三、氫儲(chǔ)能對(duì)應(yīng)電解槽市場(chǎng)千億規(guī)模，堿性率先起量、PEM 后起更適配風(fēng)光
3.1 長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能需求帶動(dòng)電解槽放量，風(fēng)光配儲(chǔ)下千億市場(chǎng)空間
2030 年儲(chǔ)能領(lǐng)域氫氣需求預(yù)計(jì)約 230 萬(wàn)噸，對(duì)應(yīng)電解槽裝機(jī)約 57GW，千億市場(chǎng)規(guī)模。 氫儲(chǔ)能可分為日度和季度儲(chǔ)能。
季度調(diào)峰氫氣需求量測(cè)算：可再生能源發(fā)電呈現(xiàn)上半年多于下半年的趨勢(shì)，因此 需要采用跨季度儲(chǔ)能手段進(jìn)行調(diào)控，氫能是適合長(zhǎng)周期儲(chǔ)能的重要方式，并且依 據(jù)氫能中長(zhǎng)期規(guī)劃中對(duì)可再生能源制氫的規(guī)劃，預(yù)計(jì)氫能滲透率將逐年上升，根 據(jù)我們的測(cè)算，2030 年季度調(diào)峰氫氣需求量為 162 萬(wàn)噸，年復(fù)合增長(zhǎng)率 70%。
測(cè)算邏輯與假設(shè)：根據(jù)上文對(duì) 2023-2030 年發(fā)電結(jié)構(gòu)和總社會(huì)用電量的預(yù)測(cè)，得 出所需儲(chǔ)存的電量，結(jié)合氫儲(chǔ)能滲透率從 2021 年的 0.04%上升至 2030 年的 10%、 設(shè)備 1200h-1800h 的年工作時(shí)長(zhǎng)以及 4.5-5.5kWh/L 的制氫電耗測(cè)算。2025 年為 氫能中長(zhǎng)期規(guī)劃的第一個(gè)結(jié)算點(diǎn)，在前期基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備技術(shù)以及成本已初步具 備商業(yè)化可行性時(shí)，2025 年將迎來(lái)爆發(fā)。
日度調(diào)峰氫氣需求量測(cè)算：光伏具有明顯的晝夜分布不均現(xiàn)象，在未來(lái)可再生能源發(fā)電占主導(dǎo)的背景下，為實(shí)現(xiàn) 24h 供電全部使用光伏，必須采用儲(chǔ)能手段。日內(nèi)光照富 余時(shí)段的發(fā)電量通過(guò)電解制氫進(jìn)行儲(chǔ)存，夜間將氫氣通過(guò)燃料電池轉(zhuǎn)化為電能，最終 實(shí)現(xiàn) 24h 不間斷穩(wěn)定供電。根據(jù)我們的測(cè)算，2030 年日度調(diào)峰氫氣需求量為 66 萬(wàn)噸， 年復(fù)合增長(zhǎng)率為 67%。
測(cè)算邏輯與假設(shè)：假設(shè)全國(guó)光伏平均利用小時(shí) 1200 小時(shí)、光伏發(fā)電效率 14%、 電解槽工作 10 小時(shí)/天、一年工作 365 天、耗電量為 5 度電制取 1 標(biāo)方氫氣，理 論上日度調(diào)峰儲(chǔ)能不適合使用氫能，因?yàn)榇嬖陔?氫-電轉(zhuǎn)化效率低(40%)的問(wèn) 題，但氫儲(chǔ)能具有大規(guī)模使用后的成本優(yōu)勢(shì)，在可再生能源裝機(jī)量高增疊加電解 槽成本逐步具備商業(yè)化可行性的背景下，2025 年后氫儲(chǔ)能滲透率將呈現(xiàn)較快速 攀升態(tài)勢(shì)。
綜上，2030 年電解槽市場(chǎng)將達(dá)到 1000 億市場(chǎng)規(guī)模。測(cè)算邏輯與假設(shè)：分堿性和 PEM 電解槽測(cè)算，假設(shè)電解槽產(chǎn)氫量為 200 標(biāo)方/MW， 一天工作 4.5-6 小時(shí)，一年工作 365 天，由于 2021-2025 年主要以示范項(xiàng)目為主， 購(gòu)置成本成為了電解槽選擇考慮的首先要素，當(dāng)前堿性電解槽的購(gòu)置成本遠(yuǎn)低于 PEM 電解槽，堿性電解槽以更成熟的技術(shù)和更低的初裝設(shè)備成本，占據(jù)了更大的 市場(chǎng)份額。隨著行業(yè)發(fā)展逐步進(jìn)入商業(yè)化階段，全生命周期成本將成為重點(diǎn)，同時(shí)疊加 PEM 設(shè)備成本的快速下降，預(yù)計(jì) 2021-2025 年 PEM 電解槽市場(chǎng)占比將從 1%增長(zhǎng)至 10%，2025 年-2030 年從 10%增長(zhǎng)至 40%。通過(guò)分別測(cè)算堿性和 PEM 電 解槽的市場(chǎng)空間，預(yù)計(jì) 2030 年電解槽累計(jì)市場(chǎng)規(guī)模超千億元。
