凯发k8国际娱乐官网-隆基氢能马军:中国电解槽发展之路
发布时间:2024-01-24

能源界网讯:1月11日,隆基氢能总裁马军接受了记者采访。马军客观分析了目前碱性电解槽技术成熟度,发展方向,发展空间。同时,阐述了隆基氢能电解槽产品如何迭代。以制造端视角,对绿氢行业未来所需创新和突破提出预设,并针对构建健康可持续的产业环境,提出建议和期望。

图为隆基氢能总裁马军

Q:马总您好,可否简要介绍下您的氢能从业经历?

A:我93年左右进入氢能行业工作,期间在苏州竞立担任过技术员,也分管过生产、销售、交付,直到公司总经理。2022年,作为总裁加入隆基氢能。

Q:93年到现在,整整30多年,相信您也见证了国内电解槽的发展历程,能分享下您再次过程中印象深刻的一些里程碑或者故事吗?

A:总体来说,我从业期间,最大的感受是中国氢能设备在全球范围内一直保持先进性和领先性,应用于火电、半导体、有色金属、玻璃等近高端工业领域,这其中主要原因是国内市场需求和应用促进设备研发,创造实践机会,再反推技术制造进步。

我认为过程中有5个关键节点。

90年代中期——中美技术合作

1995年左右,中方凭借全球范围内的大型化电解槽的研发制造优势,与美国Teledyne开展双边技术合作。彼时,Teledyne仅有42Nm³/h的碱性电解槽,而中国电解槽规格,在市场应用场景需求推动下,已达150Nm³/h, 甚至到96年,200Nm³/h的电解槽也已处于生产建造中。融合美方先进自动控制技术和理念,双方合作推出规格为130Nm³/h的大型电解槽产品HP130。此次合作的成功,不仅验证了中国大型电解槽获得全球市场认可,也使中国制氢设备自动化水平和研制理念更上一层楼。

00年代初——工业装备应用

2002年前后,四川新光硅业筹建使用中国第一条民用工业多晶硅生产线。最初设计方案拟采用来自海外的几十台约30Nm³/h电解槽和生产线技术工艺包。当时我给业主设计院建议,改用具有成熟碱性水电解技术的中国电解槽,因为其具备全面领先性和大型化和自动化多重优势,可从CAPEX和OPEX角度大幅降低总投资。最终,该项目采用了4台最大250Nm³/h的国产电解槽,以满足1000Nm³/h的总需求,使用效果很好,且大大节省了项目投资。

自此,中国多晶硅行业基本全部采用能耗低、安全可靠的国产电解槽设备。此后,国内几乎所有的重点工程都是采用了我国自主生产的水电解质氢设备。

这个过程中,光伏产业的成本随着经济性卓越的中国电解槽应用逐步降低。以往,我们一直强调绿电成本占绿氢制备成本7成左右,降低绿电LCOE可降低绿氢LCOH,其实,通过此案例,我们也看到制氢装备也反向降低了光伏的成本,2者可以说是相辅相成。

00年代中后期——氢能产业应用

00年代中后期,随着氢能在全球工业领域兴起并备受关注,其不仅作为工业装备,更作为清洁能源本身开始扩展其应用。2006年6月,中国第一座氢能车制氢加氢站在北京中关村建成,使用2台150Nm³/h碱性电解槽,并在2008年为北京奥运提供服务。这是我印象中最早电解槽用于氢能行业的典型案例。为今后再建加氢站,如世博会、大运会等项目,起到一个示范作用和指导作用,同时助推了氢能产业的兴起。

10年代中后期——离网绿电制绿氢

自2015年起,氢能产业从业者就坚定了为行业本身而奋斗的决心。氢能作为重要的二次能源被广泛认知,用绿电来生产绿氢的电解槽装备继续向大型化发展。直至今日,国产电解槽依然称雄世界,其规格也从250Nm³/h,扩展到500Nm³/h,2017年研制出现今依然占据主流地位的1000Nm³/h,而单台1000Nm³/h作为行业首创,也逐步成为全球半数以上氢能项目的标配产品主力主力机型,并保持了全球领先的经济性。

2018年,中国已经是世界范围内较早开始研究和布局离网绿电制绿氢技术和场景的国家,“绿电+绿氢”模式也初见雏形。我个人也有幸在此期间,作为碱槽制造企业总经理和课题项目负责人,参与了国家科技部重点研发计划,也体现了氢能已被列入国家战略层面规划。早在2009年,我参与到国家973计划,当时为非并网也就是离网制氢研究提供小型电解槽设备,获得初步科研成果。在此基础上,2018年这个课题项目归属于大规模风/光互补制氢关键技术研究及示范,主要通过离网运行验证适应大规模风光制氢场景,聚焦宽功率波动电解水制氢关键技术和设备研制。当时项目应用的是1200Nm³/h,电流密度≥4000A/㎡的碱槽。

