文
光锥智能，作者
向博、丁秀金、谢晨星
本报告由势乘资本和光锥智能联合发布
氢气作为重要的工业化工原料，已存在全球性的成熟市场，年市场规模达1.2万亿元，需求主要集中在炼油和化工领域。
氢气目前来源依赖化石燃料，即灰氢。年全球氢需求量达到万吨，绿氢产量仅不到万吨。
如今氢能已在全球形成共识，增加了能源属性，释放了绿电制绿氢更为广阔的应用潜能。5年1月中国新实施的能源法首次明确将氢能纳入能源管理体系，这为氢能产业在“十五五”期间的发展提供了法律保障。
全球能源转型持续深入，一次能源转变为可再生能源发电为主体的趋势已成。年可再生能源在全球电力结构中的占比首次超过0%，风力和太阳能发电量满足了全球电力需求增长的82%。
新能源上半场，跑马圈地式的风电光伏装机模式已见顶。4年7月底，全国风电、太阳能发电装机达到12.06亿千瓦，提前6年完成国家目标。4年1-6月中国风电光伏发电量占比达20%，已逼近电网波动性敏感点。
新能源下半场，如何有效消纳新能源发电，并且维护电网稳定成为继续海量新能源装机的破局点。5年2月9号，发改委恰如其分地发布了16号文，开启风光发电全面入市新篇章，强配储成为过去时。以后业主对新能源发电的配套投资，都要与提升发电收益、增加发电消纳强相关。氢能在电网侧超长时储能以及离网消纳新能源发电两方面均能发挥关键作用。
近些年随着绿氢产业链技术持续突破，并且伴随新能源发电大幅降本，绿氢成本得以有效降低，在部分区域价格已能跟灰氢竞争。这势必将重构氢供给和消纳的存量格局，并打开更为巨大的增量空间。
绿氢产业链是指通过可再生能源（如风能、太阳能等）进行水电解产生氢气的全流程，主要包括氢气的生产、储存、运输、分配及利用等环节。其关键步骤为利用可再生能源发电驱动电解水反应，生成绿色氢气。该产业链不仅涉及电解水设备制造和新型储氢技术的开发，还涵盖了氢气在工业、交通、能源存储等领域的应用。
全球能源结构向可再生能源转型，氢能扮演关键的二次能源（一）全球当下面临诸多能源危机问题
全球化石能源短缺，我国对外依存度较高。根据英国石油公司统计，全球煤开采年限约15年，天然气开采年限约51年，石油开采年限约56年，而我国化石能源开采年限远低于国际水平。根据国家能源局统计，我国原油对外依存度超过71%。故急需要通过能源转型，解决将会面临的能源短缺问题。
全球化石能源资源存在地域分配不均，严重影响国际局势及能源贸易价格。化石能源仍然是当今世界上的主要能源，但存在地缘分布不均的问题，主要分布在中东、北美和俄罗斯地区。目前美国是最大的化石能源生产国，产量占全球化石燃料近20％，其次是俄罗斯和伊朗，第四名是加拿大，其产量占所有化石燃料的不到5％。而能源分配的不均严重影响着世界格局。例如俄乌战争爆发以来，西方国家的对俄制裁和俄罗斯的反制措施已给全球能源格局带来持久、深刻和广泛的影响。
原油方面，国际油价震荡上行，持续高位徘徊，原油期货价格一度突破90美元/桶。
天然气方面，随着西方制裁持续和俄罗斯“卢布结算令”发布，欧洲天然气出现断供，不断推高欧洲用能成本，2年月8日荷兰TTF天然气价格是1年同期价格的12倍。
煤炭方面，欧洲ARA三港动力煤价格在乌克兰危机后一路走高，煤价一路暴涨。
而氢能来源广泛，可通过风电光伏等可再生能源制取，能极大降低地缘性分布差异，随着未来的大面积应用，将缓解全球紧张的能源格局。
（二）碳中和目标确定，能源转型迫在眉睫
