前段时间，中东石油土豪们来国内谈了大业务，对石油炼化公司大手笔买买买。而除了发力旧能源之外，据说中东土豪们也要发力新能源：在沙漠中搭建光伏板，继而把光伏发电用来电解水制氢，再把氢气卖给欧洲。实现从旧能源霸主到新能源巨头的华丽转身。
这真的是有钱人还勤奋、还居安思危。那这个方案可行吗？
电解水制氢可行吗？
(资料图)
氢，和煤炭、石油之类可以直接开采的能源不同，它作为二次能源，需要以各种方式进行制取生产。按照来源划分，主要可以分为三类：（奶奶）灰、（天真）蓝、（股市）绿。
灰氢，指通过煤炭、天然气等化石原料以及工业副产来制取氢，这种方式成本低，但碳排放相对较高。灰氢为目前的主流，占比达到99%左右，包括天燃气制氢、煤制氢、工业副氢等。这其中，美国以天然气制氢（95%）为主、欧洲以天然气制氢为主（55%），我国以煤制氢（60%）为主。
全球氢气来源
蓝氢，是指在灰氢生产过程中，加入了“无碳”技术，包括碳捕捉、利用、封存等，从而实现了低碳甚至零碳排放。这种方式大概会提升成本10%-40%。
绿氢，是指电解槽制取的氢，它的特点是所使用的电能，主要是光伏、风电等可再生清洁能源。还有用核能生产的氢，被称为（芭比）粉氢，规模可以忽略不计。
绿氢规模小，也不是没有原因的。相比之下，能源效率不高，在55%左右，低于灰氢；最终产品的成本也比较高，目前是14-27元/kg，而灰氢仅为9.5-15元/kg。
灰蓝绿氢的对比，来源：华安证券
又贵又不好用，那么为什么要发展绿氢呢？
发展绿氢的必要性，毫无疑问，是“碳排放”，时代规则的变化来驱动产业发展。随着全球碳税的推广、ESG标准的普及，能源转型是大趋势。如果要在全球做生意，就必须接受新规则。这也是中东土豪们“居安思危”的出发点。
发展绿氢的可行性有三：首先，发展绿氢可以驱动能源行业从“资源垄断型”向“技术提升型”发展。
其次，发展绿氢，也是完成光伏普及的拼图之一。光伏发电的不稳定性，是“打娘胎”里带来的。因此，必须有储能作为配合，而氢就是储能的方式之一。把光转换为电，再把电转化为氢，看似流程繁琐、能源效率降低了，但是，考虑到光照资源是白白来的，只要转化成本可控，何乐不为呢。
再次，绿氢如果能完成对灰氢的取代，存量空间，也足够吸引人。商用车用氢价格在25元/kg以下，就会对柴油体现出成本优势；工业用氢价格在15元/kg以下，也会体现出成本优势。
这就是“历史进程和个人奋斗”的产业故事。但，关键还是在于，绿氢的技术性价比，何时体现？
成本如何下降？
绿氢制取的成本大头是“电费”。通过测算可以发现，当电解水制氢所用的电力成本到达0.15元/度的时候，绿氢的单位总成本就会和灰氢差不多。这就意味着，灰氢会被绿氢取代。
绿氢成本弹性测算，来源：华安证券
电力成本的下降，主要得益于光伏电池技术发展。地面光伏发电的LCOE度电成本，在1800小时下，已经达到0.2元/度，随着硅料价格下降、电池效率提升，这个成本还会继续下降。而中东等日照充足的地方，光伏发电也会更加有效。
国内例如宝丰能源公告资料显示，公司“国家级太阳能电解水制氢综合示范项目”综合制氢成本可以控制在1.54元/m³，折合17元/kg，相对于天然气制氢，已经体现出成本优势了。
而除了电力成本下降之外，绿氢成本的下降，也得益于生产设备“电解槽”的技术迭代：