随着中国碱性电解槽技术飞速发展和广泛应用,海外企业看重氢能市场巨大潜力,纷纷入局。2019年,欧洲约翰·考克利尔集团调研了全球几乎所有电解槽厂家,最终,在与欧美等国家的竞争下,中国企业凭借先进技术制造能力和卓越的经济性脱颖而出,考克利尔推出在中国的合资公司,同时,考克利尔也拥有了其历史上在中国的第一个制氢设备工厂。

以上所说,都是中国碱性电解水制氢设备,不断开拓,不断研发,从大型设备的研发到适合绿电绿氢的场景能力的发展过程,同时也是代表着中国碱性水电解制氢设备是在全球领先的,既有领先的基础,又能符合未来绿电绿氢场景。

20年代——安全可靠灵活

国产设备全球领先,除了上述技术基础,还有一个重要原因是其安全性、可靠性和灵活性。我们工业领域的客户从80年代90年前后,就开始大量的国产设备,那么为了适应尽可能多的利用谷电来降低成本。几乎所有的客户都把运行机制设定为谷电或平电启动,峰电停机,每日一到多次启停,周而复始。我们的电解槽可停机保温保压,实现开机快速启动调负荷,数分钟内启动到满负荷。电解槽研制设计之初,就已将此运行机制考虑在内,并据此决策材料选用和结构设计等关键环节,充分适配和满足场景灵活需求。

从过去的二三十年的运行状况来看,中国碱性电解槽完全能够适应这种一日频繁启停的运行状态。最初设定大修周期为10年,但是实际根据客户反馈,很多项目碱槽20年无大修,一直用这种状态运行,最长的一个27年无大修,即从1994年到2021年,这个项目最初是我本人去广州调试的,2021年因用氢工艺改变才停止运行,否则可能还可以继续使用。这样远远超越了行业对于我国碱槽安全可靠耐用程度的预期。

Q:感谢您的分享,听您丰富和精彩的讲述,我们感受到中国碱性制氢装备发展历程也是中国氢能从业者奋斗的历史,回顾30年国产设备的成果,这令人振奋和期冀。您作为专业资深的技术和行业专家,可否进一步地为我们阐释下,具体在哪些方面,比如技术,工艺,材料等,有怎样的演变,以及其背后的原因是什么,未来会有怎么样的发展趋势呢?

A:我认为中国碱性电解槽核心材料及技术发展历程大概经历3个阶段。

第一阶段:引进与优化

20世纪50年代至70年代,我国从苏联、日本等国引进了碱性电解槽技术,并进行了优化,主要用于化工、冶金等行业的工业制氢。这一阶段的碱性电解槽以石棉隔膜、镍网电极为主,单槽产氢量较小,能耗较高。

第二阶段:自主创新与突破

20世纪70年代至90年代,受冶金行业和电子行业的需求驱动,我国开始自主研发碱性电解槽技术,开发出中压电解槽,结合优化的垫片进一步提升电解槽安全性,同时碱性制氢行业在这个阶段开发并取得了一系列重要成果,如开发出聚苯硫醚(PPS)隔膜、镍基合金电极、双极板结构等,显著提高了碱性电解槽的产氢量、效率和稳定性。这一阶段的碱性电解槽以拉杆式圆柱形结构为主,单槽产氢量达到200 Nm³/h以上,直流电耗降低到4.8 kWh/Nm³以下。

第三阶段:规模化与产业化

21世纪初至今,我国在碱性电解槽技术上继续深入研究和创新,并加快了规模化生产和应用的步伐,主要用于可再生能源电解水制氢项目。这一阶段的由氯碱工业而来的新的方形叠片式结构碱性电解槽开始出现,传统结构的电解槽也被不断做大,单槽产氢量达到2000 Nm³/h以上,直流电耗降低到4.2 kWh/Nm³以下,设备设计寿命20年以上。

