氫能與燃料電池產業前沿報告：棄風棄光，化電為氫

1、電解水制氫核心在于“電”

數十年來，氫能作為工業生產的原料，市場已經較好的建立起來，根據氫能理事會報告，2015 年全球氫需求為8EJ，氫能原料市場規模約為 1150 億美元，到2022年市場規模將到達 2550 億美元。但需要指出的是，目前氫能 并未廣泛作為機動車燃料用途，“氫能——燃料電池——汽車”作為技術可 行的能源使用方案，下游應用市場的逐漸放開有利于全產業鏈的均衡發展。 當前，該領域正進入導入期，關鍵環節的技術和經濟性問題正進一步突破。

2019年我國將氫能源首次寫入《政府工作報告》，政府工作任務中明確“將推動充電、加氫等設施建設”。 我國開始推動氫能利用是一種邁向久遠的做法，很多的工作是戰略性的且長期性的，很可能在2025和 2030 才能有成效。因此，我們當前對氫能利用的政策解讀、產業階段、技術問題需要具有 一個清醒的認識，才能對未來行業發展提出更寶貴的建議。本篇我們主要從制氫環節，尤其是可再生能源電力電解水制氫方法的可行性進行討論和分析。

1.1、電價是電解水制氫的決定因素

常見的制氫技術有包括煤制氫、天然氣與石油制氫、工業副產氫等，電解水制氫技術成熟度也較高，且有一些案例已經進入實用階段。

若以正常工商業銷售電價計算并拆分電解水制氫的成本，具體應包括資產折 舊、運營費用(一般維護、電池組更換)、電費(用電、過網費)，其中電費成本會達到 70-80%，占比較高。

因此，我們可以得出結論:電解水制氫最重要的成本在于電費，用電的成本 決定了氫氣的成本，電解水制氫工藝需要盡可能的壓低電費成本。其他如

折舊、運營費用，則需要通過技術進步、提升管理水平來降低，整體占比較小且是一個長期過程。

一般來講，每生產 1Nm3H2 約消耗電力 3.5-5kWh，如果采用當前市場銷售 電價作為制氫成本，電解水技術路線是沒有競爭力的。但如果能夠使用到成 本較低的電力用于制氫，即當電解水制氫的綜合成本降低到約1元/Nm3 的時 候，該方法在經濟性上就具有一定競爭力;此外，考慮碳減排的因素，電解 水制氫較化石燃料法制氫法相比更具有一定的社會效益。

因此，一方面我們需要進一步了解的是在一定收益情況下，電價和氫氣售價的函數關系;另一方面我們需要找到廉價的電力作為電解水制氫的能量來源。我們以產氫能力 600Nm3/h，年產氫量120萬 Nm3 為假設基礎對電解水制氫 項目進行靜態測算，可得:年耗電量 600 萬 kWh，如果假設電價為0.5元/kWh， 氫氣以 4 元/Nm3 售賣，年度的毛利率約為28%。

進一步，當我們分別鎖定不同毛利率為 30%、40%、50%時，也可測算出氫 氣價格與電價的函數關系:在相同毛利率下，電費和氫氣價格呈正相關;如 果電費降低到為 0 元/kWh，則三種毛利率下的氫氣價格分別為 0.57、0.71、 0.92 元/Nm3。上述計算說明，在特定收益率條件下，電費成本越低，氫氣價 格越低，項目則更有競爭力。這種低成本的電力通常情況下較難獲得，但有 望在棄風棄光電力消納過程實現，這也是電解水制氫工藝路線的核心。

1.2、可再生能源電力更低碳、高效

當前，加氫站數量不足、下游應用市場未有效建立導致氫能利用發展滯后; 氫氣運輸瓶頸尚未完全突破、成本較高，資源地產氫且就近消納是可行方案: 制氫環節上未來沿海主要以化工副產制氫模式，內陸則是煤制氫與可再生能 源制氫并存。

利用可再生能源制氫是新能源領域的一個新發展趨勢，前文已經討論，要廣 泛利用來自可再生能源的氫，必須要獲得廉價的電力，并繼續致力于降低設 備建設和關聯設備的成本，當前通過使用棄風、棄光電力可以打通制氫環節 路線。

總體而言，可再生能源制氫的優勢在于:

