万亿产业困在一张膜里出不来了

本文转载自:虎嗅APP(ID:huxiu_com)

作者|包校千

万亿产业困在一张膜里出不来了


作者|包校千
题图|视觉中国

“成了!终于成了!”

在实验室“闭关”八个月之后,易建华难掩心中激动流下了泪。

那段时间,他每天都在和配方打交道,在各种方案之间周旋。他一门心思解决的,是困扰氢能上游的“卡脖子”难题,即第三代制氢隔膜的研制。

2008年大学毕业之后,易建华一直和重金属提纯回收打交道,靠着在深圳做氯化铜回收(PCB)的生意,过着小富即安的日子。直到2018年下半年,一位从业多年的电解槽老师傅登门,打破了他原本平静已久的生活,为之后创业埋下了伏笔。

在中国,氢能未曾享受过风光电那般的优待,因长期被当作危险化学品而排挤在主流能源之外。这也是为什么,即便被予以厚望,氢能却始终走不出襁褓期。在创投圈,相当一部分人“谈氢色变”,甚至曾有大牌资方立场鲜明地表示“绝不投氢”。

不过,眼下令业界最为瞩目的中国石化新疆库车绿氢示范项目,即将于6月30日正式投产。作为国内首个万吨级光伏绿氢示范项目,这座耗时一年半、年产两万吨的巨型工程,或翻开中国氢能发展史的全新篇章。

2019年,氢能被首次写进政府工作报告不久,易建华抱着“试试,不行再说”的想法,谨慎地踏入这个并不熟悉的新领域。就连给公司命名“刻沃刻”,都是自己拍脑袋想的。

令人惊喜但不意外的是,隐忍多年的氢能产业,终于在2020年12月被升格为国家战略。在中国“双碳”的宏大叙事之下,一系列的重磅政策为氢能产业保驾护航,各地政府遂加大力度推动项目落地。

国际氢能委员会发布的报告显示,预计到2030年,全球氢能领域投资总额将达到5000亿美元。世界能源理事会预计,到2050年氢能在全球终端能源消费量中的占比可高达25%。

在中国,《中国氢能产业发展报告2020》预计,到2050年,氢能在交通运输、储能、工业、建筑等领域广泛使用,氢能产业链产值扩大,产业产值将超过10万亿元,全国将进入氢能社会。

对于产业投资者来说,政策红利就像甜枣和蜜糖,为“钱往何处去”指明方向。产业链也因此做了一次X光扫视。核心部件和技术的空白,倒逼行业亟待开启一场新技术革命。

集结号已经在上游制氢领域吹响。易建华怎么也想不到,自己的这家“小公司”竟然成了氢能破局的关键材料商。

绿氢困在隔膜里

碱性溶液电解水技术(AWE)是历史最悠久、最成熟的制氢工艺,源自于200年前的氯碱工业。当时,人们发现可以通过电解食盐水来制取氯气和烧碱,阴极的生成物则是氢氧化钠和氢气。

氢气制取的全过程在一个密闭的圆柱形大铁槽里完成。现如今,有人想把电解槽越做越大,也有团队对结构进行了重新设计,比如方形或者模块化的电解槽。可无论如何,这些设备仍然离不开直流电源、电解槽箱体、阴极、阳极、电解液和隔膜这些关键构件。

自20世纪60年代,荷兰的发明家用“隔膜法”替代含有剧毒的“水银法”以来,隔膜便作为电解槽的核心零部件,衍传至今。

60多年过去,全球范围内的优质碱性隔膜,被欧洲材料科技巨头爱克发(Agfa)垄断。该公司生产的复合隔膜,凭借耐用性和持续的高生产率,受到了电解槽制造商和制氢项目所有者的青睐,牢牢占据了国外碱性隔膜95%以上的市场份额。

弗劳恩霍夫研究所的一份报告指出,使用爱克发的ZIRFON H2复合隔膜,使AWE成为了有效的氢气生产技术。

然而动辄上千至几千一平方米单价的进口爱克发隔膜,且不说价格有多贵,“产能和订单几乎全部被海外市场包圆了,”一位上游从业者告诉虎嗅,由于制氢过去在中国属于小众生意,爱克发没有在国内建立销售渠道,因此在亟待爆发的绿氢产业和传统制氢领域之间,当巨大的技术真空还没有被突破时,“一膜难求”的局面,困扰着产业链上的所有玩家。

用易建华的话概括:今天,绿氢困在电解槽里,电解槽又困在了隔膜里。

传统的制氢工艺,一直把石棉纤维作为碱性水电解隔膜的主要原料。其主要成分是水合硅酸镁,优点是亲水性能极佳,还能够抑止氢氧根离子的反向扩散,非常好地满足碱性水电解隔膜的性能要求。

