探尋氫能源制備的全球投資機會! 普拉格（PLUG.US）知多少？

自第21 屆聯(lián)合國氣候變化大會以來，清潔能源的使用已成全球共識。碳中和成為了全球共識的當下，氫能源具有來源豐富，高熱值，綜合性能強等特性，是化石能源的理想替代品。全球多國不斷加強氫能源產業(yè)鏈建設，氫能源具有發(fā)展?jié)摿Α?br/>

從各制取氫路徑的特點來看，傳統(tǒng)制氫工業(yè)中以煤、天然氣等化石能源為原料，制氫過程產生CO2排放，制得氫氣中普遍含有硫、磷等危害燃料電池的雜志，對提純及碳捕獲有著較高的要求。焦爐煤氣、氯堿尾氣等工業(yè)副產提純制氫，能夠避免尾氣中的氫氣浪費，實現(xiàn)氫氣的高效利用，但從長遠看無法作為大規(guī)模集中化氫能供應來源；電解水制氫純度等級高，雜質氣體少，易與可再生能源結合，被認為是未來最有發(fā)展?jié)摿Φ木G色氫能供應方式。

圖表1 ：主要制氫路徑及其優(yōu)缺點

數(shù)據(jù)來源：《中國氫能產業(yè)發(fā)展報告》

1、煤制氫

從供應潛力看，中國當前煤化工行業(yè)發(fā)展較為成熟，煤制氫產量大且產能分布廣，可以基于當前的煤氣化爐裝置生產氫氣，并利用變壓吸附（PSA）技術將其提純到燃料電池用氫要求。煤制氫產能適應性強，可以根據(jù)當?shù)貧錃庀牧康牟煌?，設置氫氣提純規(guī)模并調節(jié)產能，在車用氫能產業(yè)發(fā)展初期對企業(yè)整體運營影響較小。傳統(tǒng)煤制氫采用固定床、流化床、氣流床等工藝，合成氣中CO2、CO等體積分數(shù)高達45-70%，碳排放較高，不滿足低碳化制氫路徑，且含有硫化物等腐蝕性氣體。

近年來，新型煤氣化制氫技術也在不斷發(fā)展，超臨界水煤氣化技術利用超臨界水（溫度≥374℃、壓力≥22.1MPa）作為均相反應媒介，具有傳統(tǒng)煤氣化技術無法比擬的氣化效率高、氫氣組分高、污染少等優(yōu)點，但目前尚未產業(yè)化。

2、天然氣制氫

天然氣制氫技術以天然氣為主要原料成本，由于中國天然氣資源供給有限且含硫量較高，預處理工藝復雜，導致國內天然氣制氫的經濟性遠低于國外。

3、工業(yè)副產氫

工業(yè)副產氫是指在生產化工產品的同時得到的氫氣，主要有焦爐煤氣、氯堿化工、輕烴利用（丙烷脫氫、乙烷裂解）、合成氨合成甲醇等工業(yè)的副產氫。中國工業(yè)副產氫大多數(shù)已有下游應用，也存在部分放空。當前工業(yè)副產氫基本為各企業(yè)自產自用，較難統(tǒng)計，實際可利用情況還需與企業(yè)相互協(xié)調與平衡。

4、電解水制氫

當前電解水制氫工藝主要有堿性電解，質子交換膜（PEM）電解、固體氧化物（SOEC）電解技術。其中堿性電解水制氫與質子交換膜電解制氫技術相對較為成熟，SOEC電解技術的電耗低于堿性和PEM電解技術，但尚未廣泛商業(yè)化，國內僅在實驗室規(guī)模上完成驗證示范。由于SOEC電解水制氫需要高溫環(huán)境，其較為適合產生高溫、高壓蒸汽的光熱發(fā)電等系統(tǒng)。

