大規模な支援と補助金があれば、水素エネルギーの商用時間は予想より早くなると信じている。
3月23日、国家エネルギー局、国家発展改革委員会は共同で「水素エネルギー産業発展中長期計画(20212035年)」を印刷・配布した。本文では、水素エネルギーは未来の国家エネルギー体系の重要な構成部分であり、水素エネルギーのクリーン低炭素の特徴を十分に発揮し、グリーン低炭素の転換を実現し、水素エネルギー産業を戦略新興産業と未来の重点産業とすることを明確に提出した。
また、「計画」は水素エネルギー産業の発展の各段階の目標を提出した:2025年までに、核心技術と製造技術を基本的に掌握し、燃料電池車両の保有量は約5万台で、水素化ステーションを配置建設し、再生可能エネルギーの水素化量は10-20万トン/年に達し、二酸化炭素の排出削減を100200万トン/年実現した。
2030年までに、比較的完備した水素エネルギー産業技術革新システム、クリーンエネルギー製水素及び供給システムを形成し、炭素のピーク達成目標の実現を力強く支持する。2035年までに、水素エネルギーの多元応用生態を形成し、再生可能エネルギーの水素製造の終端エネルギー消費における割合は明らかに向上した。
この良いニュースに刺激されて、水素エネルギー概念株は2級市場で上昇と停止の潮を巻き起こした。
産業について詳しい友人たちは、2016年に水素エネルギー産業が国家エネルギー戦略に組み込まれて以来、中国の水素エネルギー産業は急速に発展し、産業チェーンの各段階で初めて雛形を備え、0-1からの過程を完成し、1-Nからの道を歩んでいることを知っているはずだ。
中国水素エネルギー連盟の予想によると、2020年から2025年にかけて、中国の水素エネルギー産業の生産額は1兆元に達し、2026年から2035年にかけての生産額は5兆元に達する。水素エネルギーの未来の見通しは星の海だと言える。
もちろん、現段階の産業チェーンの各技術段階には依然として多くの攻略技術が存在している。例えば、液体水素貯蔵輸送、IV型水素貯蔵ボトル、大型水素添加ステーション、電気スタックコストなどである。
これらの問題に加えて、水素エネルギー産業の推進が解決されなければ話にならない問題がある。
この一環は水素エネルギー産業のプロセスを推進する上で直面している第一の扉である水素製造である。
01
深さ脱胎緑色水素
水素エネルギーの知識が徐々に普及するにつれて、人々は水素エネルギーの燃焼効率と炭素のない利点に対して普遍的に受け入れられ、水素エネルギーの産業チェーンに対しても理解している。
確かに、エネルギー効率で見ると、水素ガスの熱値は約140 MJ/kgで、石炭やガソリンなどの伝統燃料の3倍以上に達している。
貯蔵量から見ると、水素は宇宙で最も含有量の多い元素であり、宇宙の品質の約75%を占めており、地球上の豊富な水資源には開発可能な水素エネルギーが大量に含まれており、将来は最も便利でコストが最も低いエネルギーの一つである。
これに対して、リチウム電池の金属材料コスト、例えばリチウムとコバルトは電池全体のコストに大きな割合を占め、相対的に希少で、価格が高い。
電池の生産過程で大量のリチウム、コバルト、ニッケルなどの金属材料を使用しなければならない。その生産過程で、金属材料の採掘、生産加工はいずれも大量のエネルギー消費と炭素排出を発生し、製錬、化学工業産業に属する。
水素ガスが直接燃焼したり、燃料電池で発電したりした生成物が水であり、真のゼロ炭素排出を実現することができ、環境に汚染をもたらさない。そのため水素エネルギーは究極のエネルギーと呼ばれている。
産業チェーンの上から下への順序によって、水素エネルギー産業チェーンは3つのセグメントに分けることができ、上流は水素生産と供給である。中流は、燃料電池とコア部品であり、その下流は燃料電池応用である。
現段階の比較的成熟した水素製造の技術路線は3種類ある:1つは石炭、天然ガスに代表される化石エネルギーの再整備水素、通称青水素である。第二に、コークス炉ガス、塩素塩基排ガス、プロパン脱水素に代表される工業副産気製水素、通称灰水素である。三つ目は電解水で水素を作り、通称緑水素と呼ばれている。
化石エネルギーの水素製造は中国の現在主流の水素製造方式であり、再生可能エネルギーに基づく電解水の水素製造案の炭素排出は最も低い。
前者と後者の水素生産技術は従来のエネルギー消費から抜け出すことができないが、炭素捕捉と封止技術(CCS)によって化石エネルギーの水素製造過程で発生した炭素排出を効果的に低減することができる。しかし、長期的に見ると、再生可能エネルギーの電解水で作られた「緑水素」だけが真のゼロ炭素排出を実現することができる。
