探究绿氢降本之路

为实现碳减排和化石能源替代的目标,通过风光电力制取氢、获得新能源载体的“可再生能源-氢能”模式,将是未来规模化发展氢能产业的必然选择。当前,通过可再生能源发电制取“绿氢”的成本仍然较高,一方面是由于现阶段制氢项目总体规模较小,另一方面是由于电解槽的能耗和初始投资成本较高。

 

本文对绿氢成本进行了系统分析,对比碱性与质子交换膜(PEM)电解制氢的平准化成本(LCOH),并对风光氢储产业模式及趋势进行研讨,结果表明:以可再生能源如风电、光伏、水电进行电解水制氢,电价控制在0.25元/kwh以下时,制氢成本开始具有相对经济性(15.3~20.9元/kg)。在碳中和目标大背景下,随着未来可再生能源发电成本的进一步下降,制氢项目的规模化发展,电解槽能耗和投资成本的下降以及碳税等政策的引导,绿氢的降本之路将逐渐明晰。

 

 

电解水制氢成本分析

 

当前电解水制氢技术可分为碱性电解(ALK)、质子交换膜电解(PEM)、固体氧化物电解(SOEC)三种,其中碱性电解与PEM电解技术应用较为成熟。

 

表1 ALK与PEM电解水制氢技术经济指标对比

 

电解制氢成本计算方法如下:

 

 

以1000Nm³H₂/h碱性电解和PEM电解项目为例,假设项目全生命周期为20年,运行寿命9万小时,固定成本涵盖电解槽设备、氢气纯化装置、材料费、安装服务费、土建费等项目,电价以0.3元/kWh计算,成本对比如下。

 

表2 ALK与PEM电解水制氢成本对比

注:①固定成本=制氢项目建设成本/kw×规模+安装、土建等相关费用;

②每年维护成本按总投资成本的3%计算

 

综上计算可得,假设条件下的碱性和PEM电解项目的平准制氢成本分别为17.71元/kg和23.3元/kg,其中,电费分别占据80%和60%左右。

 

图1 碱性电解制氢成本构成

图2 PEM电解制氢成本构成

 

 

绿氢经济性对比及未来降本趋势

 

与其他制氢方式相比,若可再生能源电价低于0.25元/kWh,绿氢成本可降至15元/kg左右,将开始具有具有成本优势。同时由于传统能源制氢会混杂众多碳、硫、氯等相关杂质,叠加提纯、CCUS等成本,实际制取成本或将超过20元/kg。

 

图3 绿氢与其他制氢技术成本对比

 

与其他能源相比,当前绿氢成本还是相对过高。以上节假设条件下可再生能源制氢的成本约为17.7元/kg(电价为0.3元/kWh),叠加储运成本10元/kg,加氢站压缩、加注、运营等成本12元/kg,加氢端价格已达到近40元/kg。即便以当前燃料电池汽车示范城市群规定的35元/kg的加氢价,燃料电池汽车燃料成本约为2.1-2.8元/km;柴油成本约为0.8-1.4元/km,汽油成本约为1元/km。可见绿氢降本还有很长的路要走:

1.可再生能源发电成本将进一步下降

未来十年我国风电、光伏每年新增装机规模预计分别在5000万kW和7000万kW左右,可再生能源发电成本将进一步下降,部分地区甚至将低于平价上网,预计“十四五”期间可再生能源平均上网电价将降低到0.25元/kWh以下,对应绿氢成本可降至15元/kg以下,到2030年绿氢潜在产能预计可以超过400万吨

2.核心技术设备与国际水平差距将逐渐缩小,制氢项目建设成本将大幅下降

未来通过规模效应以及关键核心技术的国产化突破,电解槽的生产成本也将大幅度降低。预计到2030年,国内碱性电解槽的成本将从目前的2000元/kW降至700-900元/kW,到2050年,可降至530-650元/kW;兆瓦级的PEM系统前期投入将从现在的8000元/kW降至到2030年的3000-6700元/kW,到2050年进一步降至630-1450元/kW。

结合以上降本因素,我国“十四五”期间绿氢平均综合成本将降至20元/kg以内;远期我国将以可再生能源发电制氢为主,绿氢平均综合成本有望降至10元/kg。

 

利用“三北”地区可再生能源优势,可建立风光氢储产业集群

 

作为清洁能源的重要组成,我国新能源发电在快速规模化发展的同时,也面临着消纳利用不充分等问题,新能源消纳问题较为突出,其中弃风弃光主要集中于“三北”地区的新疆、青海、甘肃、内蒙古等地区。2020年“三北”地区弃风电量总计150亿千瓦时,占全国弃风总量的90%,弃风率为5.2%;2020年“三北”地区弃光电量总计45.1亿千瓦时,占全国弃光总量的85.7%,弃光率为3.16%。

 

当下,“三北”地区风能、光能资源富集地区应加快可再生能源与氢能技术的耦合,充分发挥氢能存储功效,降低甚至消除地区可再生能源弃电量,将低成本、清洁的电力转化为氢能,提高可再生能源与氢能综合利用效率。同时,随着储运技术的突破,该地区的低碳氢可输送到用氢集聚区,也可成为氢能投资示范项目的重点选择区域。为低成本、大规模的绿氢制备打好基础,也为在全国范围内推广可再生能源与氢能综合高效应用、推进低成本产业化进程发挥重要示范作用,加快氢能在交通、化工等领域的应用及发展。

 

来源:中国产业发展促进会氢能分会

2021年9月18日 11:52
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