堿水制氫技術(shù)在雙碳目標(biāo)下的新機(jī)遇

文章來源:科技學(xué)術(shù)派碳交易網(wǎng)2022-04-01 13:50

引言:“中國當(dāng)下主流的制氫方式仍然是煤制氫,但在雙碳目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下,與可再生能源相結(jié)合的電解水制氫技術(shù)將是制備綠色氫能的主要方式,也必將成為未來氫能源制備市場的主流。堿水制氫作為電解水制氫市場的重要組成部分,在新時(shí)代雙碳背景下取得了諸多新進(jìn)展,大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化潛力進(jìn)一步增大”。

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文章來源:水木易德研究團(tuán)隊(duì)(水木易德公眾號(hào):yieldcapital)

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7000億電解水制氫市場 本文+內(nèi)-容-來-自;中^國_碳+排.放_(tái)交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om

中國當(dāng)下主流的制氫方式仍然是煤制氫,但在雙碳目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下,與可再生能源相結(jié)合的電解水制氫技術(shù)將是制備綠色氫能的主要方式,也必將占據(jù)未來絕大部分的氫能源制備市場。目前來看,因?yàn)槌杀締栴},電解水制氫與其他制氫路線相比競爭優(yōu)勢較小,但隨著技術(shù)發(fā)展及電解水制氫規(guī)模增加,電解水制氫設(shè)備成本降價(jià)空間較大。根據(jù)國際能源研究中心數(shù)據(jù),2050年電解水制氫市場份額有望從現(xiàn)階段的不到1%提高至70%,電解系統(tǒng)市場規(guī)模預(yù)計(jì)可以超過7000億。在此背景下,包括寶豐能源、隆基股份、陽光能源等在內(nèi)的上市公司紛紛著手布局電解水制氫業(yè)務(wù)。主流的電解水制氫技術(shù)路線包括堿性電解水制氫(ALE)、質(zhì)子交換膜電解水制氫(SPE)及固態(tài)氧化物電解水制氫(SOEC)三種。其中,堿水制氫技術(shù)發(fā)展已經(jīng)超過百年,是目前發(fā)展最為成熟、商業(yè)化程度最高的電解水制氫方式。

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堿水制氫技術(shù)特點(diǎn)堿水制氫電解槽制造過程中不使用貴金屬資源,成本低,同時(shí)還具有工作壽命長的優(yōu)勢,這使得堿水電解制氫成為現(xiàn)階段電解水制氫市場最主要的技術(shù)路線。堿水電解制氫技術(shù)發(fā)展最為成熟、是商業(yè)化程度最高的電解水制氫方式,其電極制造不使用貴金屬資源,成本低,是電解水市場的重要組成部分。經(jīng)過近30年的積累,中國企業(yè)在壓力型堿水電解裝備制造領(lǐng)域逐步取得了國際領(lǐng)先的地位。相關(guān)企業(yè)的堿水制氫業(yè)務(wù)有業(yè)績,電解槽產(chǎn)品有長期運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn),部分企業(yè)電解槽已有10年以上的運(yùn)行經(jīng)歷,產(chǎn)品穩(wěn)定性良好。比較有代表性的堿水制氫企業(yè)包括老三家——718所、蘇州競力、天津大陸,以及新勢力——隆基氫能,陽光氫能等。表1 不同電解水制氫路線特點(diǎn)

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(來源:The future of Hydrogen, Report by IEA for G20 Japan, 2019)堿水制氫電解裝置主要由強(qiáng)堿性電解液、多孔的陰極/陽極、隔膜部件組成。其中,水分子在陰極被分解為陽離子和氫氧根離子,氫離子在陰極得電子生成氫氣(4e-+2H2O→H2+2OH-),而氫氧根離子在電場作用下穿過隔膜材料,到達(dá)陽極,并在此失去電子生成水分子和氧氣(4OH-→O2++2H2O+4e-)。電解出的氣體會(huì)帶有堿液,因此,對(duì)產(chǎn)出的氣體要進(jìn)行脫堿霧處理。

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圖1 堿水制氫裝置圖(來源:能源情報(bào))傳統(tǒng)觀點(diǎn)中堿水制氫的局限性——一直以來,公眾認(rèn)知中堿水制氫的局限性主要有以下幾點(diǎn): 內(nèi).容.來.自:中`國`碳#排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai f an g.com

(1)堿性電解槽能源轉(zhuǎn)化效率較低,一般在60%左右

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(2)堿性電解槽響應(yīng)速度較慢,制氫速度難以靈活調(diào)節(jié),難以與具有快速波動(dòng)性的可再生能源配合。 本%文$內(nèi)-容-來-自;中_國_碳|排 放_(tái)交-易^網(wǎng)^t an pa i fang . c om