碱性电解槽技术的不断提升及其发展历程与隔膜技术的进步密切相关。从早期的石棉隔膜到PPS隔膜到现代的复合隔膜,碱性电解水隔膜经历了不断的改进与创新。石棉隔膜,以其稳定的性能和低成本在早期得到了广泛应用。随着生产技术的提高和对环境保护的日益重视,石棉隔膜溶胀严重以及对人体伤害较大的缺点逐渐暴露出来。我国在2016年左右开始大量使用PPS隔膜替代石棉隔膜,因PPS隔膜能够提供一定的物理支撑作用,同时PPS隔膜具有耐热性能优异、机械强度高、电性能优良的特点,成为碱性电解水制氢设备隔膜的主流选择。现如今结合了多种材料优点的复合隔膜逐渐在行业中兴起,进一步提高了隔膜的性能,复合隔膜不仅保持了PPS隔膜优良性能,还提高气体分离效率和机械性能、降低电阻。隔膜作为决定电解槽性能的最核心零部件之一,在绿氢项目中碱性电解槽使用复合隔膜,可有效实现降低能耗并保证运行安全。

碱性电解槽单位能耗的进一步降低与电极技术的进步密切相关。在碱性电解槽探索阶段,设备主要使用镍、铁等金属电极。此类电极具有较高的电导率和稳定性,但电流效率较低,产物纯度也不够高。随着技术进步,业界通过调节金属电极形状、尺寸、结构的方式对其进行优化。本阶段衍生出通过喷涂法制备的多孔电极,该方法最为经典,且沿用至今。现阶段,研究人员结合纳米技术、复合材料等手段进行电极开发,例如通过材料设计使各组分性能互补的复合电极、通过合金化提升材料固有活性的合金电极等。这些创新为制氢技术的发展注入了新的活力,推动了整个行业的进步和发展。

寿命方面,以隆基氢能为例,采用先进模块化设计、优化电解液流场,先进的电极材料和优良的隔膜材料及科学先进的装配工艺保证碱性电解槽安全运行25年以上。中国电解槽设计本质安全、运行安全可靠、材料性能优越,装配技术可靠。

另外,我前面也讲到,中国电解槽能充分适配可再生能源波动,采用最灵活和经济的运行策略。绿电制氢面临的最大难点是电力波动范围大、波动频率高且随机性强。如何实现能量的智能控制和调度,是绿电制氢项目的技术核心。隆基氢能电解制氢系统氢氧纯度、液位、压力、温度、流量等工艺参数均设置严格的报警、联锁值,有效防止安全事故的发生,实现一键启停,对风光可再生能源电力波动的瞬时响应速度可达2%/s。隆基氢能自主研发的EMS智慧能量管理系统,可以充分适应电力的波动性,动态调整分组响应的轮值策略仿真模拟,对比不同系统运行策略。最终得出基于稳定性、可靠性、经济性、连续性,同时充分考虑能效和寿命情况的解决方案。通过源测监测、优化调度、负荷调节达到能源系统的高效利用,对大部分应用场景下出于整体经济性最优原则的最佳运行范围,构建安全可靠、平稳运行的能量调度控制系统。

目前,我国已经掌握了碱性电解槽的核心技术,并有多家企业实现了产业化,在国内外市场上占有较大的份额,本质安全可靠,运行安全可靠、技术领先。随着市场需求的增加和技术的进步,碱性电解槽正处于快速发展的阶段。不断改进和创新的技术将推动碱性电解槽的性能和效率提升,为清洁能源和化工工业带来更多的机会和应用。通过加强产学研合作,我们有理由相信我国的碱性电解槽在未来会发挥更重要的作用,为可持续发展做出更大的贡献。

Q:您的回答非常详实。大家都知道隆基是光伏龙头企业,近年来,也一直致力于“绿电+绿氢”的解决方案,那就隆基本身而言,电解槽设备是如何更新迭代的呢?

A:目前,隆基氢能产品包含中石化应用的Lyh-1000, 以及本年度新发LonGi ALK Hi1系列和G系列,和“绿电+绿氢”系统解决方案。

相较于Lyh-1000, Hi1系列产品的主要优势在于电流密度提升,能耗降低。在电流密度与原产品同样的情况下,Hi1 1000 能耗≤4.3 KWh/Nm³,Hi1 Plus 1000 能耗≤4.1 KWh/Nm³,主要通过运用高效的隔膜材料、电极材料降低过电势,以及优化碱液流道和小室内部流场来降小室内阻,共同提升产品性能。从OPEX方向降低制氢成本,制氢直流电耗每降低0.1kWh/Nm³,根据系统利用小时数的不同,可以使制氢LCOH降低1.8%-2.2%,相当于降低了制氢设备初始投资的10%到25%。

到LonGi ALK G系列产品,为适配用氢需求大的化工、冶金、炼化等工业领域,隆基氢能产品实现单槽产量新高。提高单体产氢量、电解槽大型化也可以降低厂房初始投资,目前市场上从Hi1的主流电解槽1000Nm³/h规格,逐步向2000-3000Nm³/h发展,LonGi ALK G可以满足各规格需求,ALK G系列产品标准化、集约化、模块化,产氢量1200Nm³/h、1500Nm³/h、2000Nm³/h、3000Nm³/h,更大单体产氢量可节约项目占地面积30%以上,从CAPEX角度降本20%,牢牢占据国内大型电解槽技术的制高点。