根據(jù)《中國氫能產業(yè)發(fā)展報告2022》，可再生能源電價是綠氫成本的重要組成部分，占比約60-70%，目前可再生能源在全球范圍內逐步實現(xiàn)發(fā)電平價，未來發(fā)展?jié)摿薮?，發(fā)電成本的不斷降低使得帶凝結水制氫逐步具備市場競爭力。此外，隨著可再生能源發(fā)電占比的提升，電力系統(tǒng)季節(jié)性調峰壓力不斷加大，接近于零成本的棄風棄光量將成為未來電解水制氫的重要電源。

考慮減排效益，結合可再生能源的電解水制氫才符合綠色氫能的發(fā)展路徑。如果考慮當前中國電力的平均碳強度，電解水制氫的綜合碳排放是化石能源制氫過程碳排放的2-3倍；隨著可再生能源平價上網，中國電力平均碳排放強度將持續(xù)下降。

圖表2 ：電解水制氫與化石能源制氫的碳排放強度對比

數(shù)據(jù)來源：《中國氫能產業(yè)發(fā)展報告》

4.1電解槽具體

圖表3 ：國內電解水制氫主要技術路線的性能特點對比

數(shù)據(jù)來源：中國船舶重工集團第七一八研究所，國家能源集團大渡河流域水電開發(fā)有限公司，中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，康明斯（中國）投資有限公司，《中國氫能產業(yè)發(fā)展報告》

電解槽是電解水制氫系統(tǒng)的核心。電解水制氫系統(tǒng)由電解槽及輔助系統(tǒng)組成，其中電解槽是電解反應發(fā)生的主要場所，輔助系統(tǒng)則包括電力轉換、水循環(huán)、氣體分離、氣體提純等模塊。

(1).堿性電解槽：結構簡單、成本低，單臺產氫量高

堿性電解槽主要由電極、隔膜、極板（雙極板+極框）、密封墊等零部件組裝而成。堿性電解制氫技術以30%wtKOH溶液或者25%wtNaOH溶液作為電解質，陰陽電極采用Ni基材料，隔膜采用石棉布或聚砜等絕緣材料，直流電流密度通常為0.25A/c㎡，工作溫度一般維持在80-90℃，工作壓力在3.2MPa以內，能耗4.5-5kWh/Nm3H2。堿性電解制氫技術成熟度高，設備制造成本低，單體設備產氫量大，但電流密度低、電解槽體積大，同時啟動時間長，與可再生能源電解水適配度較低。

圖表4 ：堿性電解槽工作原理

資料來源： 《中國制氫技術的發(fā)展現(xiàn)狀》

(2). PEM電解槽：結構類似燃料電池堆，但材料體系有別，國內技術成熟度低，設備成本高

PEM電解槽的結構類似燃料電池電堆，主要由膜電極（質子交換膜、催化劑、氣體擴散層）、雙極板構成，但在材料用量和加工工藝兩者有所差異。PEM電解槽的電解質為固體質子交換膜，氫氣滲透率較低，產生的氫氣純度高，僅需脫除水蒸氣，工藝簡單，安全性高；采用零間距結構，歐姆電阻較低，顯著提高電解過程的整體效率，且體積更為緊湊；壓力調控范圍大，氫氣輸出壓力可達數(shù)兆帕，可以適應快速變化的可再生能源電力輸入。

圖表5 ：PEM電解槽工作原理及結構

資料來源： 《中國制氫技術的發(fā)展現(xiàn)狀》

4.2綠氫成本是決定電解水制氫市場空間的關鍵變量

(1). 2022年，電解水設備廠商已披露產能合計約6.5GW

據(jù)GGII調研統(tǒng)計，2021年中國電解水制氫設備出貨量超過350MW。其中，考克利爾競立出貨量達到160MW排名第一，主要受益于寶豐能源綠氫項目，公司1000標方制氫設備出貨量國內領先；按出貨量統(tǒng)計的CR3（考克利爾競立、中船718所、賽克賽斯氫能）大約60%。根據(jù)已披露的企業(yè)產能情況，主流電解水生產企業(yè)2022年的產能合計約6.5GW。