一方面，电解槽使用寿命不断延长，报告显示，当电解槽工作时长从2000小时增加到4000小时，就会对氢气总成本带来4.6%下降。另一方面，通过技改降低耗电量。隆基发布的电解槽新品，就使得耗电量下降了20%。
在提效方面，则是一个更值得关注的领域，新技术取代成熟品：质子交换膜、固体氧化物等新技术，取代碱性电解槽。
华安证券测算，在乐观情况下，绿氢成本甚至会达到5.8元/kg，大幅低于灰氢成本，开启全面取代。
电解槽的“存量替换”
主流的电解水制氢技术有四种：碱性水电解（ALK）、质子交换膜电解（PEM）、高温固体氧化物电解（SOEC）、固体聚合物阴离子交换膜电解（AEM）。
碱性电解技术ALK，以氢氧化钾水溶液等碱性环境为电解质，以石棉为隔膜，分离出氢气和氧气。和其他技术相比，一个重要优势是阴阳电极板中不含有贵金属，因此，电解槽成本比较低，发展时间久、技术、商业生态也最为成熟。目前占比80%左右。
劣势在于，难以快速启动和变化，对电力要求稳定，不适配光伏、风电这种波动大的电力。这就意味着没办法参与到“风光”发展的风光潮流中。
国内碱性电解槽生产企业较多，也完成了国产化，降本路径主要是单品产能扩大。报告显示，1台1000Nm³/h电解水制氢装置的成本，并不是2台500Nm³/h成本的一倍，而只是其70%-75%。
固体氧化物电解水制氢SOE，采用氧化锆等固体氧化物作为电解质，在高温下进行工作。核心壁垒在于阴极、阳极的材料研发，长期处于实验室阶段。最近有一些落地突破。
国内公司上海翌晶氢能科技公司已经有SOE方案的电堆自动化产线下线。上海应用物理研究所、北京质子动力公司，也都有相关产品小规模验证。
阴离子交换膜电解水制氢AEM也处于实验室阶段，后续要看相关材料的突破。目前看，有望取代ALK的就是质子交换膜电解槽PEM。
PEM电解槽包括质子交换膜、催化剂、气体扩散层和双极板等零部件，优点是启动快，可适配风光等电力的灵活性。其中，质子交换膜生产壁垒比较高，主要由海外企业杜邦、旭化成等提供，国内东岳集团已经实现了国产化。气体扩散层，也是海外企业为主。
而电极、催化剂等又对铱、铂、钛等贵金属依赖度高。因此，整体而言，PEM方案和ALK相比，缺点是成本比较高，从全生命周期成本来看，PEM为23元/kg，高于ALK的17.7元/kg。
ALK和PEM成本对比，来源：华安证券
当然，PEM也在努力降本，包括技术研发、国产替代、规模化效应等等。但和ALK相比，PEM电解槽更加紧凑，同等制氢规模占地面积缩小一半，这也成为现实部署时的一个考量。
考虑到适配风光电力稳定性的需求来看，未来在大规模制氢领域，例如化工冶金等，则会采用ALK碱性电解槽；而在风光充足的地区，则偏向PEM质子交换膜电解槽。
在产业发展的机遇中，有两种形式，一种是“存量替代”，新技术、新产品替代旧技术、旧产品，单纯从已有的市场来抢就够了；另一种是“开天辟地”，催生了新的市场、新的需求。
就像智能机期待功能机，手机替换是存量市场，但各类移动互联网上的产品、服务，又是新需求。电动车取代燃油车，是存量替代模式，但后续希望开展的车内场景消费，就是新需求。
而回到制氢这个话题来看，目前发生的是一个连环嵌套的“替换”的趋势：氢能，取代石油；绿氢取代灰氢；PEM取代ALK。自上而下，是发展的背景，自下而上是发展的关键。这其中，一定不是一蹴而就，但核心突破，就会带来新的增长机遇。
