属于氢能的大时代到来了,一个默默无闻的行业突然变得炙手可热——电解槽,一个发展了220多年的产品正在成为新能源革命的新焦点。

我最近翻阅了一些关于电解水的资料,这个2020年全球也不过90MW装机规模的产业关心的人实在不多,因为相关的专业资料太少,我不得不请教行业内的专家来口述这个行业的历史。也许是因为它跟水有关,跟氢和氧有关,跟生命有关,我们发现,电解槽的发展历史居然与人类工业发展历史、与中国工业发展的历史高度契合。

氢气的制取由来已久,1783年法国物理学家夏尔锂提出用硫酸和铁作用制取氢气。同年,拉瓦锡设计了成本低廉的水蒸气通过灼红的枪桶制取氢气。1800年,世界上有了电解水制取氢气和氧气。到十九世纪中叶,开始有了煤气化制氢。十九世纪后半期,开始采用铁—汽法制取氢气。

电解水技术来自于航天科技,最早是为了生产航空燃料,因为航空基地很偏远,需要氢气,而又不能从远处运输过去,保密的需要也不能在当地建化工厂,所以需要就地解决氢的来源。

1800年,Nichoson和Carlisle首先以电解法提取了氢气和氧气,1888年俄国的拉奇诺夫取得第一台单极性电解槽的专利,二十世纪开始,德国的Garuti和Schuc Kert提出第一台实用性的单极性电解槽的设计,德国的Schmidt-Oerikon 提出第一台双极性电解槽设计。

电解槽的产业化是基于工业用氢的需求。1927年,世界第一台大型压滤式电解槽装置在挪威的诺托登(Notodden)安装,由海德鲁公司(Norsk Hydro)制造,当时的产氢量规模是10000m3/h,生产的纯氢用于化肥生产试验,这是NEL Hydrogen的前身。这一技术到1965年发展到90000m3/h。

1939年,世界第一台大型箱式电解槽在加拿大安装,产量规模为17000m3/h;1945年后,世界上已经有近十家电解水企业。1958年印度又安装了26000m3/h压滤式电解槽生产装置;1960年和1977年埃及分别安装了41000m3/h和21600m3/h压滤式电解槽生产装置。

1960年以前,电解槽着重在安全、可靠性和操作维护方面进行改进。碱性电解槽发展主要经历了从常压到加压,从石棉隔膜到非石棉隔膜电解槽,从小规模到大规模,目前加压非石棉隔膜的兆瓦级产品成为碱性电解槽的主流产品。

1948年Zdansky-Lonza设计了压力电解槽,把电解槽的操作压力提高到30kg/m3,并由Lurgi公司进行制造。1958年产氢量为5000Nm3/h的压力电解槽在秘鲁的库斯科安装。压力电解槽可以降低操作电压,同时亦可以节省压缩消耗的电能,这是一项重大的改进。

我国是比较早研究压力电解槽的国家,中船718所于上世纪60年代中期开始研究,并在70年代的时候开始产业化。到2001年,NHEL(NEL前身)的第一个加压电解槽才推出市场。不过,NEL是1988年在全球最早推出非石棉隔膜电解槽的企业。

另一条正在趋于成熟的技术路线年代由燃料电池技术派生出来的一条技术路线,来自于航天器上利用燃料电池的逆反应制氢。最早是GE公司推出用在宇宙飞船的备用系统, 1962年杜邦公司改良了质子膜,20世纪80年代推出民用氢气发生器。

1996年以来,美国的Proton OnSite公司开始与联合技术航空航天系统合作,为航空航天和海军开发和制造质子交换膜电解槽,成为全球PEM电解槽行业的龙头。

因为PEM电解槽更能适应可再生能源的波动性,所以,国际市场上更多的目光都投向了这个方向。2017年,挪威Nel收购美国Proton OnSite获取领先的PEM电解技术,成为世界上最大的电解槽公司;康明斯完成收购Hydrogenics水吉能;2019年阳光电源与中国科学院大连化学物理研究所签订制氢产业化战略合作协议,开始大功率PEM电解制氢技术的产业化研究。

目前,PEM水电解制氢已步入商业化阶段,但制约技术大规模发展的瓶颈在于膜电极选用被少数厂家垄断的质子交换膜,阴、阳极催化剂材料需采用铂、铱等贵金属,且电解能耗仍然偏高。

