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产业观察 | 碱性&PEM,是技术路线之争还是成本之争?

发布日期: 2022-11-04
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全球范围来看,2021宣布的500个氢项目,相当于潜在直接投资达到1600亿美元,这与2020年相比增长了100%。预计在未来十年中全球将有大约总共250GW的电解项目将会逐渐建成。

在这样的预期下,全球电解槽行业产能迅速扩张,中国短期内生产厂家增加了10-15倍,产能规划上升约20倍。

不过,科技是一把两刃剑,它既能创造一个产业,也能毁灭一个产业,目前有多种电解水制氢的方式,已经产业化的也有两条技术路线,企业和资本在兴奋之余也不免有几分忐忑:碱性和PEM,到底哪条技术路线更容易获得现实订单?哪条路线又能够走得更远呢?或者,碱性电解槽和PEM技术路线是否能像各种储运方式那样能够“和睦相处”呢?


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层层递进的路线之争,什么电解槽更有前途?

 

新产业的发展道路上总是充满迷雾,尤其是面临两条或多条技术路线的时候,企业家和投资人需要在各种嘈杂的讨论中辨析并选择自己的路线。

前一段时间是关于锂电与氢电的争论,蓬勃发展的锂电显然占据了上风,但挺氢派坚持氢在环保和资源上更有优势。好不容易市场达成了一些共识,认为氢作为能源不仅仅是用于汽车的燃料电池,还有比作为储能的锂电具有更广泛的应用空间。即使在交通运输领域,燃料电池也能弥补锂电能量密度不足和低温性能不好的短板,在商用汽车、船舶、轨道交通领域更有优势。

接下来是关于氢气来源的争论,灰氢、蓝氢、绿氢?或是化石能源制氢、工业副产氢、还是绿电制氢?从技术成熟度、获取方便、制氢成本、环保等各个维度进行比较。

还好,市场在这个问题上分歧并不大,普遍认为绿氢也就是可再生能源制氢是氢能发展的主流方向,其他制氢方式作为补充。氢能十四五规划明确鼓励可再生能源制氢和工业副产氢,不鼓励化石能源制氢。但在示范期间,主要以产业链技术验证为目的,并不需要十分计较氢气来源,最重要的是获取方便、成本可控、品质保障。

氢的储运方式上也有一些争议,好在大家认同不同氢气来源、运输量、和运输距离等应选择不同的方式,高压储氢、固态储氢、液态储氢、管道运输或是有机液态储氢各有各的应用场景,彼此冲突似乎不大。

似乎都清晰了:发展氢能将成为实现“碳中和”目标和能源安全的重要手段,可再生能源制氢是主要的氢能来源,多种储氢方式供选择,总之,电解槽将迎来巨大的发展机会。但问题又来了,对于绿电制氢的技术路线又产生了争论。

暂且不讨论其他未成熟的技术路线,就目前已经进入产业化的碱性电解槽和PEM电解槽到底哪一条技术路线才是主流?

去年看起来国外以PEM为主,国内以碱槽为主,更多的人认为PEM更能代表未来;今年国外碱性电解槽似乎在增加,而PEM则似乎在减少,甚至有人说国外企业正"跑步进入碱性电解槽”,更重要的是,国内影响力巨大的新疆库车项目52台电解槽全部选用碱性技术路线,而且,最近国内进入电解槽的企业达到150家左右,其中超过100家的方向都是碱性电解槽。

于是市场开始出现否定PEM技术路线的声音,认为PEM太贵,PK不过碱性电解槽,没有前途。但这似乎是出于成本的考量,而从技术的角度来看,选择PEM制氢的企业认为他们的路线更有前途。


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传统技术适应新的应用,电解槽并不成熟

电解槽并不是一个新的产业,我们在今年4月6日的《电解槽:迎接属于绿氢产业的美好时代》一文中曾回顾过电解槽的发展历史,这是一项具有超过200年历史的技术,碱性电解槽产业化已有近百年。我国从上世纪50、60年代引进技术到70年代自主研发,对电解槽的应用研究和生产制造也已经有半个世纪的时间。
碱性电解槽发展主要经历了从常压到加压,从石棉隔膜到非石棉隔膜,从小规模到大规模,目前加压非石棉隔膜的兆瓦级产品成为碱性电解槽的主流产品,目前单个电解槽已经可以做到1300Nm3/h。
相比之下,PEM电解槽还处于产业化的早期,是20世纪60年代由燃料电池技术派生出来的一条技术路线,1996年,美国的Proton OnSite公司开始与联合技术航空航天系统合作开发、制造PEM电解槽,此后,PEM电解槽才开始产业化探索。
2014年欧盟提出PEM水电解制氢技术发展目标:第一步开发分布式PEM水电解系统用于大型加氢站,满足交通用氢需求;第二步生产10、100、250 MW的PEM电解槽,满足工业用氢需求;第三步开发满足大规模氢储能需求的PEM水电解制氢系统。
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目前,中国主导的碱性电解槽单槽规模在1-6.5MW(中国的主导产品是5MW),而PEM电解槽的单槽规模在0.25-2.5MW(国外主导产品2.5MW)。