(3)堿性電解液,以KOH為例,與空氣中CO2反應(yīng)會(huì)形成不溶于水的碳酸鹽,進(jìn)一步堵塞多孔催化層,降低電解槽性能

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堿水制氫新技術(shù)

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新材料

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電解槽性能的提升、成本的降低,離不開對(duì)材料的新開發(fā)、新研究。其中,天津大陸與有關(guān)單位共同開發(fā)的新型高效電極在4000 A/m2的電流密度下電極電壓為1.80 V,電流密度可進(jìn)一步提高到5000-6000A/m2;所研發(fā)新型隔膜也已工作十多年,與現(xiàn)行隔膜相比,該隔膜的面電阻更低,阻氣性能更好,小室電壓可降低0.03-0.05V,氧中氫的純度可提升0.1-0.2%。除此之外,相關(guān)企業(yè)在電解槽其他核心部件的新材料也取得了較大進(jìn)展。以新型電極材料開發(fā)成果為例,某企業(yè)自主研發(fā)的新型電極材料可以達(dá)到5000 A/m2的電流密度值,電極電壓為1.84 V,較常規(guī)鎳網(wǎng)電極2.08 V的電壓降低13%。此自研電極材料直流單位能耗為4.4 kWh/Nm3氫氣,為電解槽更高的性能提供了技術(shù)基礎(chǔ)。天津大陸在電解槽墊片開發(fā)上也取得了新進(jìn)展,其電解槽墊片采用經(jīng)過多年驗(yàn)證的高強(qiáng)度的塑料合金,抗蠕變性好,安全穩(wěn)定性好,線脹系數(shù)接近鋼的線脹系數(shù),抗壓強(qiáng)度比普通墊片材料高一倍以上,耐壓強(qiáng)度高最高可達(dá)5.0 MPa,比國內(nèi)其他廠家的堿性電解水設(shè)備出口壓力1.6 MPa更高,可有效降低增壓系統(tǒng)帶來的電耗,對(duì)于制氫設(shè)備直接耦合化工領(lǐng)域更具優(yōu)勢。同類型公司在絕緣墊片開發(fā)上也取得了積極成果。據(jù)了解,某代表性企業(yè)的電解槽所配備的墊片具有回彈性好、抗壓性強(qiáng)的特點(diǎn),技術(shù)可靠,已在更嚴(yán)苛場景驗(yàn)證多年,適合電解槽在反復(fù)開停機(jī)條件下使用,壽命更長久。 本`文@內(nèi)-容-來-自;中_國_碳排0放_(tái)交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om

新制造

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制造方式的優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)電解槽降成本的另一重要方式。過去由于應(yīng)用領(lǐng)域有限,市場規(guī)模不大,堿水制氫電解槽生產(chǎn)制造方式以單件小批量供應(yīng)的訂單制造為主。隨著電解水市場的擴(kuò)大,水電解新勢力在生產(chǎn)方式上進(jìn)行創(chuàng)新,如極框的帶材下料冷輥焊接工藝,極框和極板的自動(dòng)焊接工藝等極大的提高了產(chǎn)品質(zhì)量和制造效率。據(jù)了解,相關(guān)企業(yè)已實(shí)現(xiàn)電解槽極板的半自動(dòng)化加工生產(chǎn),流程涉及極框輥圓、坡口焊接、焊縫檢測、消應(yīng)力熱處理、焊接、檢漏、加工、清理毛刺等工序,在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí),大大提高了制造效率、降低了成本。 禸嫆@唻洎:狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm

新系統(tǒng)、新結(jié)構(gòu) 本+文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com


在目前應(yīng)用最為廣泛的1000 Nm3/h電解槽上,各公司對(duì)電解槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了新開發(fā),代表性的有—— 本@文$內(nèi).容.來.自:中`國`碳`排*放^交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.c om

(1)電極連接方式上由“1正2負(fù)”向“1正1負(fù)”發(fā)展,具有成本低,連接簡單的優(yōu)勢; 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com

(2)極板設(shè)計(jì)上,由傳統(tǒng)乳突極板向平極板/不銹鋼網(wǎng)/焊接鎳網(wǎng)復(fù)合極板發(fā)展,對(duì)于保證氣液流動(dòng)順暢,減少氣阻具有積極影響; 本*文@內(nèi)-容-來-自;中_國_碳^排-放*交-易^網(wǎng) t an pa i fa ng . c om