全球处于第三次能源转型进程中，可再生能源逐步取代化石能源。在过去的年中，全球共发生了三次能源结构的转型，第一次是19世纪末，伴随着第一次工业革命，发生了从传统生物燃料到煤炭的转型。第二次发生在20世纪上半叶，内燃机广发应用推动了从煤炭到石油和天然气的能源转型，当前正在进行第三次能源转型，可再生能源有望取代化石燃料。风电、光伏将成为主力一次能源。
来源：英国石油公司《世界能源统计评论》
全球共个国家提出了碳中和目标，碳中和时代到来。据IEA统计，2年全球碳排放量达到46亿吨，减碳工作迫在眉睫。年，联合国的个成员国通过了《巴黎协定》，目标将全球平均气温升幅限制在工业化前水平以上2℃之内，并努力将气温提升限制在1.5℃以内。并且截至目前，已有接近个国家正式确定碳中和目标，大部分发达国家把碳中和时间定在年。其中我国于0年正式提出“年碳达峰，年碳中和”的目标。
来源：国际能源署（IEA）《2年二氧化碳排放》
二次能源的革新是实现“碳中和”的关键一环。二次能源是联系一次能源能源和能源用户的中间纽带，而目前主要的二次能源汽油、柴油等在燃烧过程中会产生二氧化碳和污染物质。随着能源转型，能源结构调整，需要开发优质的含能体能源，以解决能源应用的碳排放问题。而氢能、锂电等零碳二次能源能与可再生能源、终端应用灵活耦合，将进一步推动能源转型。
（三）可再生能源技术发展迅速，驱动绿电、绿氢成本降低
可再生能源技术进步，风光电度电成本大幅下降。根据LAZARD统计，相对比9年，1年风电全球加权平均水平化电力成本（LCOE）从15美元/MWh降至8美元/MWh，降幅达到72%，光伏项目的LCOE从59美元/MWh降至6美元/MWh，降幅达到90%。
来源：LAZARD
可再生能源利用成本下降，风光电装机量迅速增加。在福建平潭海面，全球首台单机容量最大（16兆瓦）海上风电机组正在开展并网发电前调试。在库布其沙漠，全球最大的风光基地在今年年底前并网发电。据国家能源局统计，截至4年年底，全国风电装机容量约为5.1亿千瓦，光伏装机容量约为8.4亿千瓦。
来源：国家能源局
为适应可再生能源体系，新型电力系统出现。随着风、光电普及，其随机性、波动性和不可控性的特征逐渐显现，同时也出现了大量风、光电消纳问题。1年，习主席在中央财经委员会第九次会议上首次提出“构建以新能源为主体的新型电力系统”。年，能源局发布了《新型电力系统发展蓝皮书》，指定了新型电力系统“三步走”发展路径。氢能作为二次能源可作为可再生能源的消纳路径，解决可再生能源时间错配、空间错配以及电力保供等问题。
随着绿电成本降低，绿氢更具有经济可行性。随着可再生能源利用技术进步，风光电装机量逐步增加，配合新型电力系统，绿电成本也将实现大幅下降。而氢能是一种优质的二次能源，燃烧或电化学反应终产物只有水。氢元素在自然界中存量也很高，可以水为原料制取，原料丰富且可循环使用。在“碳中和”大背景下，低成本绿电制绿氢的低碳路径将更被推崇。届时零碳排的绿氢会更具有经济可行性，从而实现对汽油、柴油等能源的替代，保障能源安全。
氢能的供需现状（一）氢能的供给来源
制氢来源结构方面，仍然以灰氢为主。根据IEA数据，全球制氢来源中，天然气制氢占比达到62%，其次为煤制氢，占比19%，工业副产氢占比18%。中国目前是全世界最大的氢气生产国，以煤制氢为主，占比达到57%，其次为天然气制氢占比22%，工业副产氢占比18%，而电解水制绿氢占比仅为1%。目前全球范围内主要依靠化石燃料制氢和工业副产氢，并未完全发挥出氢能的零碳排优势。
来源：国际能源署（IEA），中国氢能联盟研究院
