随着光伏产业的大规模发展，光伏发电的消纳成为摆在我们面前的严峻问题，增加储能是一个重要的解决通道。随着氢能在全球的火爆，光伏制氢产业也被迅速点燃。2019年李克强总理的政府工作报告中提到推动“充电、加氢等设施建设”，进一步推动了业界对光伏制氢领域的广泛关注和大力投入，“绿氢”作为实现气候目标的新兴领域，正成为行业焦点。本文通过对光伏制氢的必要性和可行性分析、光伏制氢的市场应用、资本市场的表现、存在的问题以及解决方案的探讨，最后认为光伏制氢并不如市场热捧的那样，氢能本身是一种清洁高效的能源，但从全产业链来分析，现阶段还有许多问题亟待解决，推广还需充分论证，待规划布局到位，技术设备成熟可以自供再缓图之。

01

光伏制氢的必要性和可行性

1.1光伏制氢的必要性。

后疫情时代，绿色复苏与重视新能源已成为全球多数国家的发展共识，作为新能源的载体之一—氢能是一种清洁高效的二次能源，一直以来受到各国的重视。中国产业发展促进会副会长、氢能分会会长魏锁表示，发展氢能产业，对我国减少油气对外依赖，提高能源安全水平，减少大气污染排放，改善生态环境，有着重大现实意义。英国BP石油公司最新发布的《世界能源展望》中指出，到2050年，氢能占终端能源消费总量比例或将增长16%，其中电解水制氢将成供氢主体，中国的电解水制氢率先采用可再生能源，据中国氢能联盟发布的白皮书显示，到2050年，我国可再生能源电解制氢将占氢气供应结构的70%。随着光伏装机规模的连年攀升，光伏制氢作为一种高效的储能应用，也必然成为解决光伏市场消纳的重要途径，同时也是可再生能源制氢的重要来源。

光伏发电由于随机性、波动性、阶段性，其消纳问题一直制约着产业发展。随着大规模光伏产业的爆发，解决市场消纳、逐步代替传统能源的应用场景也迫在眉睫。氢能是一种清洁高效的能源，相比其它能源，其能量密度是最高的，是解决大规模光伏发电消纳问题的有效途径。

各种能源能量密度对比如下图：

1.2光伏制氢的可行性。

可行性分析主要从政策面、技术面和经济性上展开。

从政策面来说，推动加氢设施建设已写进2019年政府工作报告，此后一系列氢能相关政策出台，推动行业发展。“十四五”规划实施氢能产业孵化与加速计划，谋划布局一批氢能产业。全国各地也相应推出了自己的奖励支持政策，以刺激氢能产业发展。近期比较有代表性的有：安徽省有序布局氢燃料供给体系，充分发挥政府规划引导作用，鼓励能源公司及社会资本参与氢能基础设施建设，发挥联合建站集约优势，探索“加氢－加油－加气”综合能源站、“制氢－加氢”一体化示范站建设；承德市“十四五”大力发展制氢先进技术，培育和壮大氢燃料汽车基础设施网络，大力发展可再生能源制氢先进技术，推进制氢与风光储耦合项目，力争建成一批在京津冀城市群具有技术优势、规模优势的制氢项目，推动制氢、储氢、运氢、用氢四位一体，形成以资源优势、技术优势为依托的清洁能源产业发展格局；手笔动作最大的还是要数广州市，2021年6月11日，广州市黄埔区人民政府、广州开发区管委会关于印发广州市黄埔区、广州开发区促进氢能产业发展办法的通知，根据类型给予加氢站建设最高250万元补贴，给予氢气销售最高20元/kg的运营补贴。对获得国家、省、市扶持的项目，按100%、70%、50%分别给予最高500万元、300万元、100万元配套。对企业贷款按应付利息总额的50%给予每年最高500万元的3年贴息。重大氢能项目最高奖励1亿元。政策的支持极大地促进了各地氢能项目的发展和氢产业的规划布局。

从技术面来说，目前通用的比较成熟的技术手段是电解水制氢，分为碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢和固体氧化物电解水制氢。碱性电解水制氢技术工艺已处于成熟阶段，广泛应用于于储能、冶金、制药、食品等行业。质子交换膜电解水制氢技术作为一项新兴的储能技术，在实际生产中的应用也越来越广泛。固体氧化物电解技术具备高效、灵活、环保等优势，是现在国际能源领域研究的热点，我国尚处于起步阶段。光伏制氢已具备相对成熟的技术手段，并且还在不断发展和进化中。