目前,国内外非贵金属催化剂研究已取得一定的进展。另外,基于融合碱性水电解和PEM水电解各自优势的研究思路,采用碱性固体电解质替代PEM的碱性固体阴离子交换膜(AEM)水电解制氢技术成为新方向。据相关科学家称,新的电解制氢有望将碱性和PEM电解槽的成本降低30%。

2014年欧盟提出PEM水电解制氢技术发展目标:第一步开发分布式PEM水电解系统用于大型加氢站,满足交通用氢需求;第二步生产10、100、250 MW的PEM电解槽,满足工业用氢需求;第三步开发满足大规模氢储能需求的PEM水电解制氢系统。

2015年SIEMENS、Linde Group等公司在德国美因茨能源园区投资建设全球首套MW级风电PEM水电解制氢示范项目,氢气供应当地加氢站、工业企业,富余氢气直接注入天然气管网。当可再生电力价格低于3欧分/kWh,项目启动PEM水电解制氢设备,反之上网发电。炼油、化工、钢铁等碳密集型行业也是PEM水电解制氢重要的应用场景。

目前,PEM制氢开始研究海上风电制氢,Shell、SIEMENS、rsted、TenneT等公司正在推动欧盟海上风电制氢从概念设计走向示范应用。

上世纪70年代,第一次石油危机时,人类开始寻求替代能源就将氢气誉为“清洁的氢能”,并对氢气的制取方法有了更加广泛的研究,包括化学循环法、热分解法、光催化法等各种制氢方式。

在毛宗强、毛志明、余皓等编著的《制氢工艺与技术》(2021年)一书中,列举了各种化石能源制氢、可再生能源制氢、生物质能源制氢等共19种。不过,因为成本的缘故,目前,主要制氢方式是化石燃料转换制氢和工业副产氢。1974年全球产氢量3000万吨,到现在还只有7000万吨,其中电解水制氢不过4%左右。

电解槽不是一个大产业,但因为氢和氧都是常用的化学原料,所以,电解槽属于基础工业中必不可少的装备。中国电解槽产业发展已有60多年,其间也有过成熟产品直接引进的经历,但目前主流产品碱性电解槽和PEM电解槽的产品都是在共性理论基础上独立研发而成的。

因为中国没有参与过第一次工业革命和第二次工业革命,很多基础工业都是在上世纪两次技术引进的大背景下形成的。第一次是上世纪50年代-60年代前苏联的156个援助项目下的技术引进;第二次是上世纪80年代改革开放,中国向欧美日等发达国家引进技术、设备、甚至是企业管理。

我国电解槽最早的生产技术也是50年代初期从前苏联引进到北京电子管厂的常压电解槽,当时承接这一基础制造的是东北地区的企业——哈尔滨联合机械厂(行业内简称“哈机联”),哈机联推出的常压电解槽DY-24、DY-75、DY-125等型号一度应用于我国工业生产特别是电子、化工厂。当时,广州重型机械厂和上海重型机械厂参与了电解槽的技术“会战”。

第二次技术引进的浪潮上世纪80年代,我国冶金行业和电子行业也在这一时期采购了一些进口的电解水设备,分别从德国和美国进口了一部分产品。

不过,今天在市场上的主流产品既不是60年代从前苏联引进的电解槽,也不是从80年代从欧美引进的电解槽,而是中国自主设计的加压电解槽。

1965年,毕业于天津大学燃料化学工学专业的许俊明开始从事水电解制氧工艺研究及设备设计研制工作,任水电解制氧装置课题组长,1976年-1978年,因为我国核潜艇员需要呼吸氧气,许俊明的课题组开发出中压电解槽,并获中国船舶工业公司科技进步三等奖、河北省科技进步二等奖、加压水电解制氢(氧)系列产品已列入1990年国家级火炬项目计划。

上世纪80年代中期,中国制造业以引进技术为主,独立的研究机构资金来源遭遇挑战,国家鼓励厂所挂钩,把设备推向社会化。许俊明与中国建材设计院探讨工业应用,建材设计院提出,浮法玻璃需要的是氢而不是氧。