我国天然石棉矿储量丰富,开采难度简单,加工成本少,完全具备自主生产、自主供应的能力。但石棉的硬伤也很明显,其在高电流负荷下,会在碱性电解液中严重溶胀。这时,隔膜的力学强度就会下降,使用寿命会缩短,电流效率也明显衰退。

而让石棉隔膜退出市场的真正原因,则是石棉本身为一级致癌物的缘故。截至2019年,包括中国在内的66个国家已全面禁止使用石棉以及相关的产品。取而代之的,是一种以聚苯硫醚(PPS)织物为基底的特种工程塑料。

PPS的优势在于机械强度高、电性能优良,弊端则是亲水性太弱,将其作为隔膜会导致电解槽内阻过大、降低制氢效率。“但能够承受碱性浓度并且耐高温的材料本身就不多,所以只剩下这一种选择。”易建华如是说。

阳光氢能董事长彭超才告诉虎嗅,隔膜在国内能选择的余地不大,因为电解槽厂商并不掌握隔膜的工艺,基本上都是首选日本东丽的PPS膜,目前的价格在每平米400元左右。

2018年,PPS膜在没有得到技术验证的情况下匆忙上马,被行业诟病是“赶鸭子上架”。

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碱性制氢电解槽构造和制氢隔膜特性差异

有投资人对虎嗅表示,2022年氢能需求集中爆发,很多非专业团队涌入了这个赛道,但因为使用的电解槽和隔膜材料不合格,制出的氢纯度不够,导致了不少“炸槽”事件发生。

通微新能源创始人邵欣坦言,国产PPS膜和进口隔膜的质量相差较大,很难让电解槽能在正常工况下运行,“一些厂商为了图便宜,买到了产品质量不过关,造成了比较多的行业乱象。”

氢气在氧气中的爆炸极限是4.1%-74.2%,由于水电解产生的氢氧分子不对等,在动态条件下,隔膜两边会因产气出现压力失衡的现象,很容易让分子量小、运动速度特别快的氢分子,穿透隔膜与氧气混合,极其危险。

因此,为了把氧中氢值控制在4%以下,国内部分隔膜制造商的思路是研发像爱克发那样的,具有优异气体阻隔性的复合隔膜,在物理上解决氢气渗漏问题,从而给予电解槽适应风电、光伏这类波动性能源的能力。

在性能方面,复合隔膜是由聚合物树脂、复合金属无机物等组成的多孔膜,特点是表面致密、内部多孔、隔气性强,具有永久亲水性和较强的吸碱能力,PPS很难与之竞争。因此,像东丽这样的全球最大的PPS生产商,也已经开始转攻复合隔膜。国内各主要制氢龙头均有意尝试采用复合隔膜,替代趋势已非常明朗。

眼下,像易建华这样的创业者正在努力填补复合隔膜的技术和市场空白。“但国内研制复合隔膜的企业掐指一算也不超过五家,严重依赖进口PPS的局面没有得到根本改观。”而他了解到的情况是,不少投资人也在挖掘这样的项目。

十年百倍增长的生意

在新疆库车经济技术开发区,全球最大光伏制氢项目的全套设施已进入试生产阶段,距离正式投产仅剩下最后一个月。

故事的主角——中石化已经放下豪言,誓要成为中国第一大氢能公司。外界无数双眼睛也紧盯这里,它的成败将关乎中国氢能产业发展的前途和希望。

虎嗅从多位业内人士了解到,库车示范项目曾在去年底发生过“炸槽”事故,原因之一就是国产复合隔膜耐不住高温和浓碱,导致涂层开裂脱落,隔离作用失效,槽内气体达到了爆炸极限。

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2022年12月12日,新疆库车绿氢示范项目施工现场,一名工人正在化学水站内安装管道阀阻

某供应商曾拿到过该隔膜制造商的样品,经过测试的确检测出了这一问题。对此,虎嗅向中石化方面进一步了解情况,对方表示目前没有更多信息能够透露。这一直是目前国产复合隔膜的“硬伤”。

“涂层开裂脱落,说到底就是产品质量有问题。”对于刻沃刻而言,这同样是他们研发过程中需要去解决的关键问题。为此,易建华在实验室“闭关”的八个月里,一遍遍地调整配方和工艺,用这样的“笨方法”试出了最优解决方案,“一度搞得自己快要抑郁了”。

其实在创业之前,易建华特地咨询过一位来自德国的技术专家,得知制氢安全是很大问题之后,被对方果断“劝退”。当时,一位电解槽老师傅想说服他“下场”做隔膜,但提议直接被他婉拒了,在当时研发这款隔膜考虑到周期长、投入大、市场小。