不过,这样漫长的时间培育出来的产业却依然还是一个小产业,到2018年前,全球电解槽的出货量总共也只有135MW,相当于27台1000Nm3/h的电解槽。

根据伦敦帝国理工学院研究人员统计,到2014 年,全球碱性电解槽的累计出货量为19.84GW,彭博社估计到2017年累计出货约20GW,根据项目跟踪统计预计2018-2023年将再出货3.81GW,到2023年累计出货量为23.81GW。而到2017年,全球PEM电解槽累计出货量约为30MW,预计2018-2023 年期间出货量为1.31GW,到2023年总计1.34GW。

而在近百年的发展历史中,电解槽主要是稳定的电源来制取氢气,更多的氢气应用于不可少的工业原理或还原剂,这些经验不足以解决可再生能源的间歇性问题,行业发展面临未有的技术难题。面对新的应用条件,传统的电解槽技术并不老道,或者说还处于示范初期阶段。

尽管到2021年全球电解槽出货量共计458MW,其中大部分用于示范性绿氢项目,相比2018年量复合增长率达到50%,但在这些示范项目中还没有足够的数据来验证碱性电解槽和PEM电解槽实际运行的效率和寿命。

目前,国内绿氢项目进入运行期的案例还非常少,宝丰能源投资建设的“太阳能电解水制氢综合示范项目”已经在宁夏宁东能源化工基地正式投产。该项目可年产2.4亿标方绿氢和1.2亿标方绿氧,通过太阳能生产绿色电能,再用绿色电能作为动力,通过电解水制取出“绿氢”和“绿氧”,但目前还没有公开的运行数据。

显然,这个时候得出碱性或PEM哪条路线是长期趋势结论还为时过早。


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追溯技术产生背景,什么样的企业代表主流?

 

电解(electrolysis)一词的后缀lysis是“分离”或“破裂”,即通过电分解的过程,当直流电通过电解槽时,在阳极与溶液界面处发生氧化反应,在阴极与溶液界面处发生还原反应,产生氢气和氧气。

目前,碱性和PEM是仅有的两种已经形成产业化的电解槽,它们所用的催化剂、电解质和结构都不一样。

电解质是一种含有离子的导电介质,碱性电解槽电解质是含有30%氢氧化钾的碱性溶液;而在PEM电解中,电解质则是由固体聚合物制成的质子交换膜。碱性电极材料主要包括镍或镍铝合金涂层钢,在碱性电解液中进行碱性电解;PEM电解槽则是用铱或铂涂层钢/钛,在酸性环境中进行PEM电解。

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图片来源:彭博咨询

19世纪初期,电解水技术来自于航天科技,最早是为了生产航空燃料,因为航空基地很偏远,需要氢气,而又不能从远处运输过去,因保密的需要也不能在当地建化工厂,所以需要就地解决氢的来源。

而在我国,上世纪60-70年代中船718所在进口电解槽的基础上研究出中压电解槽,当时的应用是为核潜艇员提供需要呼吸的氧气,此后氢气作为还原剂或原料在浮法玻璃、电子行业、钢铁行业等领域应用,电解槽从*工领域进入工业领域。

PEM电解槽是与燃料电池的逆反应。上世纪60年代燃料电池开始在航天器上应用,最早GE公司推出用在宇宙飞船的备用系统,1962年杜邦公司改良了质子膜,在此基础上于80年代推出民用氢气发生器。

也就是说,碱性电解槽的出现最初是基于电解水制氧,然后在工业氢气中应用;而PEM电解槽的出现的背景则是基于氢气作为动力的大背景,其研究重点就落在了能量利用率、对可再生能源波动的适应性、电解槽氢气输出压力等指标上。

但现实中,碱性电解槽已经处于规模化,而且经历了输出压力、电解槽功率、隔膜材料等多方面的升级来提升效率和改善工作环境的适应性,而PEM则还处于性能和使用寿命被验证和改善的阶段。

