【专题报告】光伏制氢技术与经济性分析（一），光伏制氢

1. 政策规划与绿氢空间

2022年3月23日，国家发展改革委、国家能源局联合印发了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》，规划中提出：氢能是未来国家能源体系的重要组成部分、是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体、是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。到2025年，可再生能源制氢量达到10-20万吨/年，成为新增氢能消费的重要组成部分，实现二氧化碳减排100-200万吨/年。2025年到2030 年，形成较为完备的清洁能源制氢及供应体系，使可再生能源制氢得到广泛应用。到2035年，形成氢能产业体系，构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态。可再生能源制氢在终端能源消费中的比重明显提升，对能源绿色转型发展起到重要支撑作用。

发展氢能就是为了能源的“去碳”，只有通过无碳能源生产“绿氢”才能实现这一目标。同时通过电氢耦合的形式缓解我国电源侧和负荷侧空间错配的问题，促进我国能源供应和消费区域之间的平衡，提升我国能源体系的安全性和运作效率。《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》将清洁低碳作为氢能发展的基本原则，提出构建清洁化、低碳化、低成本的多元制氢体系，将发展重点放在可再生能源制氢，并提出严格控制化石能源制氢。可再生能源制氢结合氢燃料电池，可以调节电网负荷和储能，能够大幅提高可再生能源发电并网比例，减少弃水、弃风、弃光。当前，部分地区出台政策提出禁止煤制氢或者要求发展绿氢。

图 各地政策支持绿氢产业发展

来源：各地政府网站，德邦研究所

随着全球碳减排的力度加大，氢能尤其是绿氢的需求将不断提高。中国氢能联盟预计：2050年氢能在中国能源体系中的占比约为10%，氢气需求量接近6000万吨/年，同时可再生能源(风、光)电解水制氢占比由2020年的3%提升至2050年的70%。

2. 光伏制氢技术与经济

光伏制氢是指利用光伏发电系统产生的直流电直接供应制氢站制氢用电，包括光伏发电系统、电解水制氢系统。

图 典型的光伏制氢系统

来源：《“双碳目标”下可再生能源制氢技术综述及前景展望(李建林)2021》

根据光伏发电系统并网与否分为并网制氢、离网制氢。并网制氢是将风光机组产生的电能并入电网，再从电网取电的制氢方式，主要应用于大规模弃光消纳和储能;离网制氢是指将光伏发电系统产生的电能直接提供给电解水制氢设备制氢，主要应用于分布式制氢。

电解水制氢的原理是在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。目前国内电解水制氢的主要技术有碱性水电解(AWE)、PEM(质子交换膜)电解两种。

2.1碱性水电解制氢

碱性电解技术是目前发展最成熟的电解水技术。碱性电解水制氢的基本原理：在电流作用下，水通过电化学反应分解为氢气和氧气，并在电解池的阴极和阳极析出。

图 碱性水电解制氢原理图

来源：《中国制氢技术的发展现状(曹军文)》

图 碱性水电解制氢系统图

来源：IRENA,德邦研究所

碱性电解水制氢设备系统相对复杂，主要包括电解槽、压力调节阀、碱液过滤器、碱液循环泵、碱液制备及贮存装置、氢气纯化装置以及气体检测装置等模块组成.碱性水电解制氢技术成熟，投资、运行成本低，但存在碱液流失、腐蚀、能耗高、占地面积大等问题。

2.2 PEM电解制氢

PEM电解技术目前处于市场化早期，其主要部件包括具有质子交换能力的聚合物薄膜和分别与电解质薄膜两侧紧密连接的阴阳极催化层。和碱性电解水制氢技术不同，PEM 电解制氢技术使用质子交换膜作为固体电解质替代了碱性电解槽使用的隔膜和碱性电解质，并使用纯水作为电解水制氢的原料，避免了潜在的碱液污染和腐蚀问题。PEM的工作原理：水在阳极催化分解为氧气和 H+，H+穿过电解质隔膜到达阴极，并在阴极得电子生成氢气，反应后的氢气和氧气通过阴阳极的双极板收集并输送。

图 PEM电解制氢原理图

来源：《中国制氢技术的发展现状(曹军文)》

图 PEM电解制氢系统图

来源：IRENA,德邦研究所

PEM系统比碱性系统简单得多。通常在阳极(氧气)侧，需要循环泵热交换器、压力控制及监测器。在阴极侧，需要安装气体分离器、除氧组件(通常不需要差压)、气体干燥器和终端压缩机。

图 两种电水解制氢技术对比

来源：《“双碳目标”下可再生能源制氢技术综述及前景展望(李建林)2021》

根据IRENA发布的《绿氢降本路径：扩大电解槽规模实现 1.5℃气候目标》，与碱性电解水制氢技术相比，PEM 电解水制氢技术具有电流密度大、氢气纯度高、响应速度快等优点，但PEM电解槽单位成本远高于碱性电解槽。

综合来看，PEM 电解具有效率高、气体纯度高、绿色环保、无碱液、体积小、安全、产气压力高、与可再生能源具有良好的匹配性，在性能上整体优于碱性水电解;但PEM电解槽价格远高于碱性电解槽，我国碱性电解槽基本实现国产化，价格在2000-3000 元/KW，而PEM电解槽关键材料与技术依赖进口，价格在 7000-12000元/KW;且国内生产的PEM电解槽单槽最大制氢规模大约在200Nm3/h，且无大规模制氢应用案例，而碱性电解槽单槽产能已达到1000Nm3/h，国内已有兆瓦级制氢应用，规模化应用使得碱性电解在设备折旧、 土地折旧及运维成本上都远低于PEM电解。

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