绿氢制造，谁与争锋
氢能，仿佛是一支“消碳笔”。从氢能源汽车到大规模绿氢制备，氢能近年来备受关注,被视为21世纪潜在的“能源”。
在初中的化学课本里，氢气和氧气混合燃烧后变成水的过程，是一个我们熟悉的化学方程式(H₂+0₂→H₂0)。在通电条件下，其将发生可逆反应：水被电解成为氢气和氧气。如果用来电解的电能是太阳能、风能、水能等可再生能源,那么整个制氢过程都不会产生任何碳排放，并将实现可持续利用，是氢能产业中的“路线”。通过该路线获得氢气就是“绿氢”。
中国已经是全球大的氢气生产和消费市场。随着新能源电力的大规模发展，规模化绿氢制备开始快速发展。2022年3月,国家发改委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》，提出重点发展可再生能源制氢，严格控制化石能源制氢。此举为自“双碳”目标提出后就不断升温的氢能产业再添一把火。在目前整个中国氢产量中几乎没有存在感的电解水制绿氢，快速爆发，迎来了一大批新老玩家的加入。
“除了长江口和东海的海上风电可以用来电解水制绿氢，很难在上海再找到新的制备场景。然而,上海在氢燃料电池、电解水核心材料和关键技术等领域，不仅有着多年的产业经验,也有着很强的科研实力。”在清耀(上海)新能源科技有限公司(以下简称“清耀新能源”)总经理高慧峰看来，面对产业的风口，上海要打造制氢装备核心技术高地，突破电解槽的技术壁垒，为实现大规模和分布式绿氢制备提供各自的核心设备。
即将迎来千倍增长的绿氢产业，吸引众多“玩家”。
2019年氢能首次被写入《政府工作报告》,2020年“双碳”目标提出，使得中国的氢能产业不断升温。到2021年,中国年制氢产量约3300万吨，同比增长32%，成为全球大的制氢国。然而,在这3300万吨的氢气里，只有1%是通过电解水制氢,至于使用可再生能源制备的绿氢更是极少。
由可再生能源发电、水电解技术得到的绿氢，经过管道或罐车运输至氢用户，可作为能源用于燃料电池或发电厂发电。其中，燃料电池通过电化学反应将氢气的化学能转化为电能，而发电厂则通过直接燃烧产生动力。此外，氢气还可用作化学工业的原料气和冶金项目的还原剂。
近年来，氢能的市场需求持续增加。预计到2030年“碳达峰”期间，我国氢气年需求量将大增，绿氢也将在氢产品结构中大幅度提升占比。根据中国氢能产业联盟预测，到2060年“碳中和”愿景下，我国氢气年需求量有望增至1.3亿吨，在终端能源消费中的占比约为20%，其中70%为绿氢。这意味着在未来30多年里，绿氢的产能将出现成百上千倍的增长。
发展绿氢产业，中国已开始布局。
首先进场的是国家队。当前多家大型能源企业均有相关项目布局。比如，2022年中国石化在新疆库车的光伏制氢项目，用光伏发电，电解水制取绿氢。项目每年生产的2万吨氢气，先被存储在厂区的储氢罐里，通过管道输送到中国石化塔河炼化厂，在炼油加工中使用。
不过，多位受访者表示,目前绿氢的制取成本相对较高，并不具备经济性。绿氢产业的发展趋势是与高耗能高排放工业相结合。业内专家表示：“目前新疆、宁夏、内蒙古等地已有多个绿氢耦合煤化工、合成氨、炼化、氢冶金的技术示范项目开工。但目前电解水制氢成本仍然偏高，是化石能源制氢的3-5倍,且现有电解槽装备对波动性光伏和风电的适应性较差，主要还是并网取电为主,绿电的属性难以追溯。”
毫无疑问，绿氢制备将主要集中在可再生能源发达的地区，如风光资源丰富的新疆、内蒙古,以及水能丰富的川渝地区。”高慧峰也给出了类似的观点：“大规模制备绿氢首先要有大规模的可再生能源,其次要对接工业化级别的用氢需求。无论是可再生能源,还是化工、冶炼、建材等产业，上海乃至东部地区都不具备优势”。
然而，即便如此，上海也已开启绿氢示范应用项目。2022年8月，上海市发改委、市经委发布《关于支持中国(上海)自由贸易试验区临港新片区氢能产业高质量发展的若干政策》，将绿氢制备作为未来海上风电项目多功能融合发展的重要方向之一，鼓励临港新片区氢能企业参与海上风电项目制氢等技术研发、装备制造及工程建设。2023年10月,《上海市进一步推进新型基础设施建设行动方案(2023-2026年)》再次提出实施海上风电制氢先导工程。