中国は世界最大の水素製造国で、年間水素生産量は約3300万トンで、そのうち、工業水素ガスの品質基準に達することができるのは約1200万トンである。再生可能エネルギーの搭載量は世界一で、クリーンで低炭素の水素エネルギー供給に大きな潜在力を持っている。
将来、電解水を通じて豊かな再生可能エネルギーを緑水素に転化し、建築、交通、工業などの高排出部門にクリーンで環境にやさしい緑色原料と燃料を供給し、化石エネルギーの使用を減らし、炭素排出を効果的に減らすことができる。
そのため、未来の緑水素の大規模な生産こそ、水素エネルギー産業が深い脱炭を実現する最も重要な任務である。
しかし、実際の進行路は阻害され、長い。IRENAの試算によると、世界の水素ガスの4%だけが電解水から水素を製造し、残りは石炭、天然ガス、石油精製分野から来ている。
大規模に普及しなかった原因はコストであり、電解水による水素製造のコストは化石エネルギーのコストよりはるかに高い。
しかし、太陽光発電、風力発電のさらなる削減に伴い、2030年までに中国の一部の再生可能資源の優位地域では、その度電コストは0.1-0.15元/KWhに達し、緑水素コストは14元/KG前後に徐々に低下し、灰水素との平価を実現した。
深い脱炭特性を備えた緑水素は間違いなくより良い選択であり、大規模な商用の開拓が続いている。
02
PEM電解水技術
電解水による水素化の基本原理は、水分子が直流電気で解離して酸素と水素を生成し、電解槽の陽極と陰極からそれぞれ析出することであり、具体的にはアルカリ水電解、プロトン交換膜水電解(PEM)、アニオン交換膜水電解(AEM)、固体酸化物水電解(SOE)の4つの技術ルートに分けられる。
現在,アルカリ水電解はPEMと比較して産業化の程度が高い。
アルカリ電解水技術は最も成熟しており、水素酸化カリウム水溶液を電解質として採用し、アスベストをセパレータとし、水を分離して水素と酸素を生成する。
アルカリ性条件であるため、非貴金属電気触媒を用いることができるため、電解槽の造価コストが低い。しかしながら、急速な始動や変荷が困難であり、水素化速度を迅速に調節できないため、再生可能エネルギーとの適合性が劣る。
技術の角度から見ると、PEM電解水技術は独特な優位性を持っており、多くの新築プロジェクトがPEM電解技術の選択に転換し始め、近年多くの市場シェアを獲得し始めた。
アルカリ電解水技術に比べて、PEM電解は純水電解を採用し、汚染がなく、腐食がない。次に,プロトン交換膜はより高いプロトン伝導性を有し,電解槽作動電流を大幅に向上させ,電解効率を向上させることができる。
同時にPEM電解水技術はより広い負荷範囲とより短い応答起動時間を提供することができ、水力発電、風力発電、太陽光発電(発電の変動性とランダム性が大きい)と良好な整合性を持ち、未来のエネルギー構造の発展に最も適している。
近年、PEM電解水技術の推進は徐々に加速している。
2015年、シモンズとリンドガスはドイツのマインツエネルギー園区に当時世界最大のPEM電解工場を建設し、定格組立電力は6 MWに達し、その後、PEM電解プロジェクトの数と組立規模も絶えず向上している。2020年、法液空はカナダのベカンクールの20メガワットPEM電解水プロジェクトの建設を完了した。
中国側では、中国科学院大連化学物理研究所、中船重工グループ718研究所などがPEM純水製水素設備の研究と製造を行っている。
中国石化、三一、隆基と Sungrow Power Supply Co.Ltd(300274) などの中国の新進者はPEM水電解による水素製造にさらに注目している。
2021年3月4日、 Shanghai Electric Group Company Limited(601727) 発電所グループは中国科学院大連化学物理研究所と正式に「メガワット級モジュール化高効率PEM電解水製水素設備及びシステム開発プロジェクト協力協定」を締結した。
2021年3月18日、 Sungrow Power Supply Co.Ltd(300274) 重量ポンドで「SEP 50」PEM電解槽が発表された。この製品の単槽パワー250 kWは、中国で現在単槽パワーが最大のPEM電解槽であり、中国初の量産50標準PEM電解槽でもある。
康明斯落札 China Petroleum & Chemical Corporation(600028) 初の2.5 MWPEMプロジェクト。
2022年1月15日、 Jiangsu Lopal Tech.Co.Ltd(603906) Jiangsu Lopal Tech.Co.Ltd(603906) .SH)完全子会社龍蟠水素エネルギー会社は中国科学院大連化学物理研究所と共同でPEM電解水製水素触媒の研究開発プロジェクトをスタートさせた。
