導(dǎo)語

縱觀全球政策、產(chǎn)業(yè)趨勢，尤其是在如今日益緊迫的新能源消納及儲能需求下，灰氫、藍氫已不再滿足未來場景，投入發(fā)展綠電制氫技術(shù)逐漸成為當(dāng)下共識。各方積極入局之下，綠氫技術(shù)層出不窮，其中不乏有技術(shù)率先邁入商業(yè)化階段，盡管應(yīng)用較為成熟，但仍有待進一步提升和完善，也有技術(shù)仍在實驗室精雕細琢，潛力無限但尚待驗證。

本篇在拋出綠電制氫項目技術(shù)選擇難題的基礎(chǔ)之上，厘清行業(yè)現(xiàn)狀、尋覓發(fā)展焦點，通過創(chuàng)新設(shè)計“R-E-A-P”指標(biāo)體系，嘗試針對不同典型場景開展技術(shù)優(yōu)先級匹配，為綠氫項目的前期規(guī)劃與決策環(huán)節(jié)提供有益參考，助力綠氫產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

事前思考，綠氫項目規(guī)劃的關(guān)鍵問題

“綠電制氫”，即通過引入風(fēng)光資源完成電解水制氫，在基本實現(xiàn)全程零碳排放的同時，憑借氫儲對綠電波動性的平抑作用，為新能源的消納儲能提供全新路徑。面對“雙碳”目標(biāo)的持續(xù)推進與綠電規(guī)模的迅猛發(fā)展，近年來，綠氫項目得到愈來愈多的關(guān)注，市場空間也正被不斷挖掘。

圖1  并網(wǎng)型風(fēng)電/光電制氫系統(tǒng)架構(gòu)

受限于相關(guān)離網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)進展，目前市面上的綠氫項目大多以并網(wǎng)型綠電制氫系統(tǒng)的形式進行運轉(zhuǎn)。盡管整體架構(gòu)相對趨同，但“花樣”則出在其中核心的電解環(huán)節(jié)。當(dāng)前主流的電解技術(shù)已有堿性電解水技術(shù)（ALK）、質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)（PEM）、固體氧化物水電解技術(shù)（SOEC）、陰離子交換膜電解水技術(shù)（AEM），皆在不斷迭代創(chuàng)新。面對電解技術(shù)的多樣性，綠氫項目決策者和實施者常常面臨如下難題：

“各個電解技術(shù)的發(fā)展進程不一，且不同應(yīng)用場景下的需求差異顯著，應(yīng)如何根據(jù)具體場景選擇合適的電解技術(shù)？”

技術(shù)本身是否匹配項目應(yīng)用場景需求不僅決定了項目執(zhí)行，也直接影響到經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。因此，明確各類電解技術(shù)的基本特征及其在不同場景中的應(yīng)用優(yōu)先級是實現(xiàn)綠氫項目價值最大化的關(guān)鍵所在，以確保技術(shù)選擇能夠在性能、成本與可持續(xù)發(fā)展之間實現(xiàn)最佳平衡。

厘清現(xiàn)狀，主流綠氫技術(shù)的不同進展

先知全貌，后知甚解。不同技術(shù)在成熟度、適配性和潛在價值上的顯著差異，不僅決定了其當(dāng)前的應(yīng)用領(lǐng)域，也影響著其未來發(fā)展方向。因此，在討論綠氫項目如何選擇最契合的電解技術(shù)之前，需率先厘清不同技術(shù)的發(fā)展階段與顯著特點，以為后續(xù)的決策評估提供可憑之據(jù)。

具體來看，由于堿性電解槽已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，加之陰陽電極板中不含貴金屬，堿性電解槽的設(shè)備成本及運行成本較低，已成為當(dāng)前主流，且可預(yù)見的，其在未來10至20年仍將占據(jù)統(tǒng)治地位。而進一步聚焦于風(fēng)光資源的隨機性對電解水制氫設(shè)備的耦合匹配要求，質(zhì)子交換膜電解槽“綠電親和”特性的價值日益凸顯。依托高導(dǎo)電性的質(zhì)子交換膜與高活性的催化劑，質(zhì)子交換膜電解槽負荷范圍寬、運行靈活，且在低溫低壓的操作條件下啟停迅速，更適用于平抑風(fēng)電、光電并網(wǎng)發(fā)電的波動性。因而在如今可再生能源裝機容量迅猛增長的大背景下，PEM大有對ALK技術(shù)規(guī)模應(yīng)用的替代之勢，或為下一風(fēng)口。

