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千億氫儲能市場一觸即發(fā)

未來智庫發(fā)布時(shí)間:2023-05-04 13:14:48

  三、氫儲能對應(yīng)電解槽市場千億規(guī)模,堿性率先起量、PEM 后起更適配風(fēng)光

  3.1 長時(shí)儲能需求帶動電解槽放量,風(fēng)光配儲下千億市場空間

  2030 年儲能領(lǐng)域氫氣需求預(yù)計(jì)約 230 萬噸,對應(yīng)電解槽裝機(jī)約 57GW,千億市場規(guī)模。 氫儲能可分為日度和季度儲能。

  季度調(diào)峰氫氣需求量測算:可再生能源發(fā)電呈現(xiàn)上半年多于下半年的趨勢,因此 需要采用跨季度儲能手段進(jìn)行調(diào)控,氫能是適合長周期儲能的重要方式,并且依 據(jù)氫能中長期規(guī)劃中對可再生能源制氫的規(guī)劃,預(yù)計(jì)氫能滲透率將逐年上升,根 據(jù)我們的測算,2030 年季度調(diào)峰氫氣需求量為 162 萬噸,年復(fù)合增長率 70%。

  測算邏輯與假設(shè):根據(jù)上文對 2023-2030 年發(fā)電結(jié)構(gòu)和總社會用電量的預(yù)測,得 出所需儲存的電量,結(jié)合氫儲能滲透率從 2021 年的 0.04%上升至 2030 年的 10%、 設(shè)備 1200h-1800h 的年工作時(shí)長以及 4.5-5.5kWh/L 的制氫電耗測算。2025 年為 氫能中長期規(guī)劃的第一個(gè)結(jié)算點(diǎn),在前期基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備技術(shù)以及成本已初步具 備商業(yè)化可行性時(shí),2025 年將迎來爆發(fā)。

  日度調(diào)峰氫氣需求量測算:光伏具有明顯的晝夜分布不均現(xiàn)象,在未來可再生能源發(fā)電占主導(dǎo)的背景下,為實(shí)現(xiàn) 24h 供電全部使用光伏,必須采用儲能手段。日內(nèi)光照富 余時(shí)段的發(fā)電量通過電解制氫進(jìn)行儲存,夜間將氫氣通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電能,最終 實(shí)現(xiàn) 24h 不間斷穩(wěn)定供電。根據(jù)我們的測算,2030 年日度調(diào)峰氫氣需求量為 66 萬噸, 年復(fù)合增長率為 67%。

  測算邏輯與假設(shè):假設(shè)全國光伏平均利用小時(shí) 1200 小時(shí)、光伏發(fā)電效率 14%、 電解槽工作 10 小時(shí)/天、一年工作 365 天、耗電量為 5 度電制取 1 標(biāo)方氫氣,理 論上日度調(diào)峰儲能不適合使用氫能,因?yàn)榇嬖陔?氫-電轉(zhuǎn)化效率低(40%)的問 題,但氫儲能具有大規(guī)模使用后的成本優(yōu)勢,在可再生能源裝機(jī)量高增疊加電解 槽成本逐步具備商業(yè)化可行性的背景下,2025 年后氫儲能滲透率將呈現(xiàn)較快速 攀升態(tài)勢。

  綜上,2030 年電解槽市場將達(dá)到 1000 億市場規(guī)模。測算邏輯與假設(shè):分堿性和 PEM 電解槽測算,假設(shè)電解槽產(chǎn)氫量為 200 標(biāo)方/MW, 一天工作 4.5-6 小時(shí),一年工作 365 天,由于 2021-2025 年主要以示范項(xiàng)目為主, 購置成本成為了電解槽選擇考慮的首先要素,當(dāng)前堿性電解槽的購置成本遠(yuǎn)低于 PEM 電解槽,堿性電解槽以更成熟的技術(shù)和更低的初裝設(shè)備成本,占據(jù)了更大的 市場份額。隨著行業(yè)發(fā)展逐步進(jìn)入商業(yè)化階段,全生命周期成本將成為重點(diǎn),同時(shí)疊加 PEM 設(shè)備成本的快速下降,預(yù)計(jì) 2021-2025 年 PEM 電解槽市場占比將從 1%增長至 10%,2025 年-2030 年從 10%增長至 40%。通過分別測算堿性和 PEM 電 解槽的市場空間,預(yù)計(jì) 2030 年電解槽累計(jì)市場規(guī)模超千億元。