3.2 堿性電解槽率先起量，長(zhǎng)期看 PEM 電解槽有望開(kāi)啟替代進(jìn)程
堿性電解槽當(dāng)前技術(shù)更成熟、價(jià)格更低，PEM 效率更高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，SOEC 是未來(lái) 技術(shù)發(fā)展方向。當(dāng)前電解水制氫技術(shù)有三種，堿性電解槽(ALK)、純水電解槽(PEM) 和固體氧化物電解槽(SOEC)，其中堿性電解槽技術(shù)更成熟，且價(jià)格更低，當(dāng)前大規(guī) 模應(yīng)用更具備經(jīng)濟(jì)性，但啟停時(shí)間相對(duì) PEM 較長(zhǎng)，且能耗更高、體積更大;PEM 效率 更高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力更強(qiáng)、更適合于與風(fēng)光耦合、體積更小，但當(dāng)前成本偏高，未來(lái) 隨著技術(shù)進(jìn)步與規(guī)模效應(yīng)，成本將逐步下降;SOEC 效率高，最高可達(dá) 90%，目前尚處 實(shí)驗(yàn)室階段。
短期內(nèi)堿性設(shè)備以更低廉的價(jià)格，更適用西部大規(guī)模電站，長(zhǎng)期看 PEM 設(shè)備有望在與 堿性制氫成本平價(jià)時(shí)開(kāi)啟替代進(jìn)程。
(1)從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，短期和長(zhǎng)期邏輯有所區(qū)別：
短期：堿性適用于西部大規(guī)模制氫，PEM 適用于東部站內(nèi)電解水制氫。由于堿性 電解槽的大占地面積和高制氫規(guī)模，其更適合在土地資源相對(duì)充足的西部大規(guī)模 建設(shè)，西部豐富的風(fēng)光資源以及低廉的電價(jià)可支撐大規(guī)模制氫的需求;PEM 電解 槽的小體積使其更適用于東部的站內(nèi)制氫，作為加氫站的重要?dú)湓囱a(bǔ)充，當(dāng)前政 策也鼓勵(lì)站內(nèi)電解水制氫，廣東地區(qū)給予其蓄冷優(yōu)惠電價(jià)。
長(zhǎng)期：西部大規(guī)模制氫可使用堿性和 PEM 電解槽的結(jié)合方案，且在 PEM 制氫成本 與堿性持平的情況下可開(kāi)啟對(duì)堿性電解槽的替代進(jìn)程。長(zhǎng)期來(lái)看，隨著技術(shù)的不 斷迭代升級(jí)，PEM 電解槽內(nèi)的銥等貴金屬催化劑用量預(yù)計(jì)將大幅下降，帶來(lái) PEM 電解槽成本的快速下行。PEM 電解水設(shè)備更適用于風(fēng)光氫儲(chǔ)一體化，當(dāng) PEM 與堿 性的 TCO 趨向持平時(shí)，西部大規(guī)模制氫可使用堿性和 PEM 電解槽的結(jié)合方案，且 在 PEM 成本與堿性持平的情況下，預(yù)計(jì) PEM 將開(kāi)啟對(duì)堿性電解槽的替代進(jìn)程。
以運(yùn)行 15 年進(jìn)行測(cè)算，預(yù)計(jì)當(dāng)電價(jià)相同時(shí)，PEM 的設(shè)備成本為堿性設(shè)備成本的 3-4 倍時(shí)，PEM 的單位制氫成本與堿性的單位制氫成本持平。
