綠電制綠氫，電解槽技術掀起氫能浪潮
按能源的基本形態分類，可分為一次能源與二次能源。前者為天然能源，指在自然界中現成存在的能源，如煤炭、石油、天然氣、風能、水能等。而後者則指由一次能源加工轉換而成的能源產品，如電力、煤氣、蒸汽及各種石油製品等。
其中，一次能源面臨的問題主要集中于再生性方面。現階段，人類應用的能源主要以化石能源為主，而這些不可再生的能源在未來將面臨資源枯竭的問題。因此，開發光伏、風電等項目是保證能源來源穩定的關鍵。
而二次能源的革新則是旨在解決碳排放的問題。二次能源作為連接一次能源與用戶的紐帶，包括煤氣、焦炭、汽油等，但該類能源在燃燒放熱的過程中，會產生大量的二氧化碳與污染物質。此時，想要解決能源應用中的碳排放問題，就需要開發更加優質、清潔的含能體物質。
其中，氫能作為與鋰電類似的零碳高效能源儲用方式，逐漸受到了人們的關注，而整個行業也在需求之下迎來產業化起步的元年。
那麼，氫能源有哪些優點，能讓其成為重要性與鋰電“並肩”的二次能源？行業的發展經歷了哪些過程，又將邁向哪個階段？未來又將以什麼樣的形態完成氫能源的製備？在產業化元年中，又有哪些企業將脫穎而出？
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“碳中和”目標指引下，氫能源地位不輕
在“碳達峰、碳中和”目標的指引下，繼太陽能、風能等新能源迎來快速發展後，氫能作為公認的低碳、零碳能源脫穎而出。而其熱度持高不下、各省紛紛為其出臺相關政策推動發展，與以下三大核心因素的驅動不無關係：
首先，當前地球環境碳排放問題嚴峻，全球能源向減碳加氫的方向發展。隨著工業化進程的加速，能源需求日益增長，由化石燃料為主體的能源結構帶來CO2排放總量的快速上升。“清潔、低碳、安全、高效”的能源變革成為大勢所趨。而氫能作為無碳的能源載體，可以很好地實現能源的“去碳化”，而未來真正完成綠氫生產的轉變後，將在全生命週期中真正實現能源的脫碳。
次之，氫兼具能源和原料的雙重屬性，有著鋰電難以比擬的時移優勢。氫具備能源和原料的雙重屬性，因此電解水制氫既可以平抑風光等可再生能源的波動，解決一部分“棄風棄光”問題，還可替代化石燃料為化工、工業、交通等領域提供綠色燃料。
而與鋰電等其他的儲能方式相比，氫儲能具有跨季節、跨區域和大規模存儲的優勢，其放電時間可橫跨小時至季度，容量規模則大至百GW級別；從能量轉換上看，氫能不僅可轉換為電能，還可以轉換為熱能、化學能多種形式的能源，應用場景更加廣闊。
最後，對於我國來說，增加氫能使用占比可有效保障能源安全，提升能源自給率。我國整體的資源稟賦為“富煤貧油少氣”，根據《中國海洋能源發展報告2022》預測，2022年我國原油、天然氣的對外依存度分別為70.9%、42.5%。而氫能可以通過天然氣摻氫的方式改變天然氣燃燒特性，增加燃燒值並減少對天然氣的需求，還可通過水電解生成氫幫助我國擺脫資源束縛，減少能源的對外依存度。
不過，即使氫能源具有眾多優勢，但從目前來看，氫作為能源應用的普及程度不高，現階段主要作為工業原料使用。從全球視角來看，2021年，全球氫氣需求超過9400萬噸，但主要用於化工（合成氨/合成甲醇）和煉油，全球交通運輸氫氣需求僅為3萬噸左右。而用於化工領域的氫氣，也遠未做到零碳。2021年，全球工業用氫和煉油用氫絕大部分源於化石燃料制氫，產生的直接二氧化碳淨排放量分別為6.3億噸和2.0億噸。