  3.2 堿性電解槽率先起量,長期看 PEM 電解槽有望開啟替代進(jìn)程

  堿性電解槽當(dāng)前技術(shù)更成熟、價(jià)格更低,PEM 效率更高、動態(tài)響應(yīng)更快,SOEC 是未來 技術(shù)發(fā)展方向。當(dāng)前電解水制氫技術(shù)有三種,堿性電解槽(ALK)、純水電解槽(PEM) 和固體氧化物電解槽(SOEC),其中堿性電解槽技術(shù)更成熟,且價(jià)格更低,當(dāng)前大規(guī) 模應(yīng)用更具備經(jīng)濟(jì)性,但啟停時(shí)間相對 PEM 較長,且能耗更高、體積更大;PEM 效率 更高、動態(tài)響應(yīng)能力更強(qiáng)、更適合于與風(fēng)光耦合、體積更小,但當(dāng)前成本偏高,未來 隨著技術(shù)進(jìn)步與規(guī)模效應(yīng),成本將逐步下降;SOEC 效率高,最高可達(dá) 90%,目前尚處 實(shí)驗(yàn)室階段。

  短期內(nèi)堿性設(shè)備以更低廉的價(jià)格,更適用西部大規(guī)模電站,長期看 PEM 設(shè)備有望在與 堿性制氫成本平價(jià)時(shí)開啟替代進(jìn)程。

  (1)從應(yīng)用場景來看,短期和長期邏輯有所區(qū)別:

  短期:堿性適用于西部大規(guī)模制氫,PEM 適用于東部站內(nèi)電解水制氫。由于堿性 電解槽的大占地面積和高制氫規(guī)模,其更適合在土地資源相對充足的西部大規(guī)模 建設(shè),西部豐富的風(fēng)光資源以及低廉的電價(jià)可支撐大規(guī)模制氫的需求;PEM 電解 槽的小體積使其更適用于東部的站內(nèi)制氫,作為加氫站的重要?dú)湓囱a(bǔ)充,當(dāng)前政 策也鼓勵(lì)站內(nèi)電解水制氫,廣東地區(qū)給予其蓄冷優(yōu)惠電價(jià)。

  長期:西部大規(guī)模制氫可使用堿性和 PEM 電解槽的結(jié)合方案,且在 PEM 制氫成本 與堿性持平的情況下可開啟對堿性電解槽的替代進(jìn)程。長期來看,隨著技術(shù)的不 斷迭代升級,PEM 電解槽內(nèi)的銥等貴金屬催化劑用量預(yù)計(jì)將大幅下降,帶來 PEM 電解槽成本的快速下行。PEM 電解水設(shè)備更適用于風(fēng)光氫儲一體化,當(dāng) PEM 與堿 性的 TCO 趨向持平時(shí),西部大規(guī)模制氫可使用堿性和 PEM 電解槽的結(jié)合方案,且 在 PEM 成本與堿性持平的情況下,預(yù)計(jì) PEM 將開啟對堿性電解槽的替代進(jìn)程。

  以運(yùn)行 15 年進(jìn)行測算,預(yù)計(jì)當(dāng)電價(jià)相同時(shí),PEM 的設(shè)備成本為堿性設(shè)備成本的 3-4 倍時(shí),PEM 的單位制氫成本與堿性的單位制氫成本持平。