“绿电+绿氢”系统解决方案,基于电解槽制氢设备,可以将新能源、电力电子、储能、化工、自动控制等多个专业进行系统集成,提供包括安全可靠、低LCOH的绿电绿氢项目设计、全生命周期经济性测算、系统稳态/暂态仿真验证、高效可靠的全链条产品供应等全生命周期服务,尤其针对性充分适配可再生能源波动性。

Q:刚才我们回顾了历史,迄今为止,以隆基氢能为代表的绿氢制备设备企业,已经取得了显著的成果,也有大量项目应用案例,我们看到市场需求和应用也在逐步增长,前景一片向好。但是,事物发展有其客观规律,有创新才会有进步,隆基一直坚持“稳健可靠,科技引领”,那您认为目前制氢行业需要哪些创新和突破?

A:目前,我们认为绿氢制备的行业痛点主要存在于降低LCOH和电解槽系统大型化、规模化、标准化。

类别光伏LCOE(单位发电成本),LCOH单位制氢成本由运营成本OPEX和初始投资成本CAPEX构成,低电耗产品解决OPEX的问题,而单槽大型化,可以有效降低CAPEX。同时,产品获得多项国际权威认证,如TUV, DERKE, DNV, 按照GB 32311-2015达到制氢系统一级能效。

随着大型绿氢项目在国内的成功示范运营,碱性电解水制氢技术完成了商业化进程,产业链发展日益成熟,全球市场对大电解槽的需求十分明确,大型化可直接减少制氢装备和土建工程成本,大大降低初始投资;规模化可平摊成本标准化;标准化可以使资源配置更有序,效率更高。

如您所说,全球我们都有运营或战略合作的成功案例。举几个例子,2022年5月,隆基氢能成功中标全球首个万吨级绿氢示范项目。2023年4月,隆基氢能以第一名的优异成绩成功中标全球最大的绿色合成氨项目,市场份额近4成。2023年6月,隆基氢能与兴国铸业签署战略合作协议,共同建设“30万m³/d可再生能源电解水制氢——450m³高炉富氢冶炼”工业化应用示范项目。同时,在印度、澳洲、欧洲、美洲等区域都有项目开展或战略合作。我们相信未来随着产业互联,资源共享,坚持科技创新和突破,隆基可以继续为绿氢行业,为可持续绿色能源转型贡献力量。

Q:非常感谢您以上的回答和分享。最后一个问题,对于构建健康可持续的产业环境,您有哪些建议和希望呢?

A:我们建议和呼吁从以下几方面着手:

① 政府政策支持标准规划发布

全产业链各环节,从用能端、制造端、政府、产业研究、协会、金融等机构推动政府政策支持标准规划发布,提高绿氢在工业脱碳中应用和价值。

② 支持示范项目落地

隆基将积极参与各工业领域项目,助力推动国家级大型绿氢“领跑者”示范基地,推广先进产品技术,打通产业链实现“制储输用”一体化。

③ 去贸易壁垒的全球化合作

中国碱性电解槽发展基础好,过去40年的应用案例遥遥领先,近10年的技术创新成果斐然。用中国的碱性电解槽制备绿氢成本更低、收益更高、也能有力支持全球绿氢成本的不断下降。目前中国电解槽出海也面临问题:海外客户担心使用中国电解槽更难获取政府补贴;欧美相对缺乏使用中国碱性电解槽的案例,对产品性能不了解;认证标准存在差异。我们呼吁全球行业伙伴资源共享,优势互补,紧密协作,避免走入片面和短视的发展误区,而阻碍了行业长期的良性发展。

④ 健康网路环境

近期,国内外一些媒体,对中国碱性电解槽技术和运营情况提出质疑。但是,目前来看,这些质疑存在不客观、片面、不专业的现象。一直以来,我们秉承“以客户为中心”的理念,积极听取市场反馈和各方声音,但是,对于一些不客观的信息舆论,我们深感遗憾,也坚定了用实践和科技创新。不严谨的信息传播,可能对新兴产业造成误导,对市场造成干扰,更甚者,阻碍产业发展和国际合作。在此,我们呼吁全球氢能投资者宜理性看待,同时面向“绿电+绿氢”可再生能源应用模式,创新刚刚开始,不必因啧废食,请适当给予行业试错和探索机会,营造积极健康的网络环境。