瞻觀前沿

以色列理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院的一組研究人員提出了一種利用可再生能源生產(chǎn)綠色氫的新技術(shù)。他們的突破最近發(fā)表在《自然材料》上。與其他生產(chǎn)綠色氫的工藝相比，這項(xiàng)新技術(shù)體現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢(shì)，其發(fā)展為商業(yè)技術(shù)可能會(huì)降低成本并加速使用綠色氫作為化石燃料的清潔、可持續(xù)替代品。

幾年前，以色列理工學(xué)院的研究人員提出了一種創(chuàng)新且高效的電解技術(shù)，該技術(shù)不需要膜和密封來分隔電池的兩個(gè)部分，因?yàn)闅浜脱跏窃谶^程的不同階段產(chǎn)生的，這與常規(guī)電解不同。它們是同時(shí)創(chuàng)建的。這個(gè)名為 E-TAC 的新穎工藝是由 Hen Dotan 博士和 Avigail Landman 博士在 Avner Rothschild 教授和 Gideon Grader 教授的監(jiān)督下開發(fā)的。他們與企業(yè)家 Talmon Marco 合作，發(fā)揮該工藝的潛力并開發(fā)商業(yè)應(yīng)用。

這種新穎的工藝?yán)@過了固體電極的操作挑戰(zhàn)和限制，在固體電極中，通過用 NaBr 水性電解質(zhì)代替水中的 E-TAC 技術(shù)來產(chǎn)生氧氣。這種替代為連續(xù)工藝(與 E-TAC 的批量工藝相反)鋪平了道路，并且無需在電池中交替擺動(dòng)冷和熱電解質(zhì)。

電解質(zhì)中的溴化物陰離子被氧化為溴酸鹽，同時(shí)在陰極產(chǎn)生氫氣，然后它們與含水電解質(zhì)一起流到不同的電池，在那里它們恢復(fù)到原始狀態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生氧氣，這個(gè)過程不斷重復(fù)自己。通過這種方式，氫氣和氧氣在兩個(gè)獨(dú)立的電池中以連續(xù)的過程同時(shí)產(chǎn)生，沒有任何溫度變化，這與 E-TAC 不同。此外，氧氣是在水性電解質(zhì)中產(chǎn)生的，而不是像 E-TAC 那樣在固體電極中產(chǎn)生的，因此它不依賴于那些類型的電極(例如可充電電池)典型的速率和容量限制。

在《自然材料》雜志上發(fā)表的文章中，研究人員描述了他們的基本實(shí)驗(yàn)，證明了該工藝的初步可行性，并展示了其高效率和高電流工作能力的結(jié)果，這意味著可以在高電流下生產(chǎn)氫氣。與此同時(shí)，基于文章中描述的科學(xué)突破開發(fā)新技術(shù)還有很長(zhǎng)的路要走。這種技術(shù)可能會(huì)克服工業(yè)生產(chǎn)綠色氫作為化石燃料的可持續(xù)替代品過程中的許多障礙。

圖片來源：攝圖網(wǎng)

技術(shù)價(jià)值觀察

可再生能源制氫產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包括可再生能源電力供應(yīng)、電解水制氫設(shè)備及其關(guān)鍵部件供應(yīng);中游可再生能源制氫主要包括電解水制氫、太陽(yáng)能直接制氫及生物質(zhì)提純制氫三個(gè)細(xì)分市場(chǎng);下游主要包括氫氣儲(chǔ)運(yùn)及工業(yè)、交通(燃料電池)、儲(chǔ)能、發(fā)電等應(yīng)用領(lǐng)域。

研究人員提出了一種利用可再生能源生產(chǎn)綠色氫的新技術(shù),，該技術(shù)屬于制氫方法，因此，該技術(shù)處于可再生能源制氫產(chǎn)業(yè)鏈的中游環(huán)節(jié)。

宏觀市場(chǎng)觀察

——全球能源轉(zhuǎn)型推動(dòng)氫氣產(chǎn)量增長(zhǎng)

近年來，全球各國(guó)家地區(qū)紛紛將氫能源視為未來新能源的戰(zhàn)略發(fā)展方向，氫能產(chǎn)業(yè)得到了前所未有的增長(zhǎng)。根據(jù)IEA披露的數(shù)據(jù)，2021年全球氫氣總產(chǎn)量(含合成氣)約9400萬噸，同比增長(zhǎng)5.5%，占全球終端能源比重約2.5%，其中每年純氫制備產(chǎn)量約為7000萬噸。2022年全球氫氣總產(chǎn)量約為9813萬噸。伴隨世界各國(guó)減排承諾方案的推進(jìn)，預(yù)計(jì)2030年前全球氫氣產(chǎn)量將會(huì)快速增長(zhǎng)，到2030年有望突破15000萬噸。