绿氢具有“零碳排”的制备优势，且能耦合绿电消纳，势必取代灰氢。1年，全球工业用氢和炼油用氢绝大部分源于化石燃料制氢，严重依赖化石能源。煤制氢路线下每生产1吨氢气平均需要消耗煤炭约6-8吨，排放15-20吨左右的二氧化碳，此外还会产生大量高盐废水及工业废渣。天然气制氢路线下每吨氢气的生成将排放9-11吨二氧化碳。根据IEA，1年全球万吨氢气产量的二氧化碳排放量超12亿吨；相比之下，每生产1吨绿氢碳排量仅0.0吨，减碳空间极大。此外，绿氢依靠绿电制备，也将在以可再生能源为主体的新型电力系统中扮演重要作用。在双碳目标要求下灰氢势必会被更清洁的绿氢所取代。
（二）氢能的消纳路径
氢能需求侧高速增长，主要应用于工业领域。根据IEA数据统计，1年，全球氢气需求超过万吨，我国是全球最大的氢气消费国，需求量约万吨，占全球的0%。预计在年全球“净零排放”目标下，年，全球氢能应用规模需达到2亿吨。下游应用领域主要为工业领域，包括炼油、合成氨、合成甲醇以及冶金。
来源：国际能源署（IEA）
“零碳排”大背景下，需拓展氢能多元应用。目前氢能应用领域以工业为主，长期在交通、电力领域发展空间广阔。IEA预测，全球工业用氢占比将逐年下降，但是用氢规模仍处于上升趋势，年全球工业用氢需求达1亿吨，占全球用氢规模的47%；年，全球工业用氢规模约1.4亿吨，占全球用氢规模的26%。同时交通、电力领域用氢需求将快速增长，年全球交通/电力领域氢能需求分别为0.2/0.亿吨；到年则大幅增至2.0/1.0亿吨，年交通将成为全球氢能最大的需求领域。
来源：国际能源署（IEA）
重构——氢能来源的改变（一）“灰氢”逐步过渡到“绿氢”
根据制氢路线的碳排放，分为“灰氢”、“蓝氢”、“绿氢”。其中“灰氢”包括煤制氢、天然气制氢以及工业副产物制氢，制氢成本低，但是制氢过程碳排放高，不具备碳经济效应。“蓝氢”是在“灰氢”基础上耦合了CCUS技术，没有从源头解决碳排放问题，是“灰氢”向“绿氢”的过渡阶段。为彻底解决制氢过程的碳排放问题，利用可再生能源电解水制得的“绿氢”将成为“碳中和”背景下的首选。IEA预计，到年，电解水制氢年产量将达到6,万吨，占比4%，成为氢能产量的主要增长极。
来源：国际能源署（IEA），中国氢能产业发展报告0，势乘资本访谈总结
来源：国际能源署（IEA）
在大力推广“绿氢”的背景下，电解槽装机步入高速成长期。制绿氢方法包括电解水制氢、光催化制氢、生物质制氢、核制氢、超临界水制氢等，主流的是电解水制氢。电解槽是用于电解水制氢的主要设备，随着电解水制氢技术进步以及氢能产业链发展，制氢电解槽装机步入成长期，1年全球新增装机MW，同比增长2.4倍，其中我国占比6%，达到75MW。IEA预计，2和年全球制氢电解槽新增装机将分别达到0.9和4.1GW，总装机分别达到1.4GW和5.5GW；净零排放目标下，年全球制氢电解槽累计装机将达到GW。故而制氢电解槽将成为氢能产业链上游的一个重要投资热点。
来源：国际能源署（IEA）
（二）电解水制氢原理
通过外加电能将水转化为氢气的过程是电解水制氢。当在电极两端施加足够大的电压时，水分子将在阳极发生氧化反应产生氧气。在阴极发生还原反应产生氢气。而纯水作为弱电解质，电离程度低，导电能力较差，在电解水制氢过程中通常会加入一些容易电离的电解质以增加电解液的导电性。为降低反应势能，提高反应效率，还需要适当添加催化剂。