圖表6 ：部分披露產能的電解水設備廠商

資料來源：公司官網

(2). 綠氫成本的影響因素：電價、工作小時數(shù)、設備成本

在目前三種主流制氫技術路徑中，電解水制氫的成本最高。以大型綠氫項目應用較多的堿性電解水系統(tǒng)為例，不考慮土建安裝、原料水和人工運維，制氫成本=電價×單位電耗+每年設備折舊/每年制氫總量，按照可再生能源電價為0.3元/kwh，堿性電解水制氫系統(tǒng)價格1200萬元，每年工作2000小時，測算電解水制氫成本為22元/kg。

圖表7 ：大型堿性電解水制氫項目電解槽設備價格估算

資料來源：公司公告

圖表8 ：電解水制氫成本計算

對電解水制氫成本影響較大的變量：電價、設備成本、工作小時。在堿性電解水制氫中，電耗成本占比達70%，最有效的降本路徑是可再生能源電價的下降，以及工作小時數(shù)提升。在PEM電解水制氫中，設備成本占比達77%，最有效的降本路徑是降低設備成本、提高工作小時數(shù)。目前，國內尚無PEM電解槽的大型綠氫項目應用，和PEM電解槽成本高昂有較大關系。PEM電解槽設備成本的下降空間可參考燃料電池系統(tǒng)，以億華通為例，2017年至2021年，燃料電池系統(tǒng)成本從1.44萬元/kw降至0.53萬元/kw，降幅達到63%。

對電解水制氫成本影響較大的變量：電價、設備成本、工作小時。在堿性電解水制氫中，電耗成本占比達70%，最有效的降本路徑是可再生能源電價的下降，以及工作小時數(shù)提升。在PEM電解水制氫中，設備成本占比達77%，最有效的降本路徑是降低設備成本、提高工作小時數(shù)。目前，國內尚無PEM電解槽的大型綠氫項目應用，和PEM電解槽成本高昂有較大關系。PEM電解槽設備成本的下降空間可參考燃料電池系統(tǒng)，以億華通為例，2017年至2021年，燃料電池系統(tǒng)成本從1.44萬元/kw降至0.53萬元/kw，降幅達到63%。

5、代表公司——普拉格（PLUG.O）

普拉格（PLUG.O）：全球氫燃料電池叉車龍頭

普拉格能源目前是全球最大的燃料電池集成商之一，也是全球市值最高的燃料電池公司。公司專注于在全球范圍內從事氫燃料電池系統(tǒng)的設計、開發(fā)、制造和商業(yè)化應用，主要用于工業(yè)越野、叉車物料搬運等市場，是燃料電池叉車領域細分龍頭。截至 2020 年，公司已經部署了4萬套燃料電池系統(tǒng)，并且成為液態(tài)氫的最大買家。

深耕于制氫端，大力推動綠氫發(fā)展。公司的電解水制氫系統(tǒng)由世界上最有經驗的PEM電解團隊之一——Giner ELX設計，其擁有超過47年的設計、生產和銷售電解槽電堆以及集成產品的經驗。GenFuel 電解解決方案簡化了電力輔助設施（BOP），降低了電堆和系統(tǒng)成本，處于行業(yè)領先地位。

應用場景主要是： 1） 儲存剩余電能、太陽能和風能，用于生產氫氣供以后使用。 2） 用于工業(yè)用戶按需制氫，包括電動渦輪冷卻，食品廠商的氫化，浮法玻璃 工藝和半導體制造。 3） 為燃料電池公共汽車、汽車、火車、叉車、卡車和其他燃料電池車輛提供加氫服務。 GenFuel電解解決方案簡化了電力輔助設施（BOP），降低了電堆和系統(tǒng)成本，處于行業(yè)領先地位。PEM 技術使產品在可再生電力轉化為氫氣時迅速作出反應。

公司認為電解氫是生產可持續(xù)能源的關鍵。公司有一個清晰的綠色氫發(fā)展路線圖，即未來達到綠氫成本為每公斤 1.5 美元。PEM 電解槽的最新研發(fā)進展提高了在能源利用和運行成本方面的效率，使得電解系統(tǒng)與水電、風能和太陽能等動態(tài)可再生能源相結合變得更加容易。