这样,浮法玻璃成为我国电解槽民用市场规模化的第一个驱动力,718所的电解水制氢项目开始进入市场化,蚌埠玻璃厂、青岛玻璃厂都开始采购电解槽。

第二个驱动力是电子领域,京东方的前生国营东光电工厂(简称878厂)、北京电子管厂(简称774厂)等电子企业也成为了加压电解槽的用户。

第三个驱动力是钢铁的还原剂对氢的需求,上世纪80年代中期,包钢、首钢、唐钢、马鞍山钢铁等企业也陆续采购了718所的加压电解槽。

进入90年代,加压电解槽已经做到单槽100Nm3以上,电解槽规格覆盖80Nm3,100Nm3、120Nm3、125Nm3、200Nm3,至此,第一批苏联引进的常压电解槽企业基本上已经退出市场,进口设备也基本上被国产设备所替代。

1992年,我国制造的加压电解槽开始通过包钢、杭氧等企业在苏州推出成套出口,我国加压电解槽设备走向了国际市场。

90年代初期,各阶层对中国的市场经济出现了较大的分歧,身处军工企业的718所也不例外,所里电解槽业务的红火同样遭遇了分歧,有人质疑科研院所的定位,此时,正值南巡,718副总工程师许俊明坚定走市场化路线个中国电解槽工程师南下苏州,在当时的地方官员张碧航(现在竞立的董事长)支持下成立了苏州苏氢设备公司,后来改为苏州竞立。

1994年,因为从北方到苏州的一些工程师不适应苏州的气候环境和文化环境,苏氢一分为二,一部分人留在了苏州,而另一部分人则跟随许俊明返回北方,落地天津——成立天津市大陆制氢设备有限公司。

至此,由718所在1992年的7月18日18个工程师南下的“718大裂变“就形成了我国加压碱性电解槽行业三足鼎立的格局。

最早成立公司的是1993年的苏州竞立;回到天津的科研人员于1995年成立天津大陆,718所于2008年成立了派瑞氢能科技有限公司。

不过,这并不是最终的结局,实际上,这个源自718所的裂变还在不断演变,从现在的电解水制氢设备企业来看,中电丰业、隆基股份、凯豪达都有来自718、苏州竞立和天津大陆的工程师。

中电丰业成立的背景有别于其他氢能装备公司,创始人王德军是海军出身,曾在军队做设备翻译,从部队退役后从事国外电解槽的代理,2018年引进股东山东潍焦创新投资管理有限公司,并在潍坊成立生产基地——山东海氢能源科技有限公司。

说PEM是新一代技术是相对的,因为碱性电解槽技术在国外的生产制造已经有220多年,但PEM电解槽是燃料电池的逆反应。1984年由电子工业部第十研究院编著的《氢气生产与纯化》一书中提到了多种制氢方法,其中电解水重点介绍了碱性电解槽,也提到了与PEM燃料电池逆反应的固体聚合物电解质电解槽(SPE)。

在我国,中科院大连物化所、718研究所对PEM电解槽已有较深的研究,2021年大连物化所与阳光电源合作联合开发250kW(50标方)PEM电解槽,目前,该项目已经开始在鄂尔多斯市伊金霍洛旗展开示范应用。

不过,真正在PEM电解水领域投入时间最长、具有产业化基础的国内企业是济南的赛克赛斯。济南市化工院的刘青蓝教授自1988年开始研究PEM电解水技术,并在济南设立了公司探索产业化,不过,直到刘教授夫妇到退休年龄他们经营的PEM电解设备也没有盈利。2007年在地方政府的推荐下,当地医药器械公司赛克赛斯接手该项技术,并已经开发了四代该技术的氢气发生器产品,公司产品在行业中获得了BCEIA金奖,欧洲CE认证,出口美国,英国,韩国,日本等20多个国家,目前PEM电解槽已经升级到MW级能源产品。

2018年12月,赛克赛斯首台兆瓦级50m3/h大型纯水电解制氢设备中标佛山市蓝箭电子股份有限公司项目,进入半导体行业;2020年9月,公司承担的国家重点研发计划重点专项“MW级固体聚合物电解质电解水制氢技术”项目完成中期验收,2021年6月首台套兆瓦级PEM制氢系统开机运行。

2021年12月9日,由中国石化资本公司发起设立的恩泽基金与康明斯按50:50比例共同出资并于中国境内设立合资公司——康明斯恩泽(广东)氢能源科技有限公司。合资公司将康明斯领先的质子交换膜(PEM)电解水制氢技术在中国进行本地化生产。

目前,世界主流的电解水制氢技术路线包括碱性电解水制氢(ALE)、PEM电解水制氢(SPE)及固态氧化物电解水制氢(SOEC)三种。其中,相对比较成熟的是碱性电解槽和PEM电解槽。2020年-2021年,全球碱性电解槽装机比例75-78%。