电解水制氢的电化学原理。在标准状态下，水分解的焓变ΔH为.8kJ/mol。此时水电解所需的最小电压为U=ΔH/nF，Urev=1.48V。（其中，n：每摩尔水分解所转移的电子摩尔数（n=2）；F：法拉第常数（Cmol-1））。实际的分解电压还会考虑到电解时一些电能消耗，包括欧姆过电位、激活过电位以及浓度过电位，即U=Urev+ηohm+ηact+ηdiff，因此实际工业电解水时，槽电压通常为1.8-2.4V。
欧姆过电位：它与离子在通过电解质和隔膜时的电阻有关；当电解质内阻越大，欧姆过电位越大，耗电越多。例如碱性电解槽的PPS隔膜厚度为μm至μm，而PEM电解槽的PEM隔膜厚度为μm至μm，所以碱性电解槽欧姆过电位更大，耗电更多。
激活过电位：激活电压与两个电极的电化学反应动力学相关，同时也会受催化剂影响，良催化剂其过电位损失小。
浓度过电位：通过两个电极孔隙扩散的分子传输而引起的扩散过电压。空隙扩散传输效率越高，其浓度过电位越低，耗电越少。例如PEM电解槽产生气泡相较碱性电解槽更少，孔隙不易发生堵塞，其扩散效率更高，浓度过电位小。
提高能量转化效率在于降低过电位的损耗。根据以上计算结构可以得出，每生产1NmH2（摩尔质量为2kg/mol）理论耗能为2.9kwh（2.9度电），实际耗能4.79kwh（4.79度电）；注：理论电压为1.2V，实际电压为2.0V计算。所以当过电位较小时，单位电耗将逐步接近理论值。而相同外加电压条件下，过电位电阻越低，电流密度越高，单位时间制氢量增加，进而制氢系统效率提高。
（三）电解水制氢技术路径
四大电解水制氢技术路径处于不同产业化阶段。电解水制氢主要分为碱性电解水（ALK）、质子交换膜电解水（PEM）、固体氧化物电解水（SOEC）和阴离子交换膜电解水（AEM）。其中，碱性电解水技术已经实现工业规模化产氢，技术成熟；PEM处于产业规模初期，其电流密度高、电解槽体积小、运行灵活、利于快速变载，与风电、光伏（发电的波动性和随机性较大）具有良好的匹配性；SOEC处于产业化示范阶段，其电耗低，电解效率高；AEM还处于实验室开发阶段。
来源《氢能产业发展技术路径研究》，《碳中和目标下制氢关键技术进展及发展前景综述》，《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》，《Currentstatusofwaterelectrolysisforenergystorage,gridbalancingandsectorcouplingviapower-to-gasandpower-to-liquids:Areview》，IRENA，势乘资本
1、碱性电解水制氢（ALK）
（1）碱性电解水制氢特点及成本
碱性电解水制氢技术成熟，成本较低，已实现商业化。碱性水电解制氢是以KOH、NaOH水溶液为电解质；电解槽隔膜主要由聚苯硫醚（PPS）织物组成，起分离气体的作用。阴极、阳极主要由金属合金组成，如Ni-Mo合金等，分解水产生氢气和氧气。产出的气体需要进行脱碱雾处理。碱性电解槽以含液态电解质和多孔隔板为结构特征。但是碱性电解水制氢过程中的产气含腐蚀液体、水蒸气等；并且制氢系统电流密度低，电解效率低；产氢压力低，不利于储运；系统响应慢，也较难直接应用于间歇性电源。
（2）碱性电解槽结构及材料
碱性电解槽由多个电解小室组成，电极、隔膜是关键材料。碱性电解槽通常呈圆柱形，一般是带压系统，可采用串联单极性或并联双极性压滤式结构，由螺栓和两块端压板将极板夹在一起，形成多个分隔的小室。目前也有企业在氯碱行业常压方形槽基础上研发带压产品，以提升安全性、降低电耗。电解槽主要部分包括隔膜、电极、极板和极框、BOP辅助系统；重点