所以,从把水变成氢的成熟度来看,碱性电解槽已经很成熟,PEM还处于成长阶段;但从工作原理上看,PEM电解槽更适应可再生能源不稳定的工作状态,所以,很大程度上取决于项目方想要达到什么目的。

目前,主要的电解槽制造商分布在欧洲、美国和中国,其中,欧美国家以PEM为主,代表企业有西门子、康明斯、ITW Power、NEL、普拉格等;而中国以碱性为主,代表企业有考克利尔竞立、派瑞氢能、天津大陆、隆基绿能等。

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数据来源:彭博咨询,产业观察者

本以为欧美发达国家的技术更能代表行业发展的趋势,而且国内中国石化、国电投、派瑞氢能、阳光电源等企业都投资于PEM,但近期蒂森克虏伯和NEL都扩大了在碱性电解槽的产能。

NEL是目前一家可以从上市公司报表上看到产品结构变化的企业,今年1-9月份的销售数据显示:前三季度,NEL碱性电解槽营业收入同比大幅增长702.64%,而PEM则同比下降了3.91%,难怪业内有人形容国外企业”跑步进入碱性电解槽“了。

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数据来源:NEL财报,产业观察者

不过,荷兰氢和燃料电池联合计划项目研究员王户贵说:”PEM电解槽是针对能源目标来设计的,而碱性电解最初的目标是制氧制氯,我和欧洲企业对两条技术路线都是支持的。“

不过对于目前市场的变化,王户贵研究员认为个别企业的收入结构变化不能代表行业趋势。

他说,虽然NEL的发展历史可以追溯到1927年,而且2017年成为上市公司,目前订单显示公司处于快速增长,但NEL依然是一家规模不大的企业,目前大约600名员工,到2021年公司营业收入也只有7.98亿挪威克朗,相当于5.59亿人民币,目前公司依然处于求生存的阶段,还没有能力领行业,所以,他们今年碱性槽的大幅增加不能代表行业趋势。

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资料来源:NEL财报

至于欧洲老牌工业企业蒂森克虏伯,王户贵研究员认为这家服务于传统钢铁和汽车行业的工业企业同样处于求生存的状态,过去十多年公司营业收入处于下降趋势,而且大部分时间处于亏损或微利,也不能代表欧洲先进的科技发展方向。而影响德国经济30%的西门子则愿意投入更多未来产业的研究,他们的选择也更能代表电解槽发展方向。他认为,西门子大概率不会选择碱性电解槽。


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资料来源:万得资讯,产业观察者

 

彭博社预测,预计到2025年,欧洲和美国的碱性和PEM项目之间的比例大概为50:50,到2030年,碱性电解槽的全球份额将保持在55%以上。

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成本与效率,示范期与工业化如何选择?

 

 

成本与效率永远都是工业产品追求的目标。对于电解槽来说,降低成本可以减少客户的设备采购成本,但提升效率则可以在运行过程中创造更多的价值。

中国在碱性电解槽的成本上具有优势,碱性电解系统的价格一般只有欧美国家同类型项目的25%,PEM电解系统的成本比欧美的碱性电解系统高约15%。

到2021年,10MW碱性电解系统在中国的成本可能约为 300 美元/kW,国内PEM成本大约为碱性电解槽的4-5倍;而欧美国家的相同系统至少为1,200美元/kW,PEM制电解槽大约1400美元/kW

不过,由于中国碱性电解槽比较成熟,而且越来越大型化的电解槽很难做到自动化流水线作业,而PEM电解槽伴随着技术进步与规模化产,到2030年后与碱性电解槽差距大幅缩小。

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资料来源:彭博社

 

从国内外电解槽制造商出货情况来看,碱性电解槽单槽功率最高(考克利尔竞立)已经达到6.5MW,主流产品2.5-5MW,PEM电解槽单槽功率最高(康明斯、ITM Power)2.5MW,主流产品0.73-2.5MW。

彭博咨询对国内外代表企业进行调研,碱性电解槽能量转换率在79%-83%,而PEM的转换率在79%-89%。不过这一数据应该是科研数据,国内电解槽企业反映,正常情况下,碱性电解槽的效率在70%,PEM效率在80-85%。而荷兰氢和燃料电池联合计划项目研究员王户贵说,碱性电解槽的效率高62%,PEM的运行效率在60-100%之间。

