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晶闸管 or IGBT?制氢电源成为氢能产业新蓝海

   2024-03-01 国际能源网/氢能汇65000
核心提示:在未来制氢电源竞争中,既有晶闸管与IGBT的技术路线之差,也有IGBT技术的技术源头之别

在电解水制氢领域,有ALK、PEM、SOEC、AEM等技术路线,不同路线各显神通,未来谁能制霸天下不得而知。但是,不管哪条技术路线胜出,都需要一台制氢电源与之匹配。氢能产业特别是上游制氢的爆发,将给传统的电源行业开辟一片新蓝海。国泰君安证券近期报告对制氢电源这一千亿市场进行研究。

千亿市场的预估基础:制氢电源的技术路线区分,可分为晶闸管(SCR)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)两大路线。

按每1000标方(5MW)电解槽配备一套制氢电源,其中晶闸管制氢电源价格20~30万元、IGBT制氢电源价格120~150万元。假设电解槽年工作4000小时,当绿氢需求量达1000万吨,对应电解槽装机量139GW,制氢电源市场累计56亿元~333亿元;当绿氢需求量达1亿吨,对应电解槽装机量1,389GW,制氢电源市场累计556亿元~3,333亿元。

离网制氢趋势下,IGBT和波动性风光的匹配性更高。为减小新能源风光制氢项目对现有电网的冲击和依赖,未来更多项目会采用弱并网/纯离网的制氢方式。晶闸管和IGBT本质上都可以理解为“开关”,相比晶闸管,IGBT的开关控制更为精细,频率更高,相应产生的谐波也较少,整流效率更高。在离网制氢下,由于缺少大电网的支撑,晶闸管导通角调整的范围有限,且在低功率段会产生更大的谐波,导致更低的功率因数,而IGBT由于其快速的开关能力,能更好应对波动性风光电力带来的功率变化,产生的谐波少,对电网稳定支撑作用好,从响应速率和用电效率来说更适合离网制氢场景。

制氢电源为大功率电源,与风电变流器的相似度最高。一是功率级别,单台制氢电源与风电变流器都为数MW级,而光伏逆变器为百kW级,从小功率电源向大功率电源切入存在一定的技术难点;二是对电网技术的理解,制氢电源与风电变流器都会涉及对电网的影响,与电网存在交互的过程,而普通的工业传动电源只需从电网取电,无需与电网进行交互,缺少对电网友好技术的理解。从风电变流器切入制氢电源,是适配度较高的一条路径。

巨头纷争,IGBT唱主角。晶闸管电源凭借超高的性价比优势在市占率上一骑绝尘,代表企业是脱胎于氯碱行业的英特利。在未来弱并网/纯离网制氢趋势下,IGBT凭借与风光波动电力更高的匹配性市场份额会进一步扩大,以禾望电气、阳光电源、汇川技术为代表的一众电源企业,以及雷动智创、中科智寰等初创企业,都已瞄准IGBT技术路线,抢滩制氢电源赛道。

原文如下:

制氢电源:开辟电源行业新蓝海

在电解水制氢领域,有ALK、PEM、SOEC、AEM等技术路线,不同路线各显神通,未来谁能制霸天下不得而知。但是,不管哪条技术路线胜出,都需要一台制氢电源与之匹配。所以氢能产业特别是上游制氢的爆发,给传统的电源行业开辟了一片新蓝海。光伏、风电等新能源产业的发展催生了阳光电源、禾望电气等光伏逆变器、风电变流器标杆企业,相信未来的氢能产业也会诞生属于自己的制氢电源龙头。

千亿市场:氢能有多大,电源就有多大

制氢电源是将交流电整流成直流电的装置,其核心是电力电子器件,包括功率模块、控制电路板、断路器、滤波器、机柜等部件。从制氢电源的技术路线区分,可分为晶闸管(SCR)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)两大路线。其中,IGBT路线制氢电源内部结构与风电变流器、光伏逆变器类似。

制氢电源的核心功能是将交流电变换成与电解槽电压匹配的直流电。在可再生能源制氢系统中,制氢电源向上承接电网电力,向下为电解槽提供稳定的直流电。电网输入的电压一般为10kV或35kV,电解槽的工作电压在百伏以内,通过变压器将电网的高压转换为与制氢电源匹配的低电压,再经过制氢电源整流成与电解槽匹配的电压电流。电解槽的工作电流为直流电,而电网和风电供给的都是交流电,故需要通过AC/DC变流器将交流电变换为直流电;若是光伏发出的直流电,则通过DC/DC变流器使直流电更为稳定、平整。