从经济性上来说，目前市场上几大主要的制氢方式：煤气化制氢、甲醇制氢、天然气制氢以及工业副产品制氢，各有优缺点。

其比较图如下：

数据来源：网络资料整理

从上述比较可以看出，煤制氢成本最低，降成本空间最小；天然气制氢经济性最显著，也是目前制氢主体来源。光伏发电制氢在资源一类区域已具备经济可行性，较天然气制氢、甲醇制氢成本要低，随着光伏发电成本的持续下降，光伏制氢竞争力将进一步增强。但若考虑到氢能的储存、运输成本，只有在靠近负荷中心的光伏制氢站，才会具有成本竞争力。目前，制氢主体来源是天然气；未来可再生能源电解水制氢将上升为供氢主体。在氢能市场发展远期（2050 年左右），我国将形成以可再生能源为主体、煤制氢+CCS（碳捕获）与生物质制氢为补充的多元供氢格局。

02

光伏制氢的市场应用

2.1 绿氢产业链分析

通过光伏发电再电解水制取的氢气称为“绿氢”，绿氢是相对于灰氢、蓝氢而言，从生产到应用过程都使用的清洁无污染的能源，是应对环境目标的有效能源生产方式。光氢耦合开发可以最大限度吸纳弃光电量，缓解规模化光电上网“瓶颈”。绿氢全产业链分析涵盖绿氢制取、储存、运输和应用环节，现阶段主要布局的有加氢站及燃料电池、氢能整车制造业。相应地有光伏发电系统、电解水制氢系统、氢气压缩系统、储氢系统和氢气输送系统及高端装备制造业。目前我国从制氢压缩机、储容器等关键设备，到氢密封材料、低温金属材料等关键材料，在氢制取、运输、储藏甚至使用所需许多核心技术与材料装备以及零部件都有赖于进口。所幸的是，氢能的研发生产全球目前尚处初期阶段，中国可以通过强化自主创新实现“弯道超车”。当前的绿氢产业链尚未形成气候，前期以氢燃料电池为主要方向。

2.2 氢燃料电池

严格意义说，氢燃料电池是一种发动装置，而非储能装置。燃料电池装置有助于实现氢能的移动化、轻量化和大规模普及，是一个有着很广泛应用场景的新事物，可应用在交通、工业、建筑、 军事等场景，包括分布式发电、移动电源等等，目前以氢燃料电池汽车应用为重点，带动制氢、加氢、氢能产业装备制造和研发的全产业链条。氢燃料汽车续航里程长、能量转换效率高，目前的燃料电池能量密度低、体积大，可先用于公交、船舶、轨道交通等对空间要求不高的运输工具上。后期燃料电池的能量密度和功率密度提升空间都很大。

氢燃料电池车。大连市6月16日首批氢燃料电池公交示范线路开通启动仪式在英歌石加氢站举行，采用10.5米级和8.5米级两种车型，与纯电动公交车相比，平均补充氢燃料时间为10-15分钟，比纯电动充电时间缩短了60-70%，同等车型续驶里程提高了50%。氢燃料电池车无污染排放、能效较高，相对于燃油汽车，有利于节能减排，相对于电动汽车，其在续航里程和燃料补充速度上有优势，但近期成本较高、储运难度大。除了公共交通外，另外就是开发商用车，可以优先考虑。下面摘取两例中国能源报报导的氢燃料商用车应用示例：6月16日，大运重卡60台氢燃料重卡正式交付给保定智通新能源汽车有限公司，最高热效率可达54%以上；采用1680L大容积的8瓶组35Mpa车载储氢系统同时具备氢气浓度检测及防泄漏预警功能，整车技术水平国内领先。6月16日，中车戚墅堰公司首台氢燃料混合动力机车下线。功率1400kW，为国内最大功率的氢燃料混合动力机车。机车设计时速100公里，满载氢气可连续运行24小时，平直道最大牵引载重超过8000吨，全过程零排放、低噪音（相比传统机车降低20 分贝左右）。

这两个示例向我们展示了氢燃料汽车已进入商业化初期，但还是小规模试制和示范应用，需进一步成熟技术，尽快完善配套设施，推动迈向商业化应用阶段。

燃料电池固定式发电。包括分布式电站、家用热电联供系统、备用电源等3种应用方向。分布式电站具有模块化性能强、场景适应性能好、可扩展性能好等优势，可作为主电网补充，也可为偏远地区进行独立发电。燃料电池备用电源产品具有能源效率高、环境友好、响应迅速、运行稳定可靠、寿命长等优点，广泛使用在通信、电力、医疗及公共事业部门。