不過，ALK工藝相對簡單，存在電解質(zhì)溶液具有腐蝕性等不可忽視的技術(shù)問題，同時PEM需貴金屬催化，電解槽的建設(shè)與運維成本偏高，未來發(fā)展易觸頂。因而盡管SOEC與AEM在材料、設(shè)備等方面的關(guān)鍵技術(shù)尚有待突破，但從項目的長期價值看也同樣值得關(guān)注。

固體氧化物電解槽通常在600℃以上的溫度中運作，可利用廢熱提供能量，在無需使用貴金屬催化劑的條件下電解效率極高，未來伴隨對核電、光熱、地?zé)岬惹鍧崯嵩刺剿鞯娜找嫱七M，有望憑借高溫契合性發(fā)揮高價值。進一步地，陰離子交換膜電解槽采用廉價非貴金屬催化劑與碳氫膜，不僅在常溫下具備啟?？?、電耗低的特征，還同樣適用于可再生能源耦合，理論上使綠氫真正“制得好”“用得起”，代表著綠氫技術(shù)的最高潛力。

圖2  當(dāng)前四類主要電解水制氫技術(shù)一圖對比

合理抉擇，平衡項目效益的評價體系

ALK技術(shù)具備最高成熟度但未來進步空間不高，AEM技術(shù)雖具備最高潛力卻仍有諸多難點亟待攻關(guān)，可謂“階段不同、特征各異”。面對多元化的電解技術(shù)，綠氫項目的決策者應(yīng)當(dāng)如何有效評估其中的技術(shù)應(yīng)用優(yōu)先級？“三重底線”理論¹強調(diào)，企業(yè)和項目在追求經(jīng)濟效益的同時，還須關(guān)注環(huán)境和社會效益。對于綠氫項目而言，其執(zhí)行與應(yīng)用不僅要實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的經(jīng)濟價值，亦承擔(dān)了環(huán)保和社會可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任。因此，綠氫項目的技術(shù)選擇應(yīng)當(dāng)在其中取得平衡，而非僅考慮單一經(jīng)濟目標(biāo)。

進一步地，立足于不同電解技術(shù)的發(fā)展階段與亮點特色，基于“三重底線”理論，我們提出可靠性（R）、經(jīng)濟性（E）、適配性（A）、環(huán)保性（P）等四個方面指標(biāo)，從而支撐綠氫項目有效評估各電解技術(shù)在不同場景中的應(yīng)用優(yōu)先級，以保障項目的可持續(xù)發(fā)展。

圖3  三重底線與四項指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系

1、可靠性（Reliable）：電解技術(shù)在長期穩(wěn)定運行和維護中的表現(xiàn)，對于綠氫項目的建設(shè)運營至關(guān)重要。技術(shù)成熟度高的解決方案能夠減少項目建設(shè)中的技術(shù)風(fēng)險，確保制氫設(shè)備長期高效運行，適合規(guī)?；椖康目煽啃孕枨?。

2、經(jīng)濟性（Economical）：初始投資、運行成本和維護成本是綠氫項目能否在市場上實現(xiàn)經(jīng)濟可行性的關(guān)鍵。低成本高效益的技術(shù)不僅能降低建設(shè)投資門檻，還能確保項目在運營階段維持穩(wěn)定的資金流動和競爭力。

3、適配性（Adaptable）：即電解技術(shù)與不穩(wěn)定新能源（如風(fēng)電、光伏等綠電）的適配能力，該能力可快速響應(yīng)并平穩(wěn)利用波動性電力輸入，確保綠電資源的高效消納，從而使綠氫項目能夠最大化利用清潔能源。