普及程度不高，也意味著在氫能源在邁入產業化元年後，將迎來快速發展的過程。而在未來，氫能也將廣泛用於交通、電力、新能源消納領域。
交通方面，各國積極推廣的氫燃料電池汽車，在商用車領域逐漸滲透，已初具規模，未來航空、船舶領域也有望進行替代。電力方面，氫可以作為電能儲存的介質，未來有望用於長時儲能，或參與全球運輸和貿易，實現電能在時間和空間上的調節。新能源消納方面，運用新能源發電離網制氫後就地消納或通過其他方式運輸可有效實現對當地風光資源的充分利用，解決部分地區棄風棄光嚴重的情況。
IEA預計，在2050年全球“淨零排放”目標與產業級別的催化下，2030年，全球氫能應用規模需達到2億噸，2050年更將達到5億噸。
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三大制氫路線並行
綠氫成為終極形態？
目前，氫的產業化制取主要有以下三種相對較為成熟的技術路線：一是以煤炭、天然氣為代表的化石燃料制氫（灰氫）；二是以焦爐煤氣、氯堿尾氣等為代表的工業副產氣制氫（藍氫）；三是利用水的電解反應製備氫氣的電解水制氫（綠氫）。
三類氫氣制取方法的原材料、製備過程、工藝複雜度、技術成熟度、經濟效應和碳排放等方面均有所不同，但總的來說，制氫路線短期內由經濟性優勢主導，而零碳屬性是長期發展的決定因素。
其中，全球目前氫氣的主要制取方式，仍以傳統化石燃料制氫為主。化石燃料制氫指的是以煤或天然氣為原料還原制氫的傳統方案，主要包括煤氣化制氫與天然氣蒸汽重整制氫。
煤氣化制氫是煤在氣化爐中與水蒸氣發生分步反應製備的氫氣，其原理為：煤在氣化爐中與水蒸氣反應生成一氧化碳和氫氣，一氧化碳進一步與水反應生成二氧化碳和氫氣。天然氣制氫則主要為天然氣中的甲烷與水蒸氣發生分步反應生成的氫氣，反應前通常需對天然氣進行脫硫處理，防止催化劑中毒。
在我國，化石燃料制氫則主要以煤制氫為主，一方面，我國的化石能源儲量呈現“富煤少氣”特點，煤儲量更為豐富；另一方面，我國天然氣含硫量高，預處理工藝複雜，導致在我國天然氣制氫經濟性低於煤制氫。
但整體看來，無論是對於中國還是世界，化石燃料制氫作為起步最早，發展時間最久的制氫方式，毋庸置疑是技術最為成熟、應用最為廣泛的制氫方式，但同時，灰氫也是系統能耗、污染物排放量、溫室氣體釋放量最大的制氫途經，並且該方法制氫產品雜質多、純度低，不可直接用於下游的燃料電池，是目前最大但未來氫能源制取終極階段將要被淘汰的制氫方式。
在灰氫外，化工副產氫是灰氫制氫的補充性來源，也是三大路線中經濟效益最突出的中短期過渡路線。化工副產氫是指焦爐煤氣、氯鹼化工、輕烴利用、合成氨合成甲醇等化工工藝獲得副產氫的方案。
在我國，藍氫的主要產能來自于焦爐煤氣副產氫，即使焦炭的工業產能規模穩步下降，但因其體量較大，棄氫存在提純利用空間；而輕烴利用處於成長期，產能不斷爬升，且副產氫純度高，存在增量投資需求;合成氯合成甲醇工業較為成熟，隨著氫能推廣氨和甲醇有望作為燃料或儲氫介質加以應用，未來存在極大的增長空間。
整體來看，化工副產氫作為化工業的副產品，具有成本較低的優點，且其中合成甲醇、合成氨制氫的未來前景較為廣闊，相關設備環節後期投資潛力十分巨大，但因其只是化工業的副產品，氫氣製備規模取決於主產品的製備規模，也決定了藍氫擴張空間有限，只可作為補充性的氫能源。
