另一方面由于其具备来源丰富，在使用和能量转化过程无碳排放的特点，在国家《氢能产业发展和中长期规划（2021-2035）》中明确定义了氢的能源属性，将氢确定为交通和工业用能终端实现绿色低碳转型的重要载体。

基于国家氢能产业发展中长期规划，未势能源相信，在交通和工业等终端用能领域在能源消费转型的过程中，对氢能的需求会显著增长。

为了解绿氢制备的必要性，首先介绍氢气的分类以及绿氢的概念。国际上按照氢气生产方法不同，把氢气按照颜色区分为八大不同分类（含绿氢、蓝氢、灰/黑氢、棕氢、蓝绿氢、黄氢、紫/粉/红氢和白氢，详见下图1）。目前在氢能行业广泛应用的为灰氢、蓝氢和绿氢三种。灰氢是指通过化石燃料（天然气，煤等）转化反应制取氢气，因为生产成本低，技术成熟，是目前最常见的制氢方式，由于在制氢过程中释放一定量的二氧化碳，不能完全实现无碳绿色生产，故而被称为灰氢；蓝氢是在灰氢的基础上应用碳捕捉、碳封存等技术将碳保留下来，避免排放入大气，作为过渡性技术手段，可以加快绿氢社会的发展；绿氢是指通过光电、风电等可再生能源电解水制氢，制氢过程不会产生温室气体，也被称为“零碳气体”。绿氢是氢能利用最理想的形态，是未来氢能发展的主要方向。

除了按照颜色划分氢气种类之外，国内氢能联盟通过标准量化形式定义的低碳氢、清洁氢、和可再生氢的评价方法。标准T/CAB 0078-2020 (低碳氢、清洁氢与可再生氢的标准与评价) 从生产单位质量氢气产生的碳排放量和是否消耗可再生能源两个指标维度对氢气进行分类评价。

除了上述国内绿氢认证的标准外，国外也发展了类似的认证评价体系。如欧盟于2021年1月颁布可再生能源指令（Renewable Energy Directive (RED) II），制定了欧盟可再生能源生产和推广的总体政策。

国内外制定标准进行绿氢认证的目的是为了从政策层面鼓励并促进绿氢行业的发展，以满足市场、交易的需求，从源头出发推动氢能全产业链的绿色发展。

基于对绿氢行业发展的长期关注，未势能源认为，在国内大力发展绿氢的必要性主要体现在以下几方面：

1、中国政府在签署《巴黎协定》时承诺的“双碳”目标对排放标准和能源使用效率提出了更严苛的要求；

2、从成本层面，随着行业的持续发展和技术迭代，并且得益于规模化发展的优势，中国绿氢生产成本持续降低；

3、作为储能手段，氢能在太阳能和风能电力消纳和“削峰填谷“具备大规模，长周期和低成本优势。

实际来看，绿氢制备的技术绿线有多种，包括碱性水电解技术（ALK）、阳离子交换膜水电解技术(PEM)、固体氧化物水电解技术(SOEC)、阴离子交换膜电解水技术（AEM），以及光化学水解、热化学水解、生物质重整、微生物电解槽在内的一系列制氢技术。针对ALK、 PEM、SOEC、 AEM具体介绍如下：

碱性水电解（ALK）技术是最为成熟的电解水技术，目前在市场商业化运行装置中占据主导地位，特别是单槽容量5MW~7MW级别的项目。ALK采用KOH水溶液作为电解质，石棉作为隔膜。在碱性环境下电解可以适用非贵金属催化剂（如Ni, Co, Mn）。由于避免了贵重催化剂的使用，具有成本低、容易商业化推广等优势。但是ALK本身具有启动速度慢、无法快速变载等原因，与上游可再生能源发电的适配性受到制约。

PEM水电解槽采用阳离子（质子）交换膜Proton Exchange Membrane 作为电解质，隔绝阴极和阳极的气体渗透，并且以纯水为反应物，生产的H2纯度较高（>99.99%）。电解槽采用零间距结构，减少了电解损失，提高电解槽的整体效率。同时PEM电解槽具有比ALK更高的电流密度，简化的BOP系统，而使同等制氢产量条件下电解槽系统整体结构更为紧凑，占地面积小。PEM电解槽更为显著的特点是能够适应快速变化的电源输入波动，因而被视为未来耦合绿电最有发展前景的电解水制氢技术。但是由于PEM电解槽的双极板需要采用能够耐受腐蚀酸性环境的Ti, Pt金属制造、催化剂采用Pt、Ir-Ru等贵重金属导致PEM电解槽的成本较高。随着未来规模化的应用，成本的问题有望得到解决。

