氫能的現(xiàn)狀
雖然目前氫能的開采和生產(chǎn)還受到成本的影響,但不可否認(rèn)的是,氫能是清潔能源的終極選擇,尤其是環(huán)保的綠氫制造,更是被寄予厚望。
氫氣是二次能源,地球上沒有天然的氫氣,目前主要通過三種較為成熟的路線制?。?/p>
① 以煤炭、天然氣等傳統(tǒng)化石能源生產(chǎn)氫氣,這也是目前全球制氫最為成熟的技術(shù)路線。
② 以焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)制氫。
③ 電解水制氫,由于可再生能源電解制氫具有綠色環(huán)保、生產(chǎn)靈活、純度高等特點,未來發(fā)展空間巨大。
成本和碳排放方面,煤制氫和天然氣制氫由于工藝成熟、應(yīng)用規(guī)模大,目前具有較低生產(chǎn)成本,而其碳排放也是眾多技術(shù)中最高的,因此這兩種制氫技術(shù)也被稱為“灰氫”。而可再生能源電解制氫技術(shù),由于所用電力來自水風(fēng)光等清潔能源,因此全流程碳排放最少,也被稱為“綠氫”。所以,可再生能源發(fā)電制氫將是未來氫氣生產(chǎn)的主要趨勢,發(fā)展空間巨大。
PEM電解水技術(shù)
在技術(shù)層面,電解水制氫技術(shù)可分為堿性電解水制氫(ALK)、質(zhì)子交換膜電解水制氫(PEM)、固體氧化物電解水制氫(SOE)和陰離子交換膜電解水制氫(AEM)。其中,堿性電解水技術(shù)最為成熟,造價成本也較低;但是與可再生能源適配性較差。
固體氧化物電解水制氫(SOE)目前仍處于實驗室階段,其發(fā)展主要取決于相關(guān)材料技術(shù)的突破情況。相比之下,PEM電解水技術(shù)具有獨特優(yōu)勢,與水電、風(fēng)電、光伏(發(fā)電的波動性和隨機性較大)具有良好的匹配性,最適合未來能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展。
電解水技術(shù)近年在全球得到較多應(yīng)用,新增項目數(shù)量和單項目裝機規(guī)模也不斷提升。
認(rèn)識質(zhì)子交換膜
質(zhì)子交換膜(PEM),也叫質(zhì)子膜或者氫離子交換膜,是一種致密的離子選擇性透過的膜。質(zhì)子交換膜在電池(電解池)中起到阻隔電解液,傳導(dǎo)質(zhì)子的作用。質(zhì)子交換膜目前商用技術(shù)難度高,長期以來技術(shù)被國外企業(yè)壟斷。商用化最多的是杜邦公司 nafion 系列質(zhì)子交換膜。
水電解槽主要內(nèi)部組件由內(nèi)到外依次是質(zhì)子交換膜、陰陽極催化層、陰陽極氣體擴散層、陰陽極端板等。作為水電解槽電極的核心組件,質(zhì)子交換膜不僅傳導(dǎo)質(zhì)子,隔離氫氣和氧氣,而且還為催化劑提供支撐,其性能的好壞直接決定水電解槽的性能和使用壽命,因此在整個設(shè)備中至關(guān)重要,從整體看,質(zhì)子交換膜成本約占燃料電池總成本的4.08%。
質(zhì)子交換膜產(chǎn)業(yè)鏈
質(zhì)子交換膜處于有機氟化工產(chǎn)業(yè)鏈末端,其上游是有機氟化工的單體材料,下游是基于質(zhì)子交換膜的氯堿工業(yè)、燃料電池、電解水、儲能電池等應(yīng)用領(lǐng)域。
質(zhì)子交換膜上游主要包括基礎(chǔ)材料和過程材料兩個部分:基礎(chǔ)材料即螢石,利用上游原材料制備可用于后續(xù)加工的各類全氟、非全氟以及特種樹脂。
行業(yè)現(xiàn)狀
生產(chǎn)工藝要求較高