4、環(huán)保性（Pollution-free）：關(guān)注技術(shù)在運行過程中是否無污染、無有害物質(zhì)排放。環(huán)保效益越高的技術(shù)越能確保項目在建設(shè)和運營中符合環(huán)保政策要求，減少對周圍生態(tài)環(huán)境的負面影響，助力綠氫項目實現(xiàn)真正的可持續(xù)發(fā)展。

基于“R-E-A-P”體系，我們選取涵蓋從大型集中式到小型分布式應(yīng)用的多樣化綠電制氫場景，并加以技術(shù)優(yōu)先級匹配，為綠氫項目的技術(shù)選擇提供典型參考。

（一）集中式場景：大規(guī)模園區(qū)制氫項目

大規(guī)模園區(qū)制氫項目通常布置在固定的工業(yè)園區(qū)場所，要求高效、連續(xù)且低成本地進行長期穩(wěn)定生產(chǎn)。此類項目的核心需求在于高可靠性和經(jīng)濟性，以確保設(shè)備在高負荷運行下能夠?qū)崿F(xiàn)較低的單位制氫成本，滿足大規(guī)模工業(yè)用氫的需求。同時，由于園區(qū)通常配備規(guī)?；娘L(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)及環(huán)保管理系統(tǒng)，對適配性、環(huán)保性的需求稍低。

在技術(shù)選擇上，ALK技術(shù)的穩(wěn)定性在工業(yè)園區(qū)類集中式場景中得到了廣泛驗證，適合低成本、大規(guī)模、長期限的制氫需求，擁有最高優(yōu)先級；同時，工業(yè)場景易創(chuàng)造高溫條件，可為高效率的SOEC技術(shù)應(yīng)用提供有利環(huán)境。

（二）分布式場景：小規(guī)模分布式制氫項目

分布式制氫項目通常與風(fēng)電、光伏等波動性電源相結(jié)合，部署在分散的區(qū)域，旨在滿足分布式能源消納和區(qū)域小規(guī)模用氫需求，因而對綠電耦合的適配性需求較高，要求電解槽能夠快速響應(yīng)波動性電源輸入，以最大化綠電的消納效果。由于分布式項目的儲能空間較為有限，且其總投資和運行成本相對不充裕，在綠電消納效率上的容錯空間較小，因此適配性是此類項目的首要關(guān)注點，以確保項目能夠在電力波動頻繁的情況下穩(wěn)定運行，盡管經(jīng)濟性、可靠性、環(huán)保性也需適當(dāng)考量，但在較小項目規(guī)模下的優(yōu)先級較弱。

在技術(shù)選擇上，PEM技術(shù)由于其對綠電的良好適配性，能夠有效利用風(fēng)光等波動性能源，擁有最高優(yōu)先級。此外，盡管AEM受限于不成熟性，但仍較無綠電耦合性的ALK、SOEC優(yōu)先級更高。

（三）生態(tài)敏感式場景：海上制氫項目

作為生態(tài)敏感性下的典型場景，海上制氫項目通常依托海上風(fēng)電場或偏遠島嶼的清潔資源實現(xiàn)離網(wǎng)制氫，部署在遠洋或海洋研究站等地，主要面向小規(guī)模的離散用氫需求。由于腐蝕性廢棄物或有害物質(zhì)的產(chǎn)生對生物及生態(tài)系統(tǒng)造成影響的可能性，該類項目要求制氫設(shè)備在保證環(huán)保性的同時，具備良好的經(jīng)濟可行性和較低的維護成本。

在技術(shù)選擇上，AEM技術(shù)憑借低成本優(yōu)勢優(yōu)于同樣具備環(huán)保性的PEM，在以海上制氫項目為代表的生態(tài)敏感性場景中具備較高的優(yōu)先級，盡管其技術(shù)成熟度尚未完全達到工業(yè)化水平，但其潛在的成本節(jié)約和環(huán)境適應(yīng)性仍使其成為首選。而ALK及SOEC的應(yīng)用存在難以規(guī)避的污染治理問題，在成本和環(huán)保性上均不占優(yōu)。