而在灰氫與藍氫之外，電解水制氫作為代表未來的制氫技術，在雙碳政策的影響指導下，也逐漸進入了人們的視野。電解水制氫是利用水的電解反應製備氫氣的技術，而其中利用可再生電力制氫稱為“綠氫”，是零碳排、可持續的“終極路線”。
與灰氫、藍氫相比，綠氫在碳排放、儲能、制氫純度和生態迴圈方面具有顯著優勢。
首先，綠氫具備“零碳排”的製備優勢，減碳空間極大。煤制氫路線下每生產1噸氫氣平均需要消耗煤炭約 6-8 噸，排放 15-20 噸左右的二氧化碳，此外還會產生大量高鹽廢水及工業廢渣。而綠氫如果與光伏、風電進行並網，在製備過程中幾乎不排放溫室氣體，每生產1噸氫氣碳排量僅0.03噸，在雙碳目標要求下灰氫勢必被更清潔的綠氫所取代。
次之，綠氫儲能具有規模大、時間長、儲存與轉化形式多樣等優勢，可解決新能源消納問題。近年來新能源的迅速發展使得電力輸送和綜合消納等困難凸顯，而可再生能源發電的隨機性、季節性、反調峰特性及不可預測性導致部分電能品質較差，疊加儲能技術有限，“棄風棄光”問題快速增長。而用新能源發電制氫，有利於提高可再生能源利用效率，助力消納新能源“棄風棄光”問題。
此外，相較於其他儲能方式來說，綠氫儲能規模大且時間長，相較於容量為兆瓦級、儲能時間1天的電化學儲能與容量為吉瓦級、儲能1周到1約的抽水蓄能而言，氫能儲能的容量與時間跨度可達到太瓦級和1年以上，同時具備遠距離跨區域運輸的特點。而從能量轉換上看，氫能較其他儲運方式來說更加靈活，不僅可轉換為電能，還可以轉換為熱能、化學能多種形式的能源。
最後，綠氫制氫的純度極高。採用電解水綠氫方式制氫，氫氣純度最高，其中PEM水電解制氫初產物氫含量便高達99%，提純後純度進一步提升至99.999%，具有明顯優異性，適用於對氫氣純度、雜質含量要求苛刻的冶金、陶瓷、電子、航太航空等行業。
也正是因為三大優點，讓綠氫逐步取代灰氫成為必然。根據主要國際能源組織的預測，到2050年全球的綠氫產量將遠遠高於藍氫。至2060年，幾乎全部的氫氣需求都將由低排放技術滿足，其中近80%是電解水制氫，屆時電解水制氫將成為具有成本競爭力的制氫工藝。
但站在當前時點看來，綠氫作為剛剛起步的制氫方法，在推廣過程中還存在著成本較高的問題。
成本方面，以目前國內最成熟的鹼性電解水制氫為例，整個制氫成本主要在於電費和設備折舊，其中電費占比70%-90%，折舊占比10%-30%。理想情況下，按照電耗4kwh/標方，電價0.15元/kwh，對應成本為15元/kg，基本可與天然氣制氫平價，但若想大面積製造，仍處於下游使用方難以接受的階段。
而未來綠氫與風光、風電耦合，年利用小時提高至4000小時以上，則成本有望進一步下降至11元/kg以內，基本可以實現與煤制氫平價。遠期看，若電價達到0.1元/kwh，電耗下降至3.5kwh/ 標方，則綠氫成本可降至8元/kg，低於煤制氫，但無論是電價的下降，或是與風光、風電耦合的推進過程中，均需要多年時間，故短期內成本較高成為了綠氫推廣的最大阻力。
但是，目前綠氫產業仍處於從0到1快速發展的階段，在未來度電成本、電解槽單位電耗和設備投資的下降的驅動下，水電解制氫在能源化工等領域將最終完成與灰氫平價並超越。
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綠電制綠氫，鹼性電解槽成當下最優解