目前市面上主要使用的是全氟磺酸質(zhì)子交換膜,生產(chǎn)技術(shù)方面,目前主流的全氟磺酸PEM最常用的加工方法有熱熔融擠出成膜法和溶液流延成膜法兩種方法。盡管目前全氟磺酸PEM應(yīng)用最廣泛,但仍存在成本較高、尺寸穩(wěn)定性較差、溫度升高會降低質(zhì)子傳導(dǎo)性的缺點。為解決全氟磺酸PEM存在的問題,進一步提升質(zhì)子交換膜的性能并降低成本,部分氟化PEM、無氟PEM和復(fù)合PEM成為質(zhì)子交換膜新的研究方向。
我國有機氟化工產(chǎn)業(yè)鏈保障,基礎(chǔ)原材料充足
在質(zhì)子交換膜制備的基礎(chǔ)原料中,四氟乙烯產(chǎn)能充足。四氟乙烯由制冷劑 R22 生產(chǎn)制得,其主要用于聚合生產(chǎn)聚四氟乙烯(PTFE),為消化 R22 產(chǎn)能,氟化工企業(yè)對 PTFE 產(chǎn)能進行配套建設(shè),產(chǎn)能過剩較為嚴(yán)重,產(chǎn)能出清困難。PTFE 目前處于產(chǎn)能過剩階段,這也凸顯出我國四氟乙烯產(chǎn)能充足,為下游分支 HFP 生產(chǎn)及質(zhì)子交換膜生產(chǎn)提供了充足的產(chǎn)能保證。
技術(shù)水平相對落后,產(chǎn)能長期國外壟斷
全球質(zhì)子交換膜產(chǎn)能基本上被國外壟斷。國內(nèi)質(zhì)子交換膜產(chǎn)業(yè)發(fā)展時間滯后于美國日本等發(fā)達國家,尚處于起步階段,面臨技術(shù)、市場、人才、資金四大壁壘:。
年,東岳集團與上海交通大學(xué)合作,得到國家 863 計劃支持,成功研制出全氟磺酸離子交換膜。歷經(jīng)十余年的攻關(guān),將樹脂制備、涂布工藝探索、試驗線建設(shè)、復(fù)合膜商業(yè)化制備等,東岳集團目前已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化突破,實現(xiàn)了質(zhì)子交換膜及管件材料產(chǎn)業(yè)鏈布局。
市場需求
質(zhì)子交換膜下游應(yīng)用廣泛,氯堿工業(yè)、燃料電池、電解水制氫以及全釩液流電池中關(guān)鍵膜材料均為質(zhì)子交換膜。PEM燃料電池及電解水發(fā)展迅速,國內(nèi)外市場都呈現(xiàn)出較快的需求增長和廣闊的發(fā)展前景。
質(zhì)子交換膜燃料電池
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是最為常用的燃料電池形式。據(jù)E4tech統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,從2011年到2019年,PEM燃料電池出貨量占比從44.9%進一步提升至82.7%,可見,全球PEM燃料電池出貨量高速增長。依據(jù)中國氫能聯(lián)盟對未來燃料電池系統(tǒng)成本的預(yù)測以及美國能源部披露的成本結(jié)構(gòu),綜合測算,燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域每年為質(zhì)子交換膜帶來的市場增量將持續(xù)增長,到2025年、2035年和2050年將分別為9.80億、49.01億和67.39億,非??捎^。
電解水制氫
電解水同樣是質(zhì)子交換膜的一項重要應(yīng)用領(lǐng)域,電解水制氫戰(zhàn)略地位不斷凸顯,真正做到零碳排放與“風(fēng)光無限”,帶動電解槽系列產(chǎn)品的快速發(fā)展。據(jù)IEA統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,近年全球電解水年新增裝機容量快速增長。IEA根據(jù)已公布的項目數(shù)據(jù)進行預(yù)測,2020-2023年電解水年新增裝機容量將呈現(xiàn)高速增長,到2023將達1433.1MW,較2014年相比,年均復(fù)合增速將高達75.44%。綜合測算,可再生能源電解制氫在2020年給質(zhì)子交換膜帶來的市場增量為4.03億人民幣,而到了2030年和2050年,將可為質(zhì)子交換膜市場每年帶來約17.2億和59.8億的規(guī)模增量。