中国のPEM電解プロジェクトは規模が小さく、現在中国で応用されている設備の多くは小型電解槽であることがわかる。PEM電解水素の普及を制約する要因はいったい何なのか。本遡及では,PEM電解槽の構造に戻る必要がある。
03
PEM水電解水素化普及に影響するボトルネック
PEM水力発電分解槽の主要部品は,内から外へ順にプロトン交換膜,陰陽極触媒層,陰陽極ガス拡散層,陰陽極極板などである。
ここで、拡散層、触媒層とプロトン交換膜は膜電極を構成し、水力発電分解槽全体の物質輸送及び電気化学反応の主な場所であり、膜電極特性と構造はPEM水力発電分解槽の性能と寿命に直接影響する。
資料源:『PEM:最も潜在力のある電解水水素製造技術』
投資コストの面では、過去5年間の電解槽コストは40%減少したが、現在のPEM電解コストの投入はアルカリ電解水の少なくとも2倍である。投資と運行コストは依然としてPEM水電解による水素製造の急がれる主な問題である。
電解槽は電解水製水素システムの核心部分である。コスト構成から見ると、水素製造システムの総コストにおける電解槽の割合は約40%〜50%である。
プロトン交換膜は電解槽の核心部分であり、プロトンを伝導し、水素と酸素を隔離するだけでなく、触媒に支持を提供し、その性能の良し悪しは水力発電槽の性能と使用寿命を直接決定するため、設備全体において極めて重要である。
アルカリ水電解製水素とは異なり、PEM水電解製水素は良好な化学安定性、プロトン伝導性、ガス分離性を有するパーフルオロスルホン酸プロトン交換膜を固体電解質としてアスベスト膜の代わりに選択し、電子伝達を効果的に阻止し、電解槽の安全性を高めることができる。
プロトン交換膜の調製は長期にわたってデュポン、ゴアなどの米国と日本の少数のメーカーに独占されており、現在は主にデュポンのnafion-711と511シリーズを使用している。このシリーズは主にパーフルオロスルホン酸樹脂を用いて製造され、膜厚は通常の燃料電池交換膜の10-15倍であるため、全体的なコストが非常に高い。
現在、中国の東岳、科潤などの企業は積極的に配置しており、東岳の150万平方メートルのプロトン交換膜生産ラインの第1期工事はすでに生産を開始し、科潤の100万平方メートルのプロトン交換膜プロジェクトもすでに着工している。中国の技術の絶え間ない突破に伴い、国産プロトン交換膜の輸入代替を実現する空間は巨大である。
貴金属触媒としては，PEM膜電極の陽極と陰極に主に白金とイリジウムの2種類の貴金属触媒を用いた。
しかし、上流資源の分布から見ると、この2つの貴金属は中国での貯蔵量が非常に少なく、主に南アフリカ、ロシア、南米などに分布しており、PEM製水素が大規模に使用されると、中国産業は原材料が外国の輸入に極度に依存するサプライチェーンのリスクに直面する。
同時に、中国のこの2種類の触媒の製造技術と生産能力のレベルはまだJohnsonMattheyなどの外資ブランドに匹敵することができず、中国のPEM設備企業が白金とセシウム触媒を輸入する需要は依然として明らかである。
拡散層材料の面では、現在、業界内では主に焼結フェルト、チタンフェルト、カーボンフェルトなどの材料ルートを使用しており、その中で陽極はチタンフェルトで最も効果が高く、陰極は主にカーボンフェルトを使用しており、材料と自社の技術の最適な協力を実現するために、拡散層充填材料は基本的にカスタマイズが必要であり、これも各技術レベルを体現する核心的な一環である。
現在、多くの中国企業が類似の製品をサンプルテストしているが、全体の効果は海外の同業者とはまだ大きな差がある。
拡散層陽極充填材のほか、双極板、端板などの部品はチタン合金材料を用いて水素脆化現象の発生を防止し、設備全体の安全性を高めている。チタン合金は加工が難しく、国産企業の加工精度レベルにも非常に高い要求がある。
全体的に言えば、PEM製水素は中国で発展が盛んで、多くの技術の一環を攻略する必要があり、大規模な商業化を実現するには、道が阻まれ、長い。
しかし、将来のエネルギー版図では、水素エネルギーは間違いなく重要なパズルであり、国の積極的な推進と資本介入の下で、国産化の代替を実現する見通しは楽観的である。
04
結語
炭素中和の背景の下で、新エネルギーが伝統エネルギーに代わるのは歴史発展の必然的な趨勢である。
エネルギーは一つの国にとっての重要性は言うまでもない。国と国の競争は伝統エネルギーの争いから新エネルギー建設の競争に徐々に移行した。
各国政府は水素エネルギー技術の研究開発と産業配置を大いに支持し、密集した支援政策の公布を通じて先人の一歩を勝ち取っている。
政府の大規模な支援と補助金があれば、水素エネルギーの商用時間は予想より早くなると信じている。
現段階では、まず水素エネルギー産業の第一の扉を開くことが重要であり、それはPEM電解水技術の国産化代替である。