  測算邏輯與假設(shè):以 1MW 級的堿性電解槽與 1MW 級的 PEM 電解槽為例進(jìn)行成本平 衡點(diǎn)的測算,堿性電解槽效率為 PEM 電解槽的 90%,功率范圍窄造成的效率損失 約為 10%,兩種電解槽均運(yùn)行 15 年產(chǎn)氫約 900 萬方。隨著 PEM 電解槽成本持續(xù) 的下降,在電價(jià)相同的情況下,預(yù)計(jì)PEM的設(shè)備成本為堿性設(shè)備成本的3-4倍時(shí), PEM 的單位制氫成本與堿性的單位制氫成本持平。

  堿性和 PEM 電解槽的結(jié)合方案,80%堿性+20%PEM,電解槽的制氫成本為 2.12 元/m3, 為搭配最佳選擇。對 1MW 級的電解槽進(jìn)行成本測算,電解槽單價(jià)采用 2021 年的數(shù)據(jù), 電費(fèi)為 0.3 元/kWh,電解槽壽命為 15 年產(chǎn)氫約 900 萬方,分為設(shè)備成本和運(yùn)營成本 測算,其中堿性電解槽由于波動性匹配區(qū)間較窄,將會損耗 15%的的效率。三種方案 測算制氫的 TCO 成本如下:

  方案一:100%堿性,電解槽的制氫成本為 2.22 元/m3。全采用堿性電解槽雖然可 以減低設(shè)備的購置成本,但因?yàn)閴A性電解槽效率低,再加上最低啟動功率限制造 成效率 10%的損失,運(yùn)營成本會有所上升。

  方案二:80%堿性+20%PEM,電解槽的制氫成本為 2.12 元/m3。此種電解槽配置方 案 TCO 成本最低,因?yàn)樵诳稍偕茉窗l(fā)電功率不及堿性最低啟動功率時(shí)可以采用 小功率 PEM 電解槽制氫,避免了電量損失。此外 80%的堿性電解槽配比也保證了 較低的購置成本,因此 TCO 為三種方案最低

  方案三:100%PEM,電解槽的制氫成本為 2.33 元/m3。此種電解槽配置方案 TCO 成本最高,因?yàn)槟壳?PEM 電解槽的購置成本最高,預(yù)計(jì)到 2030 年此種方案有望 成為成本最優(yōu)方案。

  (2)從發(fā)展階段來看,示范階段更注重初裝成本,商業(yè)化運(yùn)營需考慮全生命周期成 本。當(dāng)前電解水項(xiàng)目大多處于示范階段,堿性電解槽技術(shù)更成熟、設(shè)備價(jià)格也相對更 低,示范階段更傾向于堿性電解槽的應(yīng)用。未來進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營時(shí),全生命周期成本 成為首要考慮因素,即需加入運(yùn)營成本進(jìn)行考量,堿性電解槽運(yùn)營成本占其全生命周 期成本的 75%-80%,PEM 則是占 30-40%,在 PEM 電解槽設(shè)備逐年降本以及其更適合與 風(fēng)光耦合的情況下,PEM 電解槽的應(yīng)用將呈現(xiàn)逐年上升趨勢。

  堿性電解槽購置成本較低。堿水電解技術(shù)成熟度較高,同時(shí)沒有貴金屬作為設(shè)備 生產(chǎn)原料,因此單價(jià)相對較低。但由于需要保證電解槽兩側(cè)氫氧平衡,堿性電解 槽需在額定功率的 20%以上才可以工作,且效率不如 PEM,因此在相同條件下, 制氫量不及 PEM。

  PEM 成本較高,國內(nèi)尚未實(shí)現(xiàn)大功率規(guī)?;瘧?yīng)用。目前國內(nèi)可再生能源制氫示范 應(yīng)用項(xiàng)目及主流企業(yè)核心產(chǎn)品基本以堿性電解槽為主,尚未形成大功率規(guī)?;瘧?yīng) 用,技術(shù)成熟度落后于 NEL、ITM、西門子等海外企業(yè),同時(shí)受制于生產(chǎn)原料中 的貴金屬,PEM 成本相較堿性較高。但由于 PEM 效率更高且動態(tài)響應(yīng)更快,更適 合與光伏、風(fēng)能設(shè)備串聯(lián)使用,運(yùn)營階段成本相對較低。



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