全釩液流電池
全釩液流電池是安全高效、富有潛力的儲能系統(tǒng)。釩電池我在之前的文章中介紹過,作為電化學(xué)儲能的最優(yōu)解,目前已經(jīng)加速商業(yè)化,相比于目前儲能主流的鋰離子電池系統(tǒng)更加安全,其使用壽命可達 20 年,充放電數(shù)萬次,生命周期是傳統(tǒng)電池的 3-4 倍。目前應(yīng)用的商業(yè)化程度最高的導(dǎo)電膜是杜邦的 Nafion 膜。隨著高功率密度全釩液流電池電堆的開發(fā)成功,和新一代全釩液流電池技術(shù)的成熟以及產(chǎn)業(yè)鏈上游更多企業(yè)的參與,全釩液流電池在初始投資成本和系統(tǒng)效率等方面的競爭力將不斷提升。
總結(jié):目前燃料電池所用的氫大多是工業(yè)副產(chǎn)氫。未來隨著燃料電池的發(fā)展,對“綠氫”的需求會越來越高,質(zhì)子交換膜電解水制氫是未來氫能源的重要來源。風(fēng)光發(fā)電的快速發(fā)展,將帶動棄電制氫、儲能系統(tǒng)的共同發(fā)展,二者發(fā)展均離不開質(zhì)子交換膜,預(yù)計 2030 年我國質(zhì)子交換膜用量將達到 2765-2850萬 m2,應(yīng)用主要集中在氫燃料電池車領(lǐng)域,其次是質(zhì)子交換膜電解水工藝和全釩液流電池領(lǐng)域,市場空間將達到百億元量級。
質(zhì)子交換膜下游應(yīng)用廣泛,主要應(yīng)用于氯堿工業(yè)、燃料電池、電解水制氫與全釩液流電池儲能系統(tǒng)。根據(jù)我們測算,2030 年我國氯堿工業(yè)國產(chǎn)離子膜需求量約為 7.6 萬平,我國車用燃料電池用質(zhì)子交換膜需求量超 2640 萬平,電解水制氫電解槽用質(zhì)子交換膜需求量超 95 萬平,全釩液流電池儲能用質(zhì)子交換膜需求量超 15 萬平??傮w而言,預(yù)計我國質(zhì)子交換膜市場未來將由車用燃料電池市場主導(dǎo),2030 年市場規(guī)模將超百億元。國內(nèi)技術(shù)水平與國外尚存差距,但部分企業(yè)正在加速布局,有望實現(xiàn)高端突破。
數(shù)據(jù)顯示,2024年9月,我國7米以上大中型新能源客車共銷售4584輛,環(huán)比(3010輛)增長52.29%,同比(3493輛)增長31.93%;1-9月,累計銷售23695輛,同比(22688輛)增長4.44%,較1-8月累計(下降0.44%)增長近5個百分點,累計增幅由負轉(zhuǎn)正。9月份我國新能源客車市場發(fā)展勢頭強勁。 9月:遠程/中車進三甲 歐輝/金龍/中通晉級 七家企業(yè)銷量“雙增” 由上表可見,在7米以上新能源客車銷量排名上,今年9月,宇通客車(600066.SH)銷量為1102輛,拿下新能源客車市場銷冠,并成為唯一一家單月銷量破千的品牌;排名躍升第二的遠程商用車,銷量為615輛,并于7月后再一次進入銷量前十;排名第三的中車電動,銷量為599輛,較上月排名上升兩位。其余企業(yè)中,福田(600166.SH)歐輝、廈門金龍和中通客車(000957.SZ)排名較上月分別提升一位。 在7米以上新能源客車銷量表現(xiàn)上,今年9月,前十企業(yè)中有7家企業(yè)實現(xiàn)了環(huán)比與同比“雙增”,即宇通客車、遠程商用車、中車電動、上海申沃、福田歐輝、廈門金龍和中通客車。其中,中車電動銷量同比增長470.48%,領(lǐng)漲行業(yè);福田歐輝和廈門金龍也實現(xiàn)銷量同比翻倍增長;宇通客車銷量同比增長也接近8成。而遠程商用車、中車電動、福田歐輝、廈門金龍和中通客車等企業(yè)實現(xiàn)...