化石能源仍是当前氢气主要来源，可再生能源制氢是长期发展方向

【专题 | 「可再生能源」可再生资源行业分析_可再生资源装机容量_发电占比】

氢能产业链可以分为上游制氢、中游储运和下游应用三个主要环节。

图1  氢能产业链

（资料来源：五度易链行业研究中心）

化学能源制氢是主流制氢方式，目前国内煤制氢技术成熟，但结合“蓝氢”技术成本将大幅上升

制氢的路径有三种，包括化石能源制氢、工业副产品制氢和电解水制氢：全球制氢主流选择是天然气制氢，主要原因是成本较低、效率高且清洁度较高，但纯度较低；工业副产制氢虽然短中期是对氢来源的有效补充，但不具备普遍推广能力，并且本质上也属于化学能源，并不会降低碳排放；电解水制氢虽然当前占比很小，但由于可以和可再生能源结合，因此是各国清洁能源研究重点方向。根据2020中国氢能产业发展报告数据，目前全球制氢原料中，天然气使用最为广泛，其次是醇类，最为环保的电解水使用最少，占比不到5%。我国氢气来源主要为煤制氢，占比超六成，其次才为天然气，而电解水制氢仅为1%。

图2 我国制氢结构

（资料来源：《中国氢能产业发展报告2020》、五度易链行业研究中心整理）

绿氢是氢能发展最终目标，清洁可再生能源制氢将是未来发展重点

世界能源理事会认为氢本身并不是一种能源，而是能源的载体，其针对不同制氢方式将氢分为“灰氢”、“蓝氢”和“绿氢”。“灰氢”是通过化石能源、工业副产等制得的氢，但是由于原料是碳基，所以会产生大量碳排放；“蓝氢”则是在灰氢的基础上，利用碳捕捉和碳封存技术实现低碳制氢，但国外有研究表明“蓝氢”全生命周期排放依旧超过直接燃烧煤炭和天然气，并且更重要的是成本始终居高不下，可行性较低；“绿氢”也被称为可再生能源电解水制氢，是通过风电、光伏、水电等可再生清洁能源方法制氢，基本不会产生碳排放，是唯一清洁的氢能。我国目前处于氢能产业初期阶段，以化石能源和工业副产制造的“灰氢”为主，“蓝氢”和“绿氢”由于成本都较高还不具备大规模推广条件，但相关技术都在积极研发中。

表1 灰氢、蓝氢、绿氢技术对比

（资料来源：五度易链行业研究中心整理）

电解水制氢纯度最高，其中PEM（质子交换膜）制氢纯度达到99.999%（5N）

从氢气的下游应用领域分析，根据IEA数据，目前氢的主要用途分别是炼油、合成氨、合成甲醇和直接还原铁矿石。不同应用领域对于氢气纯度要求不同，采用电解水方式制氢纯度最高，其中成本较高但是最有前景的的PEM制氢纯度高达99.999%（5N），适合为用氢量相对较小但对纯度要求较高的行业提供，比如作为一些电子材料的生长与衬底的制备、氧化工艺、外延工艺中以及化学气相淀积（CVD）技术作为反应气、还原气或保护气。我国广泛开展的煤制氢纯度最低，仅为氢气48%-54%，但优势在于成本较低，不过提纯工艺流程相对复杂，使用设备较多，适合为用氢量大的行业提供氢气。

PEM电解水制氢具有更强的负载波动适应能力，适合可再生能源间歇性发电

氢气纯度最高的电解水制氢根据电解槽隔膜材料的不同电解水制氢可以分为碱性电解水制氢、质子交换膜（PEM）电解水制氢和（SOEC）高温固体氧化物电解水制氢三类。其中碱性电解水制氢技术已实现规模化生产，但耗电量最高；PEM处于产业化发展初期，耗电量和氢气纯度优于其他路线，但核心设备依赖进口且电解槽昂贵，总体成本依然最高；SOEC则还处在实验室开发阶段，短期商业化可能性很低，但该技术未来有望和SOFC（固体氧化物燃料电池）一起组成氢储能电站，建立完全的清洁能源“储能+发电”系统。在响应速度方面，PEM电解槽相比于碱性电解槽具有更强的负载波动适应性能力，并且随着PEM技术不断改进，其在风电和光伏等波动性可再生能源输入下其LOCH（平准化成本）相比碱性电解水更具优势。

图3 电解水制氢系统及成本构成

（资料来源：IRENA，五度易链行业研究中心整理）

电费与设备投资是电解水制氢主要的成本构成

电解水产生一公斤氢气所需的理论耗电量约为30kwh，当前电解水制氢的能量转换效率约为60%，因此实际耗电量大致为每公斤50kwh左右。在设备方面，目前碱性电解水制氢系统的平均成本大于500美元每千瓦，若假设系统寿命为5万小时，则对应运行周期内每公斤氢气折旧成本为0.5美元/kg（以汇率6.4计算为3.2元人民币）/kg，而PEM设备成本需要再翻一倍甚至两倍。在电费方面，以国内0.8元/kwh计算，则制取每公斤氢气需要40元。若以陆上风电0.35元/kwh成本计算，则电费也需要17.5元。两项合计明显高于化石能源的10-15元/kg成本水平，而这还不考虑其他设备和建设成本。因此，从经济性的角度出发，可再生能源制氢大规模发展的条件尚不具备。

结语

综合来看，氢能作为二次能源载体，有望成为全球未来能源体系的重要组成部分，发展潜力巨大。但由于“蓝氢”与“绿氢”技术尚不成熟，成本居高不下，因此目前氢气的生产与应用仍集中在化石能源领域，其作为一种清洁、高效能源的优势尚未充分发挥。可再生能源发电成本进一步降低与PEM（SOEC）制氢设备成本下降将是未来以“绿氢”为主的氢能产业链能否持续发展的重要因素。