制氢电源的市场空间和电解槽高度关联。按每1000标方(5MW)电解槽配备一套制氢电源,其中晶闸管制氢电源价格20~30万元、IGBT制氢电源价格120~150万元。假设电解槽年工作4000小时,当绿氢需求量达1000万吨,对应电解槽装机量139GW,制氢电源市场累计56亿元~333亿元;当绿氢需求量达1亿吨,对应电解槽装机量1,389GW,制氢电源市场累计556亿元~3,333亿元。

离网制氢趋势下,IGBT与波动性风光电力更匹配

2023年11月,内蒙古自治区能源局发布《风光制氢一体化项目实施细则》,提出“并网型风光制氢一体化项目具备独立市场主体地位,可向电网送电,年上网电量不超过年总发电量的20%,年下网电量不超过项目年总用电量的10%”。未来,为减小新能源风光制氢项目对现有电网的冲击和依赖,更多项目会采用弱并网或纯离网的制氢方式。

晶闸管和IGBT本质上都可以理解为“开关”,但其结构不同。晶闸管是半控型器件,依靠导通角的调整调制电压电流,依靠自然过零点关断,主动开被动关;IGBT是全控型器件,主动开主动关。因此,相比晶闸管,IGBT的开关控制更为精细,开关频率更高,相应产生的谐波也较少,电能质量更高。

电网通常是50Hz为基波的固定频率电流,非基波频率的电流即为谐波,谐波大会影响电网上设备的安全稳定运行,且谐波越大整流效率越低。

离网制氢下,由于缺少大电网的支撑,晶闸管导通角的调整范围有限,且在低功率段会产生更大的谐波,导致更低的功率因数,而IGBT凭借快速的开关能力,能更好应对波动性风光带来的功率变化,产生的谐波少,整流效率高,从响应速率和用电效率上更适合离网制氢场景。

大功率电源有壁垒,从风电变流器切入最合适

目前常见的单台碱性电解槽规格为1000标方,制氢规模为5MW;由于电解槽大型化能够降低原材料钢材成本及土建成本,因而大标方电解槽愈发成为行业趋势。以隆基氢能为例,其推出的LonGi ALK G系列产品单槽最大规格已达到3000Nm³/h,即单台制氢规模15MW。制氢电源的功率大小与制氢规模相当,单台制氢规模5MW的电解槽同样需匹配单台5MW的制氢电源。

在电源的众多成熟应用中,风电变流器与制氢电源的相似度最高。一是功率级别上,制氢电源与风电变流器都为数MW级,而光伏逆变器为百kW级,从小功率电源向大功率电源切入存在一定的技术难点;制氢电解槽是大电流驱动,实现大电流需多个IGBT并联、功率单元并联,对均流特性要求高,必须采取均流控制措施,防止单个IGBT电流过大而损坏。二是对电网技术的理解上,制氢电源与风电变流器都会涉及对电网的影响,与电网存在交互的过程,而普通的工业传动电源只需从电网取电,无需与电网进行交互,缺少对电网友好技术的理解。因此,从风电变流器切入制氢电源,是适配度较高的一条路径。

巨头纷争,IGBT唱主角

作为制氢系统必不可缺的核心设备,制氢电源搭乘绿氢走上产业发展快车道。目前,国内的制氢项目多为并网运行,电压电流稳定性强,晶闸管电源凭借超高的性价比优势在市占率上一骑绝尘,代表企业是脱胎于氯碱行业的英特利。

在未来弱并网/纯离网制氢趋势下,IGBT凭借与风光波动电力更高的匹配性市场份额会进一步扩大,以禾望电气、阳光电源、汇川技术为代表的一众电源企业,以及雷动智创、中科智寰等初创企业,都已瞄准IGBT技术路线,抢滩制氢电源赛道。

可以预见,在未来制氢电源竞争中,既有晶闸管与IGBT的技术路线之差,也有IGBT技术的技术源头之别。从大功率电源产品经验,以及对电网友好技术的理解能力看,具有风电变流器制造经验的玩家将成为制氢电源赛道新的佼佼者。

光伏、风电等新能源产业的发展催生了光伏逆变器、风电变流器标杆企业,相信未来氢能产业也会诞生属于自己的制氢电源龙头。

来源:国泰君安证券

 
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