冲入绿氢产业链的还有可再生能源设备制造商。以清耀新能源为例，两家合资公司之一就是林洋创业投资(上海)有限公司(以下简称“林洋创投”)，而它的背后站着在上证A股上市的江苏林洋能源股份有限公司(以下简称“林洋能源”)。林洋能源从配电设备起家,在20多年里成为我国光伏产业的一家重量级公司。与林洋能源一样,隆基绿能、阳光电源、明阳智能等一批光伏、风电的国内龙头企业也纷纷进入绿氢领域。这也使得整个绿氢产业呈现出一种万物竞争的勃勃生机。
“这些光伏公司进入氢能产业链并不奇怪，甚至可以说有很强的内在逻辑。”高慧峰说,无论是光伏发电还是风力发电,一直以来都受到气候环境的影响，阳光的强弱、风力的大小,让可再生能源的生产出现很大的波动性，当前可再生能源的发展已经由装机驱动转向消纳驱动，必须要为新能源电力找到多元化的应用场景。一个可行的办法是将波动性很大的可再生能源变成另一种能量储存起来,拓展新的应用方式。比起储能电池、抽水蓄能，氢能无疑是用途更广泛的一种二次能源，既可以作为能源使用，,也可以作为化工原料替代传统石化行业的灰氢，推动工业领域绿色低碳转型发展。“在光伏产业已经遇到市场天花板之后,如果能耦合绿氢产业,就会催生出一片新的天地。”
在“碳达峰”“碳中和”目标背景下，绿氢是必然发展趋势，但若要大规模推广，仍需在技术上多发力。
“在绿氢装备产业上，上海有自己的优势。”高慧峰说,上海是国内早开始发展氢燃料电池汽车的城市，“简单理解,燃料电池是用氢发电，只要反过来分解就能产氢。因此上海在绿氢制备的技术和材料上，有长时间的积累和沉淀，也有一批高校和研究所的创新研发优势。因此，可以将上海打造成绿氢制备的创新策源地。
事实上，清耀新能源的另一家合资方——上海舜华新能源系统有限公司(以下简称“上海舜华”)，早在2004年就已经成立。时任同济大学汽车学院院长万钢在上海率先推动氢能源汽车发展。当时同济大学孵化了两家产业化公司，一家做燃料电池另一家配套加氢站，并建设了国内家加氢站——安亭加氢站,后者就是上海舜华。
“上海舜华是国内早从事加氢站和氢能制储加核心技术的专业化公司。”高慧峰介绍说，在氢能产业热潮之前，研究团队已经在制氢装备领域进行了多年的科研攻关和探索，“2016年以前,我们主要是承接从国家到上海各种课题，开展光伏制氢、加氢、储氢等方面的研究。2016年之后才开始实施产业化布局。”但在国家2019年明确地提出大力发展氢能之前，公司业务主要围绕加氢站和车载供氢系统开展。“一直到2020年，随着'双碳’目标的提出，我们正式开始进军电解水制氢领域；2021年，上海舜华和林洋创投合资成立了清耀新能源。”
电解槽是绿氢制备的核心设备。在浦东张江科学城东区，一栋有着标准化工业厂房的办公楼里，500标方的圆型电解槽被竖了起来。工人们将直径2米的隔膜拉直,与垫片、双极板和电极贴在一起，然后从上往下放置到电解槽里。这样的操作要进行200次,直到电解槽的腔室内安装下200套这样的组合。而每一个由隔膜、垫片、双极板构成的“房间”，构成了电解槽小的功能单位——小室。“就是在这样一个个小室里，水被电解成了氢气和氧气。”高慧峰说,随着绿氢产业的升温,对于电解槽的需求正在快速提升中。
清耀新能源这台重30吨的电解槽属于技术为成熟、设备成本低的碱性电解槽。而当前针对大规模产业化的制氢，主要就是碱性电解槽。2022年,全球碱性电解槽累计装机量为727MW,占电解槽总装机规模的52%。在国内，有近200家的碱性电解槽生产商，市场竞争激烈。
“碱性电解槽行业，入局容易,做好很难。”高慧峰说，“这种电解槽结构上很简单，只要找几张电解槽的图纸，或是联系下电解槽上游零部件供应商，将各种材料买回来，装配叠加在一起，就能拼接成一个电解槽。但这些槽的安全性、可靠性、能耗就千差万别了。事实上，如果没有成熟的设计经验和长时间对工艺的摸索，用同一批材料、相同工艺，都很难制作出性能一模一样的电解槽。”
此外“现在，碱性电解水制氢面临很多问题，包括电极的衰减、镀层的脱落、隔膜的磨损和密封的失效等。而且，效率衰减也比较大，维修很不方便，要拉回厂家进行维修等。”有专家指出，基于新能源电力的新应用和新场景，电解水制氢急需快速的技术提升和变革。
与国内产品相比，国外碱性电解槽在隔膜、电极，以及设计上，采用了更为先进的技术。例如,在PPS(聚苯硫醚)隔膜基础上，涂敷其他材料成为复合新材料，使其有更好的阻气性和更低的面电阻；在电极基材上喷涂高性能催化剂，提升化学活性，提升单位产氢效率；在结构上，根据复杂的流体力学设计出能让氢气“产得快、跑得快”的导气通道。