全球能源格局正在發(fā)生顯著變化，全世界都在努力應(yīng)對(duì)氣候變化，并通過向更清潔、更可持續(xù)的能源過渡來加強(qiáng)能源安全。在這樣的背景下，近年來，全球各國(guó)家地區(qū)紛紛將氫能源視為未來新能源的戰(zhàn)略發(fā)展方向，氫能產(chǎn)業(yè)得到了前所未有的增長(zhǎng)。

根據(jù)IEA披露的數(shù)據(jù)，全球氫氣總產(chǎn)量除2020年因疫情爆發(fā)和經(jīng)濟(jì)放緩而小幅下降外，始終保持增長(zhǎng)。2022年，全球氫氣總產(chǎn)量達(dá)到約9500萬噸，同比上漲約3%。

——可再生能源制氫占比仍很低

目前，可再生能源制氫的核心技術(shù)為可再生能源電解水制氫，生物質(zhì)制氫和光催化制氫正在研究階段，暫不具備工業(yè)化應(yīng)用水平。根據(jù)IEA數(shù)據(jù)，2022年，電解水制氫約占?xì)錃猱a(chǎn)量的0.1%。并且電解水制氫中除了可再生能源制氫外還包含較大一部分非可再生能源的電解水制氫?？梢?，尚處于導(dǎo)入階段的可再生能源制氫行業(yè)規(guī)模目前來說是極小的，可更多的關(guān)注項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)展及投資規(guī)模，發(fā)掘市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)潛力及市場(chǎng)空間。

注：內(nèi)圈為2020年數(shù)據(jù)，中圈為2021年數(shù)據(jù)，外圈為2022年數(shù)據(jù)。

限制可再生能源制氫行業(yè)規(guī)模擴(kuò)大的主要原因是可再生能源制氫成本高昂，相較于化石能源制氫而言，可再生能源制氫的生產(chǎn)成本高出數(shù)倍。根據(jù)IEA披露的數(shù)據(jù)據(jù)2022年可再生能源電解水制氫成本在4.0-9.0美元/kg之間。

——中國(guó)可再生氫產(chǎn)量仍很低

當(dāng)前中國(guó)氫氣產(chǎn)能仍以化石能源制氫為主，但氫源結(jié)構(gòu)向可再生氫傾斜，可再生能源制氫項(xiàng)目取得顯著突破。

從產(chǎn)能來看，根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟發(fā)布的信息，截止2023年11月，我國(guó)可再生能源制氫項(xiàng)目中，建成運(yùn)行項(xiàng)目產(chǎn)能達(dá)7.14萬噸/年，在建項(xiàng)目產(chǎn)能超80萬噸/年，規(guī)劃項(xiàng)目產(chǎn)能超640萬噸/年，合計(jì)產(chǎn)能超720萬噸/年。隨著各階段項(xiàng)目的推進(jìn)，未來幾年我國(guó)可再生能源制氫產(chǎn)能將快速擴(kuò)張。

注：以上統(tǒng)計(jì)日期截至2023年11月底。

從產(chǎn)量來看，根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟披露的信息，2022年中國(guó)可再生能源電解水制氫產(chǎn)量約10萬噸，占我國(guó)氫氣總產(chǎn)量的0.28%。

——中國(guó)可再生能源制氫成本呈下降趨勢(shì)

根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟披露的信息，2018-2023年，我國(guó)可再生能源制氫成本持續(xù)走低，2023年9月，我國(guó)可再生氫價(jià)指數(shù)為18.95元/kg。但對(duì)比來看，可再生能源制氫成本還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于綜合制氫成本及清潔氫制氫成本。

中國(guó)可再生能源制氫(綠氫)技術(shù)賽道熱力圖

根據(jù)產(chǎn)業(yè)熱力圖顯示，與可再生能源制氫關(guān)鍵技術(shù)強(qiáng)關(guān)聯(lián)的城市集群主要集中在華北和華東地區(qū)，并且以北京和嘉興市為重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，未來布局可再生能源制氫技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展路徑，極大可能性在于華北、華東地區(qū)優(yōu)先導(dǎo)入，其中可重點(diǎn)關(guān)注北京市海淀區(qū)、浙江省嘉興市桐鄉(xiāng)市所處可再生能源制氫的相關(guān)企業(yè)，以及該地方對(duì)于可再生能源制氫的產(chǎn)業(yè)發(fā)展投資環(huán)境、供給市場(chǎng)的潛力空間。

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