作為從0到1快速發展的產業，電解水制氫系統的核心部分——電解槽，也有著鹼性水電解（ALK）、質子交換膜電解（PEM）、高溫固體氧化物電解（SOEC）、固體聚合物陰離子交換膜電解（AEM）四種技術路線，四大路線的產品能耗、安全、技術成熟度各有差異，但又有其各自的優點。
立足當下，技術最成熟、單槽成本最低的技術路線，莫過於ALK路線。鹼性電解水制氫指鹼性電解質環境下進行電解水制氫的過程，電解質一般為30%品質濃度的KOH溶液或26%品質濃度的NaOH溶液。反應過程中，水分子在陰極得到電子，析出氫氣: 氫氧根離子在氫氧側濃度差的作用下到達陽極，生成氧氣和水。又因其堿槽成本低、整體工藝成熟度高，目前已有多個到達MW級別的專案，在綠氫生產中廣泛落地。
但在整體成本低、工藝成熟的同時，ALK也由於其本身設計結構選型的問題，存在點解效率低、體積效率低下、啟動慢、維護成本高、制氫純度低的缺點。正在朝向大標方和低能耗兩個方向改進。
除ALK路線之外，質子交換膜技術則使用了固體電解質代替了ALK路線中的隔膜與液態電解液，在解決了潛在的污染與腐蝕問題外，有了更高的效率和靈活度。
由於使用了固體電解質替代了隔膜，PEM路線的電阻相較於ALK更低，電解效率更高，降低了整個設備的體積；同時，因其反應活性遠遠高於ALK，也讓其擁有了靈活的更高的啟停機制，完全可以適應大幅度的風光變化，以更高的耦合度捕捉到更多的棄風棄光；此外，PEM使用純水作為原料，產物不包含其他雜質，只需要去除水蒸氣方可使用，純度可達99.99%以上。
但PEM路線使用固態電解質的另一面，則是成本的攀升：PEM依賴鉑、銥等貴金屬作為催化劑，大大提高了成本，哪怕是在未來，降價彈性也十分有限。目前，正在朝向研發低貴金屬催化劑與提升催化劑壽命方向發展，若能攻克，將成為最佳電解水制氫方法。
而在主流的ALK和PEM路線外，高溫固體氧化物電解（SOEC）、固體聚合物陰離子交換膜電解（AEM）也在快速發展中。SOEC中部分電能可以使用電能替代，轉化效率較高，但在高溫下材料選擇較少，目前尚未實現產業化；而AEM路線雖然材料成本低，但陰離子交換膜量產難度較大，仍在研發階段。都屬於後續潛力優良的制氫路線，但短期內難以看到產業化落地。
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商業模式初起步
風光儲與設備龍頭快速搶佔市場
雖然電解槽的技術路線多樣，但目前國內的主要的電解水技術均來源於中船718所，並在近三十年中“開枝散葉”，傳播至以派瑞氫能為代表的老牌電解水設備龍頭、以隆基氫能為代表的風光儲龍頭和以華電重工為代表的傳統設備廠商中。
三大類廠商各有優勢，以中船718所（派瑞氫能）、蘇州競立和天津大陸為代表的老牌龍頭具備技術和產品積累，先發優勢明顯，但面臨人才流失嚴重的問題；以隆基氫能、陽光電源為代表的風光儲龍頭依託現有客戶基礎，佈局可再生能源制氫系統，與原業務有很強的協同效應；而華電重工、華光環能等為代表的傳統設備廠商，則具有多年裝備製造經驗，再設備生產上擁有先進的技術與工藝基礎。
三大類廠商中，業務協同的光儲龍頭與“國家隊”背景的相關企業，或將迎來估值的快速攀升。
風光儲龍頭企業可有效依託現有客戶基礎，延伸佈局電解水制氫系統，可為客戶提供光氫、風氫一體化系統解決方案，與原有光伏、風電業務發揮協同，是業務向最為契合的企業，擁有極大的空間。