2.3可广泛应用于高耗能行业

氢气主要用于化工原料、合成氨、炼油油品精制、甲醇生产等。光伏制氢可广泛应用于高耗能行业，例如炼钢、冶金等对能源需求大的行业，降低碳排放，实现环保目标。

03

绿色氢能引爆资本市场

根据2019年《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》，预计2020年至2025年间，我国氢能产业产值将达到1万亿元，氢能源车数量达到5万辆，加氢站数量200座；2026至2035年产值达到5万亿元，加氢站数量1500座，实现燃料电池车1500万辆。预计到2050年氢能在中国能源体系中的占比约为10％，氢气需求量接近6000万吨，年经济产值超过10万亿元。

众多企业开始涉足氢能产业，其中央企的布局尤为显眼，对于产业发展具有巨大推动作用。作为“三桶油”之一的中石化于2019年7月在佛山建成国内首座油氢合建站；11月与法国液化空气签署合作备忘录，探讨加强氢能领域合作，共同推动氢能和燃料电池汽车整体解决方案在中国的推广和应用，并于11月在上海建立两座加氢站；2020年4月与广州黄埔区、开发区签订战略合作协议，共同推进氢能产业建设，预计系列项目营收将超过100亿元，之后采取了一系列动作加大氢能产业布局规划。另还有中石油、中化集团、国家能源集团、国家电投、中船重工、东方电气、中车集团、一汽集团都根据自己的业务领域在制氢、运氢、加氢、用氢环节进行深度布局。

民营企业也在加大行动。2021年3月31日，光伏巨头隆基绿能科技股份有限公司联手上海朱雀嬴私募投资基金合伙企业成立西安隆基氢能科技有限公司，注册资本为3亿元。隆基的氢能朋友圈有国华投资、申能股份、北京天润新能投资有限公司、宁夏佳洋、重工燃气、同济大学、明阳智能、中石化等，在光伏项目开发、氢能产业开发和应用等方面展开广泛、深度合作，进一步开拓新能源市场，推动多元化合作。另一家光伏巨头阳光电源也加入了氢能产业大军。2021年3月份，阳光电源发布了国内首款绿氢SEP50 PEM电解槽，还专门成立了氢能事业部，来开展可再生能源电解水制氢技术与系统设备的研发、制造、营销和服务工作，并在合肥建成了“光伏、储能、制氢、发电、电网多模式变功率制氢示范项目”。 大批能源企业、车企纷纷入局。

近期海外市场在氢能源领域也有相当多大动作的表现。德国与澳大利亚近日签署一份意向书，旨在建立“德澳氢协议”，以促进两国之间的绿色氢供应链。目前，东京都政府运营的燃料电池公交车共计70辆，在5个公交营业所投入运营。冰岛将绿色氢运送到荷兰鹿特丹。波兰石油Orlen将建立102座加氢站，发展垃圾制氢技术。Orlen集团将在波兰、捷克共和国和斯洛伐克建立建造6座新的可再生氢中心，形成每年5万吨的绿氢生产能力；并分别在三国建设54座、22座和26座加氢站，形成一个跨国可再生氢产业链，致力于从城市垃圾中生产低碳氢。现代汽车和本田也在氢燃料电池车上采取了一定的行动。

氢能资本市场一片火热，沾“氢”必涨，行业发展劲头十足，但真实情况怎样呢？

04

存在的问题及解决方案探讨

行业专家普遍认为，尽管行业前景可期，但现实发展难题却不容忽视。全国氢能标准化技术委员会主任马林聪直言“前景是光明的，道路是曲折的”。甚至有观点认为，氢能只是资本市场的题材。细加分析，现在的光伏制氢存在以下几方面主要问题，针对这些问题，我们也给出了相应的方案探讨：

4.1 全产业链环节成本高、效率低，发展瓶颈多

生产环节成本高、效率低。现在的光伏制氢是通过光伏发电再电解水制氢，也就是说氢能是电能制取的，光伏电解制氢的过程根据前面的图表能源效率只有一半、能量转化效率较低，成本增加十倍以上。从下表制氢成本核算中可看出，电费占电解水制氢成本的60%，虽然随着光伏发电成本的下降和利用小时数的增加，绿氢生产效率会大幅提高、成本会降低，但也面临一个问题，就是需要在光伏发电成本低、利用效率高的地方制氢，这样的地方聚焦于“三北”地区，面临的问题就是氢能的储存和运输和市场。