圖4  不同類型場景下指標(biāo)權(quán)重參考值²

（四）典型案例：某中部城市綠色氫能交通示范項目

1、背景分析

某中部城市被列為國家級氫能交通示范區(qū)，計劃建設(shè)多個公交加氫站，以支持清潔公共交通網(wǎng)絡(luò)。加氫站擬自主建設(shè)光伏系統(tǒng)，且需在兩年內(nèi)完成投產(chǎn)并使用。

2、場景匹配

項目分布在多個獨立的加氫站點，制氫規(guī)模較小，設(shè)備靈活性要求高，且需適應(yīng)波動性電力輸入。根據(jù)項目特點和需求，判斷該項目屬于小規(guī)模的分布式制氫場景，主要面向交通燃料應(yīng)用。

3、指標(biāo)評估

結(jié)合“R-E-A-P”指標(biāo)體系，從項目條件和期望角度對四個指標(biāo)進行分析：

（1）可靠性（R）

條件：公共交通運營需要連續(xù)供氫，要求設(shè)備停機率低，且研發(fā)時間較短。

期望：技術(shù)相對成熟，在保障運行穩(wěn)定性的同時能夠快速投產(chǎn)。

（2）經(jīng)濟性（E）

條件：初期預(yù)算有限，但示范項目部分由財政補貼支持。

期望：可以接受稍高的設(shè)備成本，但長期運行維護成本需控制在合理范圍內(nèi)。

（3）適配性（A）

條件：綠電來源波動較大，電解技術(shù)需適應(yīng)頻繁啟停和波動性電力輸入。

期望：設(shè)備能夠快速響應(yīng)綠電輸入變化，以最大化綠電的利用率。

（4）環(huán)保性（P）

條件：項目位于城市區(qū)域，有一定環(huán)保要求，但較生態(tài)敏感區(qū)相對寬松。

期望：盡量避免污染排放，確保符合城市環(huán)保法規(guī)。

4、綜合判斷

基于指標(biāo)評價分析所得條件與期望，以較差表現(xiàn)（1分）、一般表現(xiàn)（3分）、較佳表現(xiàn)（5分）對四項技術(shù)展開逐項評分，結(jié)合分布式場景下的參考指標(biāo)權(quán)重，抉擇出該項目理論條件下契合度最高的電解技術(shù)。在本案例中，PEM技術(shù)以4.2的綜合得分，成為最優(yōu)選擇。

圖5  某中部城市綠色氫能交通示范項目中電解技術(shù)選擇綜合判斷得分情況

5、實例佐證

從長春氫能交通示范線路、白城分布式發(fā)電制加一體化示范項目、長江電力綠電綠氫示范項目等國內(nèi)多個采用PEM電解水制氫技術(shù)的綠氫交通項目來看，這些項目均需保障制氫設(shè)備的長期穩(wěn)定運行，同時具備相對可控的建設(shè)和運行成本，能夠適應(yīng)波動性可再生能源的電力輸入，并在運行過程中實現(xiàn)零污染排放，與上文示例性質(zhì)基本一致。其電解技術(shù)選擇與上文基于“R-E-A-P”體系的評估結(jié)果高度吻合，進一步凸顯了該評價體系在特定場景綠氫技術(shù)選擇中的科學(xué)性與實用性。

圖6  國內(nèi)典型采用PEM電解水制氫技術(shù)的綠氫交通項目

結(jié)語

綠氫技術(shù)發(fā)展至今，已然能為氫能生產(chǎn)的環(huán)境友好性問題提供正向反饋。在實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的緊迫呼聲中和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略需求下，通過基于“R-E-A-P”體系的科學(xué)評估，決策者能夠在不同應(yīng)用場景中精準(zhǔn)匹配適宜的技術(shù)方案，最大化項目效益與價值。而隨著各類電解技術(shù)不斷進步與成本優(yōu)化，我們還應(yīng)當(dāng)注意到多種技術(shù)組合應(yīng)用的未來趨勢，屆時仍能在“R-E-A-P”體系下動態(tài)調(diào)整指標(biāo)權(quán)重以適應(yīng)新場景需求與新技術(shù)條件，重新在可靠性、經(jīng)濟性、適配性和環(huán)保性之間找到經(jīng)濟效益、社會效益、生態(tài)效益的平衡點。