其中，光伏龍頭隆基綠能成為風光儲龍頭企業入局氫能源的標杆之一。
自2018年起，隆基就開始對氫能產業鏈進行戰略研究，與國內外科研機構研究合作研發電解水制氫裝備技術，並於2021年3月31日正式成立隆基氫能科技有限公司，積極佈局綠氫裝備業務。2022年5月，隆基氫能入圍中石化首個萬噸級綠氫示範專案。2022年10月，隆基氫能已按期完成16台套電解水制氫設備發貨。
而在新產品方面，隆基氫能性能優異，貫徹了鹼性電解槽大標方的理念，降本效果凸顯。2021年，公司下線首台1000Nm³/h鹼性水電解槽，2023年2月14日，隆基氫能發佈ALK Hi1系列新產品，而其反覆運算後的ALK Hi1 plus產品，直流電耗滿載狀況下低至 4.1kWh/Nm³，在 2500A/㎡電流密度下，更可低至4.0kWh/Nm³，更可連續運行72小時。
此外，由於業務的適配性，公司市占率也遙遙領先。2022年國內電解水制氫設備出貨量達到722MW，同比大幅增長106%。其中，隆基氫能電解水制氫設備產能達1.5GW，據隆基綠能創始人李振國介紹，2022年隆基氫能電解水制氫設備產能位居全球第一、出貨量躋身國內前三。
在風光儲龍頭外，具有國資背景的企業依託其背後的集團，具備極強的管道優勢。
其中，華電重工背靠國企最大獨資發電集團之一的華能集團，具備高產業協同效應，管道優勢強大。
華電重工作為華電集團專門承包和製造各種能源裝備的子公司，十分重視ALK和PEM兩大制氫路線與儲運領域的相關技術。
在鹼性電解槽設備領域，華電於2020年7月成立氫能技術研究中心，並於兩年後下線1200Nm³/h鹼性電解槽，單機產氫量、電解效率、電流密度等主要技術指標達到國際先進水準。而在PEM 及燃料電池設備領域，已開工建設“華電德令哈3MW 光伏制氫專案”，PEM制氫規模達600Nm³/h。產品性能已達到國際水準，為多家國內外頭部企業供貨。
此外，在更加下游的綠氫儲運領域中，華電重工早在 2012 年成立煤化工事業部，開展高壓氫氣管道輸送業務；同時自主研發的固態儲氫、液態儲氫技術已成功應用於瀘定水電解制氫專案中。
同時，在華電集團資源傾斜下，公司先後中標了內蒙華電達茂旗（12000Nm³/h）、山東華電濰坊（5000 Nm³/h）等專案，未來前景廣闊。
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寫在最後
氫能源，作為優質的二次能源，兼具清潔、零碳、可再生的優勢，在雙碳目標下，可在多種場景替代汽油、柴油、天然氣等能源，促進工業、交通等領域深度脫碳，有望成為新能源時代中鋰電的完美補充。
而其中，作為未來清潔能源代表的綠電制氫，在中國及全球氫能源的占比均不到1%，正迎來從1到N的產業爆發階段。隨著綠電度電成本、電解槽單位電耗和設備投資的下降，驅動水電解制氫在能源化工等領域與灰氫平價。而電解槽作為綠氫的核心設備，將迎來千億級市場需求。
在電解槽企業出貨量的快速增長下，電解槽環節具備技術實力的隆基綠能、陽光電源、華電重工；佈局電解槽的彈性標的華光環能、昇輝科技；材料環節具備潛力的貴研鉑業等企業將站在風口之上，而其資本市場上的相關估值或許也將再次迎來攀升。
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