固体氧化物（SOEC）电解槽在高温（700~850degC）条件下运行，适合于工业生产中高品质余热的条件下使用，电解槽进料为高温水蒸气。如果添加CO2后，可以生产合成气（CO, H2混合物）。SOEC在高温条件下优良的反应动力学优势使其可以使用廉价的Ni电极从而降低成本。SOEC另一个优势是水电解和燃料电池发电过程可逆。因此SOEC被欧美列为重点发展的电解水制氢技术之一。其中固体氧化物的性能提升，耐久性改进，和降低操作温度是该技术研发的重点方向。

AEM是较为新兴的电解水制氢技术，尚处于研发阶段。备受关注的原因是其采用阴离子交换膜作为电解质，将ALK的低成本和PEM的简单，高效优点相融合。现阶段的研究重点阴离子交换膜材料开发和机理研究，主要以国外大学，国家实验室等科研机构主导（如Northeastern University, Los Alamos, University Oregon, Georgia Tech 等）。

针对前面四种应用广泛的电解水制氢技术路线的技术成熟度，技术难点及未来突破的方向、适用的场景，制造和运行的成本，未势能源逐一详细分析对比了个技术路线的优势和劣势，总结如下：

同时，未势能源针对四种电解水制氢技术的特点，结合市场的需求，对绿氢的应用场景也进行了探索分析：

1、在电解水制氢配合储氢和燃料电池发电在储能（P2X）场景中，通过太阳能和光伏发电耦合PEM制氢，为电网未覆盖的特定偏远的特定地区（如边疆，岛屿、沿海，偏远试验基地，海上平台，电信基站）提供连续、稳定、安全电力供应；

2、采用SOEC制氢技术，在工业余热或地热能资源丰富的场景下结合储氢和燃电技术，为生活和工业用电保供；

3、在西部风光资源和沿海风力资源丰富地区，采用ALK或者PEM制氢，为矿山开采，物流集散中心，码头和港口等场景提供制-加一体解决方案。

2021年来各地方政府针对绿氢制备和制加一体站建设出台的鼓励性法规和政策表2所示：

未势能源聚焦行业、技术、应用、政策等角度、层面，进行了多维度探索研究，对绿氢制备和发展做了综合性分析和对比，认为：

从行业的角度，国家氢能产业发展和中长期规划赋予氢能的能源属性，为氢能产业未来在大规模、长周期储能，以及交通运输和工业等领域的战略定位明确了方向，同时规划也明确了可再生能源制氢在终端能源消费的占比显著提升为目标，绿氢产业的发展迎来了新一轮的“热潮”。

从技术的层面，通过可再生能源发电，采用电解水制氢的方式生产绿氢，将可再生电力的生产与用能终端的脱碳需求联系起来，实现绿电和绿氢的灵活高效转化。本文所介绍的四种电解水制氢技术路线各有优点和缺点，从技术和成本的层面ALK更适合于大规模制氢应用场所，应用需要配合网电或者其他储能手段以获取稳定的电力供应，ALK技术在近期解决可再生能源的消纳占主力地位。考虑未来绿氢的发展需求，PEM由于占地小，系统简单，针对具体应用场景便于方案集成、与风电和光伏发电匹性好等特点，是未来5~10年绿氢制备的重要方向。欧盟和美国均将PEM电解槽技术的开发列为重点研发方向。伴随着该技术的推广，其成本高的问题有望获得解决。SOEC作为利用热量从水蒸气中制氢的重要技术手段，具有电耗低，效率高的特点：由于采用了高品质的热能作为部分水电解的能耗（约占25%），降低了单位制氢量的电力消耗，SOEC整机的系统效率可高达85%。基于该特点，SOEC也被认为是有重要发展潜力的绿氢制备方式。AEM由于尚处于研发阶段，因此实际工业化，商业化应用尚需时日。

从应用的层面，在考虑电解水制氢技术方案时需综合考虑应用场景、制氢规模、电力及场地条件。另一方面深刻理解各种电解水制氢技术的特点，有助于氢能使用生态系统的正向设计，譬如不同的P2X场景，适合于采用PEM电解槽的做储能/供电方案。

从政策的层面，为了鼓励氢能发展，国家层面和地方政府层面关于氢能的政策纷纷出台。国家层面的政策包括《智能光伏产业创新发展行动计划（2021~2025）》，《“十四五”新型储能实施方案》，《氢能产业发展中国长期规划（2021~2035）》等均对可再生能源制氢的研究，产业布局提供政策性指导意见。除此之外地方政府也在具体项目和应用场景方面出台相关政策，如海南省因地制宜，针对“清洁能源岛” 建设出台《海南省建立健全生态产品价值实现机制实施方案》，广东省针对制加氢一体站发布地方标准《制氢加氢一体站安全技术规范》探索在非化工园区现场制氢。

可以看到，绿氢在整个氢能发展中具有重要位置，并且正在迎来关键的发展机遇。