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绿色氢、绿氨、绿色甲醇制取技术科普

绿氢制取技术包括利用风电、水电、太阳能等可再生能源电解水制氢、太阳能光解水制氢及生物质制氢，其中可再生能源电解水制氢是应用最广、技术最成熟的方式。

一、绿氢替代趋势逐渐显现

氢气作为二次能源，需要通过能量转化过程从煤、烃类和水等物质中提取。氢气制备途径多样，根据氢气制取过程中的碳排放量不同可以分为“灰氢”、“蓝氢”和“绿氢”。

“灰氢”指通过煤炭、石油、天然气等化石能源的重整制氢，和以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢（PDH）等为代表的工业副产氢，生产过程中释放大量的二氧化碳，但因技术成熟且成本较低，是当前主流制氢方式；“蓝氢”是在灰氢的基础上，将CO2副产品捕获、利用和封存(CCUS)，减少生产过程中的碳排放，实现低碳制氢；“绿氢”是通过可再生能源（如风电、水电、太阳能）制氢、生物质制氢等方法制得的氢气，生产过程基本不会产生二氧化碳等温室气体，保证了绿氢的生产过程零排放。

根据国际能源署（IEA）必威体育精装版公开统计数据：2021年全球氢气产量约9400万吨/年，氢能产量主要来源于化石能源制氢，占比高达81%，其中天然气制氢占62%、煤制氢占19%；低碳排放制氢占比仅0.7%，电解水制氢的产量仅为3.5万吨，仅占0.04%。由于化石能源制氢可为行业引入低成本氢源，近10年天然气制氢占比较大，我国氢气年产量约为3300万吨，主要由化石能源制氢和工业副产氢构成，其中煤制氢占62%、天然气制氢占19%、工业副产氢占18%，与我国“富煤贫油少气”的能源特征相符，可再生能源制氢规模还处于起步阶段，占比很小。在双碳背景下清洁能源加快发展，电解水制氢将逐步占主导地位，未来全球氢气将逐步转化为利用可再生能源电解制氢的方式进行供给。

二、绿氢制取

1、可再生能源电解水制氢为最成熟的路径

绿氢制取技术包括利用风电、水电、太阳能等可再生能源电解水制氢、太阳能光解水制氢及生物质制氢，其中可再生能源电解水制氢是应用最广、技术最成熟的方式。

2、电解水制氢

电解水制氢即通过电能将水分解为氢气与氧气的过程，该技术可以采用可再生能源电力，不会产生CO2和其他有毒有害物质的排放，从而获得真正意义上的“绿氢”。电解水制氢原料为水、过程无污染、理论转化效率高、获得的氢气纯度高，但该制氢方式需要消耗大量的电能，其中电价占总氢气成本的60%~80%。

电解水制氢技术主要包括碱性电解水（ALK），质子交换膜电解水（PEM）和固体氧化物电解水（SOE）以及其他电解水技术。前三者的基本原理如下图所示。

电解水制氢技术基本原理图

碱性电解水（AlkalineWaterElectrolysis，ALK）制氢是指在碱性电解质环境下进行电解水制氢的过程，电解质一般为30%质量浓度的KOH溶液或者26%质量浓度的NaOH溶液。

较之于其他制氢技术，碱性电解水制氢可以采用非贵金属催化剂，且电解槽具有15年左右的长使用寿命，因此具有成本上的优势和竞争力。碱性电解水制氢技术已有数十年的应用经验，在20世纪中期就实现了工业化，商业成熟度高，运行经验丰富，国内一些关键设备主要性能指标均接近于国际先进水平，单槽电解制氢量大，易适用于电网电解制氢。但是，该技术使用的电解质是强碱，具有腐蚀性且石棉隔膜不环保，具有一定的危害性，碱性电解水制氢系统主要包括碱性电解槽主体和辅助系统（BOP）。碱性电解槽主体由端压板、密封垫、极板、电板、隔膜等零部件组装而成，电解槽包括数十甚至上百个电解小室，由螺杆和端板把这些电解小室压在一起形成圆柱状或正方形，每个电解小室以相邻的2个极板为分界，包括正负双极板、阳极电极、隔膜、密封垫圈、阴极电极6个部分。

碱性电解槽结构图

碱性电解槽主要成本构成为电解电堆组件（45%）和系统辅机（55%）；电解槽成本中55%是膜片及膜组件。依据行业内多家主流厂商的数据分析，碱性电解槽的2025年及2030年的主要技术参数和投资水平如下：

碱性电解槽技术参数及展望

质子交换膜（ProtonExchangeMembrane，PEM）电解水技术是指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液态电解质（30%的氢氧化钾溶液或26%氢氧化钠溶液），并使用纯水作为电解水制氢原料的制氢过程。

和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，PEM电解水制氢技术工作效率更高，易于与可再生能源消纳相结合，是目前电解水制氢的理想方案。但是由于PEM电解槽需要在强酸性和高氧化性的工作环境下运行，因此设备需要使用含贵金属（铂、铱）的电催化剂和特殊膜材料，导致成本过高，使用寿命也不如碱性电解水制氢技术。

目前中国的PEM电解槽发展和国外水平仍然存在一定差距，国内生产的PEM电解槽单槽最大制氢规模大约在260标方/小时，而国