“多年的研发沉淀和正向开发路径，让我们能够更快地进行产品升级。”高慧峰透露,清耀新能源在2022年11月发布的首款500标方的碱性电解槽，其电流密度为每平方米3000安，仅仅属于行业的平均水平。2023年，公司迭代了新一代产品，通过改用高效催化剂电极提升性能，将电流密度提升到每平方米6000安,使得500标方电解槽的产氢量提升了1倍。现下,公司正计划在明年推出新型隔膜技术的三代产品，进一步提升产品性能。
当氢能源成为我国未来能源结构中不可或缺的一环时，无论是核心设备还是关键材料，都需要实现从无到有的突破。
目前水电解制氢有四种技术：碱性水电解、质子交换膜水电解(PEM)、阴离子交换膜(AEM)水电解，以及高温固体氧化物水电解(SOEC)。这四种技术在我国都有研发，以及产业化开发。据专家介绍，尽管碱性电解槽在技术上还在“摸着石头过河”但上游零部件和原材料基本实现了国产可控，且已经以低价抢占了不少国际市场的份额。与之相比，另一个已经走出实验室的质子交换膜(PEM)电解槽，国内产业规模要小得多，主要原因在于关键材料质子交换膜生产技术被欧美、日本等巨头垄断。此外，这种电解槽使用的贵金属催化剂也存在进口依赖，且价格昂贵。
结合应用场景，闯出绿氢上游发展新路。
目前，国内大型碱性电解槽层出不穷。隆基氢能发布的单体3000标方电解槽是目前国内首台单体大碱性电解槽。
然而，这些大型碱性电解槽基本采用圆型承压式设计。“因为,国产碱性电解槽是中船718所引入为潜艇使用的。为了提高产氢密度，使用圆型带压结构，用螺杆在两头夹紧。”高慧峰回顾技术的发展历程时，也对其中遇到的问题直言不讳，“在潜艇里用几十标方的电解槽当然没问题，但如果要做到上千标方的电解槽，只是把小电解槽做简单放大，就会遇到难题。”比如,因尺寸的放大会带来中间部位重力沉降，由此导致碱液泄漏和设备失效；以及大尺寸电解槽无法现场维修，维修费用高、周期长难题。
与国内碱性电解槽厂商“萧规曹随”式的开发不同，德国蒂森克虏伯股份有限公司根据原有的氯碱槽推出了方型碱性电解槽。这种电解槽采用单元化的设计结构，多个单元叠加在一起。在高慧峰看来，这种方型电解槽的优势在于“只要地方足够大，就可以组成巨型产氢设备”，而且“是插片式的，可以随时取掉，维修也很方便”。国内也有部分厂家做类似技术的产品研发，“要敢于打破成规，闯出发展新路”。
创新需要时间和资金,高慧峰说:“依托于股东方技术资源优势，我们目前正在基于市电、光伏和电化学储能，全方位搭建500标方制氢全场景综合应用示范系统。这是我们进行产品实测和工程化应用的重要举措。我们将与双方股东共同培育'风光发电+氢储能+氢输配’一体化应用新模式，将碱性电解槽作为公司未来进入绿氢产业的重要发展战略。”
包括清耀新能源在内，越来越多的氢能企业清晰地认识到，面对绿氢应用场景的多样化，很难用单一类型的电解槽“包打天下”。大型化的路径不仅仅是尺寸放大，也可以通过模块化集成达到同样的目的。清耀新能源在持续完善大型碱性电解槽等制氢设备的同时，已经构建完成了交通、工业、储能和发电四大领域的解决方案模型，从而赢得了数个商业订单。随着“双碳”目标推进，未来“绿电+绿氢”有望成为深度脱碳的重要解决方案。
“我们把浦东乃至上海作为企业的研发、集成中试的基地，并设置中央生产制造基地，开展核心技术的研发和核心零部件的生产制造。根据市场的区域分布，在项目集聚地设置组装中心，就近提供成套产品和服务。”高慧峰说，“我们要用上海的技术和创新去赢得国内外绿氢制备市场，也希望能在上海绿氢应用落地项目中获得更多的机会。”
从政策上讲，浦东需要明确氢能定位、加强顶层设计，推动风电有效消纳、绿氢规模化制取及应用，探讨未来“绿氢高效制、科学用”的解决方案。此外，还需要推动风电与氢电的深度融合，以产业协同方式带动更多终端氢能规模化应用发展,探讨上下游企业更多元化的商业模式。
文章：浦东科技杂志10期刊
作者：桌尔
清耀（上海）新能源科技有限公司，由上海舜华新能源系统有限公司和林洋创业投资（上海）有限公司合资成立，公司致力于提供高效智能安全的制氢装备以及制储运加整体氢能解决方案，目前可提供1000Nm3/h以下高效碱性电解水制氢装备、 智能化微型供氢舱、制氢用非标压力容器等设备，业务涵盖光伏、风电、储能、制氢、加氢、储氢等多个环节和领域，可在新能源相关领域，为客户提供高效、清洁、可持续的能源解决方案能力。
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