測(cè)算邏輯與假設(shè)：以 1MW 級(jí)的堿性電解槽與 1MW 級(jí)的 PEM 電解槽為例進(jìn)行成本平 衡點(diǎn)的測(cè)算，堿性電解槽效率為 PEM 電解槽的 90%，功率范圍窄造成的效率損失 約為 10%，兩種電解槽均運(yùn)行 15 年產(chǎn)氫約 900 萬(wàn)方。隨著 PEM 電解槽成本持續(xù) 的下降，在電價(jià)相同的情況下，預(yù)計(jì)PEM的設(shè)備成本為堿性設(shè)備成本的3-4倍時(shí)， PEM 的單位制氫成本與堿性的單位制氫成本持平。
堿性和 PEM 電解槽的結(jié)合方案，80%堿性+20%PEM，電解槽的制氫成本為 2.12 元/m3， 為搭配最佳選擇。對(duì) 1MW 級(jí)的電解槽進(jìn)行成本測(cè)算，電解槽單價(jià)采用 2021 年的數(shù)據(jù)， 電費(fèi)為 0.3 元/kWh，電解槽壽命為 15 年產(chǎn)氫約 900 萬(wàn)方，分為設(shè)備成本和運(yùn)營(yíng)成本 測(cè)算，其中堿性電解槽由于波動(dòng)性匹配區(qū)間較窄，將會(huì)損耗 15%的的效率。三種方案 測(cè)算制氫的 TCO 成本如下：
方案一：100%堿性，電解槽的制氫成本為 2.22 元/m3。全采用堿性電解槽雖然可 以減低設(shè)備的購(gòu)置成本，但因?yàn)閴A性電解槽效率低，再加上最低啟動(dòng)功率限制造 成效率 10%的損失，運(yùn)營(yíng)成本會(huì)有所上升。
方案二：80%堿性+20%PEM，電解槽的制氫成本為 2.12 元/m3。此種電解槽配置方 案 TCO 成本最低，因?yàn)樵诳稍偕茉窗l(fā)電功率不及堿性最低啟動(dòng)功率時(shí)可以采用 小功率 PEM 電解槽制氫，避免了電量損失。此外 80%的堿性電解槽配比也保證了 較低的購(gòu)置成本，因此 TCO 為三種方案最低
方案三：100%PEM，電解槽的制氫成本為 2.33 元/m3。此種電解槽配置方案 TCO 成本最高，因?yàn)槟壳?PEM 電解槽的購(gòu)置成本最高，預(yù)計(jì)到 2030 年此種方案有望 成為成本最優(yōu)方案。
(2)從發(fā)展階段來(lái)看，示范階段更注重初裝成本，商業(yè)化運(yùn)營(yíng)需考慮全生命周期成 本。當(dāng)前電解水項(xiàng)目大多處于示范階段，堿性電解槽技術(shù)更成熟、設(shè)備價(jià)格也相對(duì)更 低，示范階段更傾向于堿性電解槽的應(yīng)用。未來(lái)進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)時(shí)，全生命周期成本 成為首要考慮因素，即需加入運(yùn)營(yíng)成本進(jìn)行考量，堿性電解槽運(yùn)營(yíng)成本占其全生命周 期成本的 75%-80%，PEM 則是占 30-40%，在 PEM 電解槽設(shè)備逐年降本以及其更適合與 風(fēng)光耦合的情況下，PEM 電解槽的應(yīng)用將呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)。
堿性電解槽購(gòu)置成本較低。堿水電解技術(shù)成熟度較高，同時(shí)沒(méi)有貴金屬作為設(shè)備 生產(chǎn)原料，因此單價(jià)相對(duì)較低。但由于需要保證電解槽兩側(cè)氫氧平衡，堿性電解 槽需在額定功率的 20%以上才可以工作，且效率不如 PEM，因此在相同條件下， 制氫量不及 PEM。
PEM 成本較高，國(guó)內(nèi)尚未實(shí)現(xiàn)大功率規(guī)模化應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)可再生能源制氫示范 應(yīng)用項(xiàng)目及主流企業(yè)核心產(chǎn)品基本以堿性電解槽為主，尚未形成大功率規(guī)?；瘧?yīng) 用，技術(shù)成熟度落后于 NEL、ITM、西門(mén)子等海外企業(yè)，同時(shí)受制于生產(chǎn)原料中 的貴金屬，PEM 成本相較堿性較高。但由于 PEM 效率更高且動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，更適 合與光伏、風(fēng)能設(shè)備串聯(lián)使用，運(yùn)營(yíng)階段成本相對(duì)較低。
評(píng)論