从挪威1927年推出世界第一套碱水制氢装置算起,这项技术已经近200年的历史,我国自主研发的碱性电解槽也有50年,是目前发展最为成熟、商业化程度最高的电解水制氢方式。碱性电解槽具有技术成熟、单堆规模大、一次性投入设备成本相对比较低、产品使用寿命周期长等优点。价格只有PEM电解槽的1/3-1/5。

不过,碱性电解槽的体积和重量是同等功率PEM电解槽的4倍以上,除了占地面积,流水线加工性也不如PEM电解槽;转换效率相对比较低,一般在60%左右,而PEM在70%以上;而且碱性电解槽相对PEM响应速度比较慢,适合的负荷范围比PEM窄,对可再生能源的适应性不如PEM电解槽;从维护性来看,碱性电解液以KOH为例,与空气中CO2反应会形成不溶于水的碳酸盐,进一步堵塞多孔催化层,降低电解槽性能,维护成本会比较高。

现阶段绿氢成本还比较高,国内PEM电解产业化才刚刚起步,核心零部件还依赖进口,而且可能受制于贵金属供应与成本;而我国碱性电解槽特别是加压式碱性电解槽并不落后,单槽规模在国际市场相对领先,有一定的竞争优势。

不过国内外电解槽在设计上也有一些区别,国外企业一般用多个电解槽模块组合集成,他们认为这样更便于后市场维护;国内更强调单机产氢量规模,这样相对成本比较便宜。

因为碱性电解槽和PEM电解槽性能上的差异,碱水更适合稳定性电源,如水电或网电,而PEM电解槽在波动的可再生能源场景有更好的适应性。

欧盟规定了电解槽响应时间小于5秒,目前只有PEM电解水技术可以达到这一要求。为此,欧盟规划了PEM电解水逐渐取代碱性电解制氢的方案。2020年7月,欧盟委员会发布了氢能战略规划,重点发展利用风电、光伏等可再生能源来生产可再生氢。

2020年-2024年,支持安装超过6GW可再生氢电解槽,产氢量达到100万吨;2025年-2030年,建设40GW可再生氢电解槽,产氢量达到1000万吨;2030年-2050年,可再生氢产业成熟,将在众多难以脱碳的行业,如航空、海运、货运交通领域展开大规模应用。

据1984年出版的《氢气生产与纯化》一书记载,到1974年全球氢气产量3000万吨,其中电解水制氢只有4%;而到现在40多年年过去了,全球氢气产量7000万吨,其中电解水制氢依然不到5%,在我国更是只有1%左右。

显然,在过去相当长的时间里,电解水是一个规模不大且成长性不高的产业。就连全球最大的电解槽企业NEL的营收也不到8亿挪威克朗,而且大部分电解槽企业都不是公众公司,很难拿到准确的销售数据,不过从国内外项目招投标情况来看,国外PEM制氢近年示范应用比较多,国内碱水电解槽更加活跃。

但这一产业正在因为“碳达峰、碳中和”而发生深刻的变化。2021年被视为电解水制氢的分水岭,从全球范围来看,在这个极度爆发的市场我们很难准确预测未来5-10年的规模。

据彭博新能源财经(BNEF)氢电解器数据库信息,2020年全球完成电解槽项目装机90MW,2021年达到240MW,但很多项目都是长周期和大规模的投入,电解槽出货量在2022年将翻两番,至少达到1.8GW,中国在全球装机量中预计占60-63%。

根据开发商披露的信息,到2030年,全球累计装机量会超过40GW。其中碱性电解槽因经济效益更好将继续主导市场,2022年市场份额为80%。

在欧洲的绿氢规划里,2020—2024年,支持安装超过6GW 的可再生氢电解槽,产氢量达100万吨;2025—2030年,建设40GW 的可再生氢电解槽,产氢量达 1000万吨;2030—2050年,可再生氢产业成熟,在众多难以脱碳的行业(如航空、海运、货运交通等)进行大规模应用。

根据国际能源研究中心数据,2050年电解水制氢市场份额有望从现阶段的不到1%提高至70%,电解系统市场规模预计可以超过7000亿。

余卓平教授预测,到2030年,风电、太阳能发电总装机量将达到12—16亿千瓦时,按照可再生能源电解水制氢5%比例配置,装机规模有望达到70GW,到2060年,我国电解槽装机规模有望达到400GW,绿氢年产量提升至1亿吨。