半年后,老师傅再次上门动员。易建华凭借多年隔膜市场经验以及怀着填补国内隔膜领域技术空白的愿景,未来也能给自己带来经济收入的同时,接受了老师傅的提议,开启了研发复合隔膜之路。

2022年,中国电解槽出货量在800MW左右,绝大部分都是碱性制氢。险峰(K2VC)投资团队算过一笔账,一台1000标方的电解槽要用大约1200平米的隔膜,以“5MW=1台1000标方=800吨/年”的产能计算,现阶段国内复合隔膜的市场规模约在1.6亿左右。

按照第三方研究与咨询机构势银的预测,2030年中国电解槽装机量可以达到100GW,以此测算,届时国内复合隔膜市场规模在200亿以上,相当于10年会有百倍的增长。

或许是预见了碱性电解水制氢市场在中国即将爆发,多位行业人士告诉虎嗅,爱克发正计划通过代理渠道进入中国市场,已经和隆基氢能等电解槽厂家洽谈合作。

即便如此,从市场竞争的格局来看,国产复合隔膜相比于爱克发,优势在于价格。“在中国市场任何行业的技术空白,只要没有国产化的东西,从国外进口都会以十倍甚至百倍的价格引进到用户手中。”身处时代的岔路口,易建华相信国产复合隔膜的品质一定能追上国际水平。

因此险峰投资人骆潇濛认为,“复合隔膜的国产替代”是一个属于中国科技公司的大好机会,首先它的需求是非常确定的,只要能做出来就能卖得掉,此外壁垒足够高,可以在一个较长的时间内享受到技术红利带来的高溢价。

2023年2月,险峰投资了刻沃刻,易建华拿到了千万级的天使轮融资。

不仅如此,一些创业团队也开始进行复合隔膜的研发和生产。毕业于澳大利亚科廷大学的邵欣,就是其中之一。

他接触氢能领域是从读博士开始,博士课题就是围绕多孔陶瓷膜。其自主研发的微通道陶瓷膜成型技术,曾荣获科廷大学科技发明一等奖和西澳大利亚科技发明一等奖,后来的工作就是在不同领域探索这项技术的商业化应用前景。

靠这项平台技术,2020年邵欣回国和另外两位博士伙伴在一个小车库里创业,研发出了固体氧化物燃料电池(SOFC),并且看到上游制氢的部件材料和技术没有突破后,迭代出了制氢复合隔膜。

他告诉虎嗅,微通道陶瓷膜成型技术最大的优势在于,能够摆脱传统工艺对隔膜厚度的限制,相对容易地把隔膜做得更薄,“同行的产品一般只能做到500微米,我们常规款的厚度就压缩到了240微米,在实验室最薄的隔膜已经可以做到150微米。”

隔膜越薄,意味着离子传输的距离越短,电阻也越小,是提高性能的关键指标。同时,很大程度上节省了原材料的使用,进一步降低了隔膜生产成本。

根据第三方数据机构BloombergNEF 数据显示,如果复合隔膜可将能量效率提高 4%,且未来国产隔膜的成本降至欧洲30%左右的水平,就可以有效降低成本,延续国产设备的价格优势。

“对于隔膜制造企业来说,只有把产品做好之后,才能在市场上正儿八经地走量。”易建华表示,经过3年多的研发,刻沃刻制备出的碱性复合隔膜,已用于中等规模的碱性电解水制氢电解槽,客户包括高校、大型石化机构和上市公司。但他也坦言,目前隔膜的性能和艾克发仍有一定差距,他们还在努力追赶的过程中。

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刻沃刻K300和K500量产型复合隔膜

此外,未来国内市场虽然对复合隔膜的需求会起量,但摆在国产隔膜厂商的另一大挑战则是自建产线。复合隔膜生产线与常规的涂布隔膜生产线有很多不同,这对于当下复合隔膜研发厂商是一个很大的挑战,原因是这个复合隔膜的浆料体系及成型方式的控制困难度很大,市面上现有的涂布机包括输送系统都无法使用。

最终,易建华在国内找遍了自己能找到的所有供应商,只能靠自己的双手来设计制备图纸,“这就需要时间去匹配、不断做调整。毕竟爱克发干了十几年了至今还在不断地调整,我们才两三年,未来的路还很长。”

截至目前,国产复合隔膜只有不到5家企业在研制。谁能够把复合隔膜生产出来,谁就能率先打开百亿电解槽市场。

老师傅们的经验和新技术脱节

今年1月,壳牌在其发布的《中国能源体系2060碳中和报告》指出,中国在未来20年内,都将致力于绿氢的商业化。其根本动力,主要来自风光电利用成本的不断下降,为化工业和交通领域创造持续脱碳的经济条件,以及下游市场对氢能使用需求的日益增长。