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数据来源:彭博社

从氢气输出压力来看,碱性电解槽最高3MPa,其中中国企业大部分1.6MPa,欧洲企业主要是3MPa,PEM电解槽输出压力最高4MPa;碱性电解槽使用寿命达到100000小时(超过10年),目前,国外企业PEM的使用寿命也在努力达到这一目标,康明斯、西门子达到8万小时,相当于9年,而国内已经实现PEM电解槽产业化的赛克赛斯,产品使用寿命达到12万小时,相当于13.7年;从单位产氢量耗电指标来看,碱性电解槽过去大约在5度/Nm3,近期主要企业的数据为4.3-4.5度/Nm3,PEM的耗电在4.0-4.5度/Nm3。

 

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数据来源:产业观察者

尽管碱性电解槽一次性采购成本低于PEM电解槽,电解槽在整个可再生能源制氢中的比例依然不高,对于用户来说,效率还是最重要的指标。荷兰氢和燃料电池联合计划项目研究员王户贵说:”考虑电解槽全生命周期的效率,同样的生命周期和同样的资金投入,PEM比碱性电解槽的产出多出30%。“

当然,我想这一效率比较应该是基于欧洲基础数据的预算,在中国,一个比较现实的预算就是PEM制氢多出的产量弥补设备采购多出的成本,按照目前的35元/kg氢气价格,预计PEM设备运行三年可以弥补与碱性电解槽采购的价差。


 

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数字化分析,根据”分值“决定方案

 


比较容易理解的是在燃料电池汽车示范期,氢气来源更多是工业副产品或化石能源制氢,但进入工业化后,绿电制绿氢就会成为主要来源。

示范期我国大部分燃料电池汽车采用的是35MPa的三型瓶,储运方式主要以技术相对成熟的高压储氢为主,因为这一时期最主要的目标是要让车辆跑起来,验证燃料电池的性能,而且一次性采购成本也相对比较低。

但与此同时一定要为规模化发展做准备,考虑进入市场化后的汽车性能和运行成本,就要研究和验证70MPa的三型瓶和四型瓶,还要探索不同应用场景下安全、经济的运输方式,包括固态储氢、液态储氢、管道输氢和有机化合物输氢等。

同样,目前对于绿电制绿氢很多都还是小规模的示范项目,花不多的钱让设备运转起来是非常现实的需求,如果要进入工业化大生产,则必须考虑价值空间最大的生产方式。

王户贵研究员列举了欧洲工程方案决策的模式:通过数字化分析,对设备进行评分。

一般将项目的预算以横坐标三个阶段:前期、中期和后期,纵坐标打分。时间上的前、中、后,以权重的数值体现,三阶段总和为100/100。欧盟的科研和美国的Nasa都是采用类似这样的模型对项目进行数字化分析。

前期规划主要考虑研发风险,成熟产品风险肯定低于研发中的产品。王户贵研究员说,从设计上讲,大小决定了启动响应时间,碱性电解槽和PEM电解槽两者无大差异,几何和理化设计决定响应速度的快慢。

中期生产是制造过程的合理性和可实现性,显然,这一项通常也是成熟产品更具有优势,不过如果要规模化生存就必须考虑实现的路径,包括生产方式和供应链。

后期是设备的运行和维护,前面两个阶段都是手段,这一阶段则是目的,包括了产品全生命周期的能源转换和经济效率,稳定电源下碱性分值比较高,波动电源下PEM分值比较高,即使是光伏和风能,可能也是光伏与碱性匹配的分值高于PEM,而风电与PEM匹配的分值高于碱性。

而且,后期的分值还包括了社会、企业和环境各层面的利益,即经济效应和社会效应。

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这样的评分体系下,通常PEM在大项目的得分比较高,碱性在小项目得分比较高。
不过具体项目还需要看项目决策人的目的和风格,对于保守和稳妥型的人来说,选择碱性电解槽更安全,对于创新和冒险型的人来说,也许更愿意尝试PEM方案;示范性项目考虑更多的政治因素选择碱性方案比较容易实现目标;对工业项目来说,后端的经济效应和社会效益就变得更重要,分值比例也会比较高。
但现实中,任何一条技术路线都不是静止的,碱性、PEM、AEM和SOEC技术路线都在不断创新,而巨大的市场机会和竞争也加快了行业创新的速度。
比如灵活性中明显的技术指标区别是冷启动时间。西门子能源报告称,其PEM电解槽可在一分钟内完成冷启动,而来自碱性电解槽产品的各种冷启动时间15分钟到2小时。但多家碱性产品制造商表示,如果冷启动成为日常操作的频繁部分,则可以轻松通过添加一个单独的热回收装置来循环热量,使其在8分钟内通过预热将“冷启动”转变为“热启动”。
所以,我们并不想在本文得出明确的结论,而是梳理一些思考的逻辑供大家讨论。

 

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文章来源:产业观察者

注:本文已获得转载权

 

 

 

 

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