(3)由原來的“1對(duì)1”(1臺(tái)電解槽對(duì)應(yīng)1套氣液分離設(shè)備)向“2對(duì)1”(2臺(tái)電解槽對(duì)應(yīng)1套氣液分離設(shè)備)、“4對(duì)1”發(fā)展,可極大降低堿水制氫的系統(tǒng)成本。 本%文$內(nèi)-容-來-自;中_國_碳|排 放_(tái)交-易^網(wǎng)^t an pa i fang . c om


堿水制氫性能提升 本`文-內(nèi).容.來.自:中`國^碳`排*放*交^易^網(wǎng) ta np ai fan g.com

更高的電堆效率

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在之前的堿水制氫市場中,市場規(guī)模小,技術(shù)迭代緩慢,針對(duì)于其隔膜、催化劑、電極等部件優(yōu)化程度較低,造成產(chǎn)氣效率較低的問題。但通過近期對(duì)代表性企業(yè)堿水制氫電解槽產(chǎn)品的調(diào)研可以發(fā)現(xiàn),目前的電堆能效普遍可以達(dá)到80%的水平,較之前提升較高。表2 代表性企業(yè)堿性電解槽產(chǎn)品參數(shù)對(duì)比圖 本文+內(nèi)-容-來-自;中^國_碳+排.放_(tái)交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om

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(來源:水木易德氫能產(chǎn)業(yè)新技術(shù)研究報(bào)告)

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更快的響應(yīng)速度 本文`內(nèi)-容-來-自;中_國_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om


根據(jù)天津大陸設(shè)備公司的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),其堿水制氫電解槽在外加負(fù)荷產(chǎn)生變化時(shí),系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)秒級(jí)的響應(yīng)速度,且對(duì)電解槽溫度、液位、壓力等參數(shù)影響較小。區(qū)別于之前的傳統(tǒng)認(rèn)知,堿水電解對(duì)電源的適應(yīng)能力,是可以適配大部分的可再生能源的電源需求的。圖2 大陸制氫堿性制氫系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng) 內(nèi).容.來.自:中`國`碳#排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai f an g.com

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(來源:水木易德氫能產(chǎn)業(yè)新技術(shù)研究報(bào)告) 禸*嫆唻@洎:狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńpāīfāńɡ.cōm

更好的穩(wěn)定性

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依托堿水制氫較長的發(fā)展時(shí)間,其良好的穩(wěn)定性得到了長期的運(yùn)行驗(yàn)證。天津大陸公司于2018年實(shí)現(xiàn)1000標(biāo)方的電解水制氫設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行,現(xiàn)已進(jìn)行了3年多的工程技術(shù)驗(yàn)證,為國內(nèi)運(yùn)行時(shí)間最長1000標(biāo)方設(shè)備。同時(shí),同類型企業(yè)也依托對(duì)承壓型電解水制氫技術(shù)積累深厚,高度注重新技術(shù)安全驗(yàn)證環(huán)節(jié),近40年生產(chǎn)的1000余臺(tái)套電解槽無一起安全重大事故,技術(shù)安全穩(wěn)定性好。 本`文@內(nèi)-容-來-自;中_國_碳排0放_(tái)交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om

結(jié)語電解水市場發(fā)展必要性較高,潛在市場規(guī)模大,各上市公司紛紛開展業(yè)務(wù)布局。堿水制氫作為目前發(fā)展最為成熟的電解水制氫路線,相較其他電解水制氫技術(shù)路線具有成本低,運(yùn)行可靠,壽命長的優(yōu)勢,在電解水制氫市場具有不可替代的地位。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為,堿水制氫能源轉(zhuǎn)化效率低,電解槽響應(yīng)性差,與可再生能源適配性低,阻礙其在新能源領(lǐng)域的發(fā)展。在此背景下,各堿水制氫企業(yè),借助新材料、新制造、新系統(tǒng)、新結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)堿水制氫電解槽的進(jìn)一步性能優(yōu)化、成本優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了堿水制氫電解槽80%左右的電解槽能效、更快的響應(yīng)速度、更高的穩(wěn)定性,對(duì)降低堿水制氫能耗、提高與其與可再生能源適配性、及進(jìn)一步降低成本具有重要意義。未來的規(guī)?;惺诫娊馑茪涫袌霰貙⑹且詨A水制氫為主,PEM純水制氫與堿水制氫共同發(fā)展、相輔相成的格局。 本*文@內(nèi)-容-來-自;中_國_碳^排-放*交-易^網(wǎng) t an pa i fa ng . c om

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