电解水制氢成本核算

储运环节技术待突破，成本高。目前氢气的主要运输手段有三种，高压气氢、低温液氢、管道输氢，都存在不同程度的问题，效率低、能耗大、造价高，关键设备靠进口等。在短期内都无法成为主要手段。

加氢站造价高，核心设备靠进口。加氢站成本中占比较大的主要是核心设备，国内暂时缺乏成熟量产的加氢站设备厂商，进口设备推高了加氢站建设成本。一个日加氢量500kg的35MPa加氢站的建设成本在1200万(不含土地)，其中设备成本约占百分之八十，而关键核心设备全靠进口。

整个储运、加氢过程都有别于其它能源的使用方式，所以整体基础设施都要重建，推高了用氢成本和推广难度。综合以上分析，对全产业链的氢气成本进行核算，可再生能源电解水制氢成本如下表所示：

不同运输距离条件下氢气成本汇总

由此可见，消费端的用户暂时是负担不起氢能的使用，只是简单的依靠补贴也无法解决问题，氢能的使用目前还只是示范，大规模推广尚需时日。

4.2 氢燃料电池的技术与效率问题

氢燃料技术专利主要集中在日本企业手中，我国没有优势。氢燃料电池的制造方面，如燃料电池堆、车载供氢系统的技术同国际先进水平存在较大差距，膜电极、质子交换膜、双极板、低铂催化剂、碳纸、空气压缩机、氢气循环泵、70MPa氢瓶等关键零部件仍主要依赖进口。氢气本身分子量小、密度低、容易泄露、氢脆（金属与氢气反应引起韧性下降，造成氢气逃逸）、氢浸蚀的特性，对储氢材料的要求极高，现有的几种储氢方式，有存在安全隐患（以体积浓度算，氢气爆炸极限是4.1%~74.2%）、有尚处于研发阶段，产业化应用都不成熟，氢气的储存有问题，同样运输也有问题，在储运安全性、储氢材料成本、储氢材料吸放氢性能方面都有待突破。氢燃料电池的效率比动力电池低40-60%，同等级车型续航里程基本相同的情况下，氢燃料电池车的动力性能不到电动车的50%，差距巨大。氢能本身是高效无污染的绿色能源，但从生产到燃料电池车的应用，却是得不偿失、效率极低。所以若我们只是关注某一个末端环节，发现它是极好的，但从整个产业链和生命周期来看，却是低效的，并且环境效益也不突出。

4.3 全生命周期的环境影响问题

通过对不同燃料路径氢燃料电池汽车全生命周期环境影响评价分析，与汽油内燃机汽车和锂离子电池电动车的对比，整体而言，前者的环境排放并不总优于后两者，这和具体制氢和输氢方式有关，锂离子电池电动车的排放普遍偏低，在可再生能源发电情景下，是所有路径中最为环保的选择。在2030年和2050年发电结构下，涵盖电解水技术的可再生能源发电制氢燃料路径的能耗和环境排放（如碳排放）仍然较高，甚至比内燃机汽车及混合电+锂离子电动车路径的排放都要高。

综上所述，光伏制氢、氢燃料汽车在现阶段并不是环保高效的能源利用方式，还有很多值得探讨商榷的地方。

一是在充分利用和消纳电能的基础上再发展氢能；探索光伏发电与电解制氢综合开发利用模型，改进光伏电池板的相关制造工艺，降低光伏制氢的能耗和二氧化碳排放量指标；发挥光伏制氢的潜力优势，探索氢能需求方面的应用，促进需求侧和供给侧均衡发展。

二是充分利用现有的电力设备设施发展电力电动车为主，加大对氢能储运材料技术的研究、加氢站技术设备的研究突破，实现高端设备国产化。

三是做好规划和布局，不盲目发展，在技术设备成熟之后，配套设施完善、经济上具有竞争力再推广氢燃料电池车。

参考文献：

1、王恒，氢能发展模式应用【J】，清洁能源，2021.05.021

2、黄元生，刘诗剑，中国新能源制氢潜力评价研究—基于31省份2017年和2030年的分析【J】，生态经济，2021.03

3、余亚东等，不同燃料路径氢燃料电池汽车全生命周期环境影响评价【J】，全球能源互联网，2021.05

4、Chen Z, Wang T, Chen Y, et al. Fuel Cell Hydrogen Storage Materials and Future Development Trends[J]. Automotive Digest (Chinese), 2021(6):1-6.

5、张轩等，氢能供应链成本分析及建议【J】，化工进展，2021-1062.