(1)可有效消納棄風、棄光電力，同時降低制氫成本; (2)從電力到氫的能量轉換效率比較高(60%~80%); (3)可再生能源電力電解水制氫是一個低碳過程。

根據能源信息網 2017 年 2 月 17 日的報道，西門子及其合作伙伴已合作正式 建設世界最大的電解氫設施，該設施的核心部件美因茨能源場，是一種高壓 PEM 電解槽。電解槽可在幾秒鐘內達到高達 6MW 的最大容量，適用于可再 生能源發電系統的快速變化的輸出。

根據北極星電力網 2016 年 9 月 26 日和 2019 年 3 月 11 日的報道，河北省 沽源縣建設的世界最大的風電制氫綜合利用示范項目已于 2016 年 9 月全部 并網發電，隨后于 2019 年3月完成制氫設備的安裝。項目包括 200MW 風 力發電、10MW 電解水制氫系統、氫氣綜合利用系統3個部分。制氫站于 2016 年 9 月中旬開工建設，該項目總投資20.3億元，采用從麥克菲公司引 進 4MW 風電制氫裝置的技術設計方案和整套生產設備。

1.3、電解水制氫技術科技發展前沿

根據電解質的不同，電解水制氫可分為堿性電催化制氫和質子交換膜條件電 催化制氫，電解水包括兩個半反應——陰極上的析氫反應和陽極上的析氧反 應。

陰極:4H++4e-→H2(g) 陽極:2H2O(e)→O2(g)+4H++4e-

(1)目前業內對堿性電解水研究已經較為透徹，工業上也有一定的應用。 堿性條件下，一般采用 20%-30%的 KOH 或 NaOH 水溶液，商用電解層工 作溫度為 60-80°C，電解電壓為1.8-2.1V，析氫陰極必須在高溫、高堿濃度、 高電流密度等條件下長期并間歇性工作，工業生產更多出于穩定性方面的考 慮，仍以Ni合金為陰極，單位氫氣的能耗約為 4.5-5.5kWh/m3，陽極主要 為Ni/Co/Fe氧化物，石棉為隔層。

電解系統除電解槽外，還包括電源設備、純水設備、電解質溶液調整設備、 氣液分離器、生成氣中堿霧和水分等的去除設備、運輸設備等。

(2)質子交換膜條件是以PEM作為隔膜，目的在于提高電解效率、提高電 解電流密度，從電解質膜的導電性和耐久性出發，通常采用DuPont的 Nafion 膜等;陰極采用 Pt/C 為基本配置，陽極采用 IrO2(氧化銥)或 RuO2 (氧化釕)。目前，氧析出常用的商用催化劑是IrO2，銥金屬市價為240-250元/克，價格較高，而 RuO2 雖然價格較便宜，但性能一般，掣肘設備的商業 應用。

《自然·催化》2019 年四月刊封面，中國科學技術大學吳宇恩教授課題組成 功制備的釕單原子合金催化劑，該釕單原子合金催化劑相對于商業釕基催化 劑的過電位降低了大約 30%，穩定性提高了近 10 倍，釕金屬市價為19.5-20.5元/克，具有廉價、高效的特點，該成果被業內給予較高評價，對未來電極催 化劑新材料的研發和應用，以及大規模電解水制氫的商用提供了較強的科研 基礎。

總體而言，當前質子交換膜條件電解水方法由于有貴金屬應用于電極中，使 固定資產投資較高，通過新材料技術降低成本是未來重要的方向。

2、棄風棄光可提供低成本電力

清潔能源發展不平衡的矛盾日益凸顯，特別是清潔能源消納問題突出，已嚴 重制約電力行業健康可持續發展。棄電制氫逐漸成為可再生能源開發的重要 支撐技術，對解決棄風、棄光問題將起到重要的作用。

國家發展改革委與國家能源局聯合印發《清潔能源消納行動計劃(2018-2020 年)》，指出探索可再生能源富余電力轉化為熱能、冷能、氫能，實現可再 生能源多途徑就近高效利用。

2.1、我國棄風棄光率與消納情況分析

近 5 年來，我國風電、光伏產業迎來了突飛猛進的發展。2018 年，我國新增并網風電裝機 2059 萬千瓦，累計并網裝機容量達到1.84億千瓦，占全部發電裝機容量的 9.7%;全國光伏發電裝機達到1.74億千瓦，其中，集中式 電站 12384 萬千瓦，分布式光伏 5061 萬千瓦，占比為9.2%。