想要让氢能在中国形成气候,并在未来的能源体系中占据一定比重,技术和成本决定着一切。只是,隔膜在其中虽然扮演了非常关键的破局角色,但却掣肘于电解技术和人才的短缺。

某知名电解槽厂商的高管指出,大家普遍对制氢隔膜一知半解,并且,很多小的电解槽企业没有测试隔膜的能力,甚至不知道该测什么、怎么测。大一些的企业技术实力虽然稍微强一些,但整体都处于比较早期的阶段。

易建华在隔膜送样检测的过程中也有相同遭遇。由于业界目前缺乏统一的隔膜测试标准,受测试环境和测试方法不同的影响,同一款隔膜送到不同的客户手里,数据结果都不一样。刻沃刻目前在进口电解槽中测试取得的氧中氢值最好纪录是0.2,其他大部分数据在1.5-2.0之间,接近1个点的差距很难精准反映出隔膜的真实性能。

这就导致了,标价普遍在600元/平米-900元/平米的国产复合隔膜,价格虽然是爱克发的五分之一,但毕竟是新技术,还需要进一步花时间去验证和迭代,市场还不太敢大批量使用。

除此之外,像电解槽和风光电耦合的问题,“因为没有历史数据,现在谁都说不清楚到底怎么回事儿。”邵欣直言。

虽然国内电解槽厂商都宣称有制备能力,但目前拥有1000标方生产能力的厂商只有不到30家。即便如此,很多厂商的设备也难过质量关。不止一位行业从业者告诉虎嗅,电解槽出货之后成批召回的现象非常普遍,其中不乏一些知名厂商的设备。

之所以造成今天的局面,本质上是电解槽老技术和新技术的严重脱节。

中国的氢产业长期以来一直依附于化工业而存在。从上世纪五六十年代传承至今,电解槽的生产全靠老师傅的一双手。“两个极片中间夹一块石棉,通上电就用,完全不考虑能耗,做得特别糙。虽然单台产气量大于 1000m3/h,但能耗仍然居高不下。”某电解槽项目负责人孙兴如此形容。

“直到从 2021年开始,大家开始认识到氢能在化工工业领域的规模化应用,会早于在交通领域的应用时,很多企业才开始进入到电解槽的技术研发之中。”中国产业发展促进会氢能分会会长魏锁表示。

2022年5月。隆基把沿用12年的简称改为“绿能”,意在让氢能板块成为公司新的价值增长点。

巨头的翅膀一扇,便足以掀起了一股产业风暴。过去无人问津的电解槽市场,在今年2月,隆基新一代制氢设备ALK Hi1问世时,国内涉足制氢电解槽的企业已经冒出了200多家,三年前不过还是个位数。

万亿产业困在一张膜里出不来了电解槽是水电解制氢系统的心脏,图为隆基碱性制氢电解槽

与此同时,氢能产业的投资环境也开始发生转移,超三分之一的大型央企和能源巨头频繁涉足制氢领域,包括内蒙古、新疆、宁夏、吉林也有新能源制氢的项目。在“双碳”背景之下,国家顶层设计、政策已倾斜至氢能中上游环节,制氢环节与关键设备研发获得更多关注。

《中国氢能产业发展报告2022》显示,2021年中国氢能产业链各环节投资,上游制氢超过了氢燃料电池,成为投资数量最多的领域。

但当氢能成为某些地方的关键产业时,另一个问题又出现了。

真正有技术能造出电解槽的,国内目前不超过100个人。大部分是从中船重工七一八研究所出来的一批人,“他们拿套图纸,跳槽到其他公司,就能要价几十万到上百万。”据孙兴所知,国内多家上市公司想招人做电解槽,“董事长一看薪资这么高,都吓一跳。可但凡有点本事的,薪资都开得特别高。”

去年10月,制氢设备企业考克利尔竞立的核心人物马军辞去总经理的职务,而后出任隆基氢能总裁。一位知情人士透露,竞立核心班底中,大部分人马已经被隆基和阳光挖走,元气受挫,其优势可能“只剩下那张牌照了”。

孙兴透露:“别看国内电解槽技术能力不怎么样,但已经开始卷起来了,去年中标价格普遍在1000万1套,今年已经降到了700万。”而阳光氢能董事长彭超才告诉虎嗅,很多厂家为了业绩,在项目投标时故意报一个极低的价格,根本不考虑成本,已经毫无理性可言。

电解槽有限的市场,已经在大干快上的疯狂之中,因过度竞争陷入到了内卷的泥潭。对于行业来说,新的开篇或许并不如愿,但所有人都在企盼一个美好的明天。

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