全球范围内,电解槽核心厂商主要包括Nel Hydrogen、Elogen、H-TEC Siemens、Proton OnSite和Cummins等。其中,Cummins通过收购Hydrogenics进入到燃料电池和电解槽领域。日本松下在燃料电池和电解水领域都有大量的投入,企业技术在全球领先。

对老牌工业企业来说,巨大的市场空间是值得投入的,近期德国的Thyssenkrupp、美国的Honeywell International也宣布要进入电解槽市场。

Proton On-site、Hydrogenics、Gin-er、西门子等相继将 PEM 电解槽规格规模提高到兆瓦级。其中,Proton Onsite 公司的 PEM 水电解制氢装置的部署量超过 2000 套(分布于 72 个国家和地区),拥有全球 PEM 水电解制氢 70% 的市场份额。Proton Onsite2014年被挪威的NEL收购,不断兼并重组的NEL目前已经成为全球最大的电解槽制造商。

从国际市场看,过去十年各地持续推出了绿电制绿氢项目,2010 年前后的多数电解制氢项目规模低于 0.5 MW,而 2017—2019 年的项目规模基本为1~5 MW。项目规模逐渐达到10MW级以上、甚至100MW。

近年比较有影响力的项目包括:日本NEDO,东芝能源系统,东北电力,以及岩谷产业2020年投产的10MW项目,于2020年2月底竣工并投入运行;Evolugen和Gazifère Inc.计划在加拿大Outaouais地区建造并运营一座约20MW的电解水制氢工厂;德国可再生能源电解制氢的“Power to Gas”项目运行时间超过了 10 年。

2016 年西门子股份公司参与建造的 6MWPEM电解槽与风电联用电解制氢系统,年产氢气200吨,已于2018年实现盈利;

2019年德国天然气管网运营商OGE公司、Amprion 公司联合实施Hybridge100 MW电解水制氢项目,计划将现有的OGE管道更换为专用的氢气管道。

2019 年,荷兰启动了PosHYdon项目,将集装箱式制氢设备与荷兰北海的电气化油气平台相结合,探索海上风电制氢的可行性。

西门子能源和法液空2021年签署了一份协议,在合作框架内,西门子能源和液化空气将联合申请欧盟“欧洲绿色协议”和“欧洲共同利益重大项目”(IPCEI)-氢计划下的大型项目资金,该计划由法国和德国政府资助。

蒂森克虏伯欧洲钢铁公司与加拿大魁北克水电公司签订“绿氢”合同,建立一个88兆瓦的电解水工厂,该项目将于2023建成投运,地点设在魁北克的瓦伦内斯,每年预计生产11,100吨的绿色氢气。

我国2018年开始启动与能源相关的电解水制氢项目,2020年、2021年绿氢项目已经在各大能源公司展开。目前,国内主要的绿氢项目是碱水制氢,但我们观察到三峡集团、中石化的项目选择了PEM制氢,而且中石化与康明斯在佛山成立了PEM制氢的合资公司。

按照可再生能源配合要求,由可再生能源发电企业按照不小于15%(时长4小时)的方式配置调峰资产,未来电解槽在储能方面的需求将会率先启动。

据电解槽制造企业反映,目前国网、南网、国电投、中石化、三峡集团、大唐、中车集团、华能等能源企业都在规划相关绿电项目。

电解槽行业不纯粹是产品的生产,设备做的越来越大,本质上是一个产品+工程的行业模式,至今还是手工作业为主,Know-How体现在工艺和经验上,所以,尽管行业趋势比较好,技术也比较成熟,但专业人才的培育需要时间,这是一个安全要求较高的产业,安全管理更需要实践经验,对于新进入的企业来说,对工艺的积累是最难跨越的门槛。

俞红梅、邵志刚、侯明、衣宝廉、段方维、杨滢璇《电解水制氢技术研究进展与趋势》2021年4月《雪球》《干货 一文带你了解PEM水电解制氢技术发展现状》,《中国化工信息周刊》(2021年5月)

王卫国等《SPE水电解池与H2/O2型PEM燃料电池比较》,2013年4月《绿色科技》。

氢云链《七年被卖过三次仍能独立鳌头!一文解析全球氢电解槽龙头NEL成长过程那些故事》。

电子工业部第十设计研究院《氢气生产与纯化》,黑龙江出版社。(1984年)

纪钦洪,徐庆虎,于航,于广欣,刘强,肖钢《详解PEM水电解制氢技术与应用》

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