在發展初期，棄風棄光現象較為嚴重，國家對此較為重視，此前采取了一系 列措施，取得了一定效果。另一方面，發達國家風電發展初期棄風率也較高， 部分逾 10%，經過一段時間的發展，逐步也降到當前的 5%以下。

我國在《清潔能源消納行動計劃(2018-2020 年)》中提出:

• 2018年，確保全國平均風電棄風率低于 12%(力爭控制在10%以內); 光伏發電棄光率低于 5%;

• 2019年，確保全國平均風電棄風率低于 10%(力爭控制在8%左右);光伏發電棄光率低于 5%;

• 2020年，確保全國平均風電棄風率控制在合理水平(力爭控制在5%左右); 光伏發電棄光率低于 5%。

2018年，我國棄風、棄光率有了一定的好轉。2018 年風電發電量 3660 億千瓦時，占全部發電量的5.2%，風電平均利用小時數 2095 小時，全年棄風電量277億千瓦時，平均棄風率 7%。全國光伏發電棄光電量 54.9 億千瓦時， 棄光率 3%。

2018年，棄風率超過 8%的地區是新疆(棄風率 23%、棄風電量 107 億千 瓦時)，甘肅(棄風率 19%、棄風電量 54 億千瓦時)，內蒙古(棄風率 10%、 棄風電量 72 億千瓦時)。三省(區)棄風電量合計233億千瓦時，占全國 棄風電量的 84%。

棄光主要集中在新疆和甘肅。2018 年，國網新疆棄光電量 21.9 億千瓦時，棄光率16%;國網甘肅棄光電量10.4億千瓦時，棄光率 10%。

2.2、棄風棄光電力分布體現因地制宜

我國的棄風、棄光體現了顯著的區域性:棄風、棄光均較為顯著的是新疆、 甘肅地區、棄風顯著的是內蒙古、河北、吉林等地，均有進一步通過制氫方 式消納低成本棄電的條件。

我們以 2018 年棄風、棄光電量為基礎進行潛在產氫量和燃料電池車可供給 量的理論測算。結果顯示，每年可產氫 59.3 萬噸，燃料電池車可供給量為 414.5 萬輛。

從區域分布來看，我國的北部內陸地區將是棄風、棄光電力制氫利用的潛在 地區，同時也有助于契合國家要求，進一步提升多層次的可再生能源利用水 平。

在棄風、棄光電力使用過程中，負荷波動、制氫容量配置對整體系統穩定性 以及經濟性的影響是需要重點考量問題。

(1)再生資源電力負荷波動對制氫影響較小

如風電，不同季節和不同時段的出力特性不同，棄風現象也存在時間不確定因素。因此，制氫系統需要克服風電輸出功率變動的影響。

一般來說，風電電能分配系統由連接風力發電系統與制氫系統 AC/DC 變流 器、連接風電系統與電網的 AC/AC 變流器與功率分配控制器組成。AC/DC 變流器是交流輸入直流輸出，通過電壓變換起到濾波、穩壓的作用。

易偉等在《利用風電制氫儲能系統提高東北某區域電網棄風消納能力》指出， 氫儲能系統中的電解水制氫過程是一個可以自適應風電電能間歇和波動輸 入的過程，當制氫系統開始觸發，通過風電電能分配系統，電解槽可在恒定 功率下運行的。

因此，一般來說，風電-制氫系統可以自適應風電出力隨機、間歇和波動特性， 并極大提升了風電消納能力以及風力發電制氫系統的穩定運行。

(2)制氫容量配置若體現規模效應經濟性更佳

黃大為等在《利用制氫系統消納風電棄風的制氫容量配置方法》中，研究了 風電場中配置制氫系統容量規模問題。具體方法是綜合考慮電解槽電耗量、H2 價格以及棄風利用率和風電機組年利用小時數等因素，對單個風電場和風 電場群制氫系統的容量配置進行了技術經濟性的比較分析。

通過對東北某 30 MW 風電場和 100 MW 風電場群為例進行對比分析，結果 表明:

1)風電場群裝機規模比單個風電場更大且總棄風電量更多;

2)風電場群棄風持續曲線更加平緩且持續小時數更多;

3)風電場群制氫容量配比更小，單位制氫容量利用小時數更高。

因此，風電場群共建制氫系統的方案因其規模效應，較單個風電場經濟性更 為顯著。

2.3、拓展區域需求及就地消納是前提

運輸和下游需求依然是棄電制氫過程重要的考量因素。

(1)氫能利用運輸環節依然是掣肘，就地消納更為合理。

目前氫氣運輸主要以高壓氣態拖車短距離運輸為主，主要適用于 300km 以 內;管道運輸以及液氫運輸并未大規模應用，長距離氫氣運輸目前成本較高， 基礎設施和運氫設備不健全，同時下游需求若未形成規模效應，則沒有競爭 力。因此，當前低廉的運輸成本將有利于大規模制氫企業布局于生產成本低 的區域，就地消納更為合理。

(2)就近建立下游氫市場是氫能利用良性發展的核心。

時璟麗等在《風電制氫經濟性分析》假設了四種“風電——制氫——運輸——下游”應用的情形，并比較了經濟性。

1)情形一:當地就近擁有氫氣應用需求，則風電場附近可建設制氫設備， 電價是決定因素，該方案最具有經濟效益。

2)情形二:50-300km 范圍內有氫氣應用需求，若在風電場附近建設制氫設 備，采用拖車或管道運輸氫氣至需求地，氫氣運輸成本估算增加 2 元/Nm3， 需要進一步考慮電費成本和整體的經濟效益。

3)情形三:若在市場需求端制氫，采用風電直供方式，氫氣直接用于下游 應用，相較于情形二中的直接運輸氫氣更具有經濟性，整體經濟性測算中電 價是決定因素。

4)情形四:若短距離范圍無氫氣應用需求，可直接接入當地天然氣管網， 這對基礎設施建設要求較高，需要政府發揮統籌規劃職能。

總結而言:可優先選擇棄電水平較高、電價較低且有一定氫市場需求地區開 展試點。

• 1)利用棄風、棄光制氫的最關鍵因素是氫市場，如果發電場附近有氫氣應 用需求最佳;

• 2)如果風電場和下游應用有一定距離(幾十到幾百公里)，則采用市場端 制氫、風電直供方式更為經濟，優于風電場端制氫、用管道或拖車運輸氫氣;

• 3)在沒有合適氫市場需求的情況下，則可將氫氣接入天然氣管網，需要政 策發揮統籌規劃職能，才會有經濟性。

3、棄風棄光電解水制氫產業鏈

目前，棄風、棄光電解水制氫雖然在技術上可行，但經濟性將更取決于下游 需求和電價水平。當前，該細分領域僅為發展初期，政策、配套設施依然不 健全;因此，整體產業的發展仍然是一個長期過程，短期推進應以試點方式， 二級市場的投資機會也多以主題性為主。

我們認為，應選擇棄電水平相對高，可獲得棄風、棄光電價水平較低且就近 具有氫市場需求的地區作為電解水制氫產業導入方案。

3.1、電解水設備類尚未形成規模

如上文所述，成本是電解水制氫技術普及的最大制約因素，其雖有純度高、 對環境友好等多項優勢，但成本顯著高于其他方式。我國作為氫氣產能第一 大國，電建水制氫量占比不足 1%，這也進一步制約了我國電解水制氫產業 的發展。雖然我國已有多家水電解制氫設備生產廠家，其產品質量相對可靠 且價格有優勢，已出口至全球各地，但整體來看我國的電解水制氫設備行業 仍處于“小而散”的階段，規模和體量的擴大尚需時日。

……

3.2、發電公司制氫配合區域發展

可再生能源制氫，尤其是利用棄風、棄光電力制氫，可有效消納棄風、棄光 電力、降低制氫成本，且在能量轉換效率比較高的同時也是一個低碳過程， 是相對最理想的制氫方式，因此國內已有部分發電公司利用其新能源發電資 源切入氫能領域，提前布局可再生能源制氫項目，未來亦有望進一步成為當 地電解水制氫產業的導入方案。

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（報告來源：光大證券；分析師：殷中樞、王威）

編輯：沃巴查芒