與化石能源制氫相比，PEM和AWE制氫技術(shù)在生產(chǎn)運(yùn)行成本與設(shè)備投資成本上仍然是相對(duì)昂貴的。但考慮到技術(shù)快速進(jìn)步、相應(yīng)零部件供應(yīng)增加、巨大氫能市場(chǎng)需求和能源戰(zhàn)略部署等因素，這兩項(xiàng)電解制氫技術(shù)在降低成本方面極具發(fā)展?jié)摿Α?
而對(duì)于固體氧化物以及陰離子交換膜電解技術(shù)而言，成本降低相對(duì)困難，因?yàn)橹挥猩贁?shù)幾家公司在其商業(yè)化方面努力。此外，其許多組件仍停留于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的水平，沒(méi)有原始制造商開(kāi)展生產(chǎn)和商業(yè)化。與AWE或PEM電解制氫相比，固體氧化物以及陰離子交換膜電解技術(shù)發(fā)展任重道遠(yuǎn)。
成本組成
電解水制氫成本一般包括：①設(shè)備成本；②能源成本（電力）；③其他運(yùn)營(yíng)費(fèi)用；④原料費(fèi)用（水）。其 中，能源成本即電力成本占比最大，一般為40%——60%（AWE/PEM），甚至可達(dá)80%，該部分主要由能源轉(zhuǎn)化效率（即電解制氫效率）因素驅(qū)動(dòng)，設(shè)備成本占比次之。如圖5所示，依據(jù)國(guó)際可再生能源署IRENA（2020）的測(cè)算結(jié)果，相比于電價(jià)65美元/MWh（0.42元/kWh）時(shí)，當(dāng)電價(jià)為20美元/MWh（0.13元/kWh）時(shí)制氫成本大幅下降，且下降幅度明顯高于由于電解槽設(shè)備成本降低（由1000美元/kW降至650美元/kW）帶來(lái)的成本下降幅度，即設(shè)備成本的降低不能彌補(bǔ)高電價(jià)帶來(lái)的影響。
對(duì)于中國(guó)市場(chǎng)而言，當(dāng)制氫成本降至20元/kg以下時(shí)，相比于化石能源制氫，電解制氫才具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，此時(shí)可再生能源電價(jià)需降低至0.3元/kWh以下。據(jù)IRENA與Hydrogen Council預(yù)測(cè)，到2050年可再生能源制氫成本將降至1美元/kg（6.5元/kg），如圖4和圖5所示。
計(jì)算假設(shè)：2020年產(chǎn)氫能耗51.2 kWh/kg，2050年產(chǎn)氫能耗43.8 kWh/ kg，折舊率8%，電解槽壽命80 000 h，2020年電解槽設(shè)備成本為650——1000美 元/kW，2050年成本為130——307美元/kW，且部署容量為1——5 TW。
圖 4 2020—2050年期間綠氫成本變化趨勢(shì)
計(jì)算假設(shè)：天然氣價(jià)格2.5——6.4美元/GJ，平準(zhǔn)化電力成本25——73美元/ MWh（2020年）、13——37美元/MWh（2030年）、7——25美元/MWh（2050年）
圖 5 不同生產(chǎn)路徑氫氣成本變化趨勢(shì)
如圖6所示，對(duì)于堿性電解槽而言，設(shè)備成本主要由電極、膜片等核心部件的成本驅(qū)動(dòng)。在堿性電解槽電解電堆的成本組成中，超過(guò)50%的成本與電極和膜片有關(guān)，相比之下，PEM電解槽電解電堆中膜電極成本占比為24%。在堿性電解槽中雙極板只占電解電堆成本的一小部分，而PEM電解電堆中的成本占比則超過(guò)50%，這是由于堿性電解槽的雙極板設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，制造更簡(jiǎn)單，材料更便宜（鍍鎳鋼），重新設(shè)計(jì)電極和膜片可降低成本。堿性電解制氫系統(tǒng)的輔機(jī)部分，堿液循環(huán)以及氫氣后處理對(duì)成本降低較為重要。
圖 6 1MW堿性電解槽的成本組成
如圖7所示，對(duì)于PEM電解槽而言，電解電堆設(shè)備成本主要由雙極板等核心部件的成本驅(qū)動(dòng)。在PEM電解槽電解電堆中雙極板成本占比約53%，主要因?yàn)槠渫ǔＰ枰褂肁u或Pt涂層。技術(shù)創(chuàng)新在雙極板的性能和耐久性增強(qiáng)以及成本降低方面發(fā)揮重要作用。
目前正在研究?jī)r(jià)格更低廉的替代材料，如使用Ti涂層來(lái)保持其功能特性不受影響，同時(shí)降低成本。稀有金屬Ir是膜電極材料的重要組成部分，在實(shí)際應(yīng)用中，雖然Ir在整個(gè)PEM電解系統(tǒng)中成本占比不到10%，但由于供應(yīng)嚴(yán)重不足，可能成為后期PEM電解槽生產(chǎn)的瓶頸。PEM電解制氫系統(tǒng)輔機(jī)組成中的水循環(huán)和氫氣后處理也是降低成本的重要領(lǐng)域。
圖 7 1MW PEM電解槽的成本組成
成本降低途徑
降低綠氫成本不僅需要政府在可再生能源電力上的政策傾斜與激勵(lì)，還需要科研人員在關(guān)鍵材料研制上的進(jìn)步與突破，以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，從而降低設(shè)備成本。電解制氫設(shè)備成本可從兩個(gè)方面減少。
一是從電解槽設(shè)計(jì)與單電池材料入手，使用較少的關(guān)鍵材料，尤其是Pt、Ir等成本較高的貴金屬材料，或用非貴金屬材料（Ni、Fe等）取代。重新設(shè)計(jì)電解槽以實(shí)現(xiàn)更高的效率（更低的電力成本）、更高的耐久性（更長(zhǎng)的壽命）以及更高的電流密度，可通過(guò)優(yōu)化膜厚度來(lái)降低歐姆電阻（同時(shí)還需兼顧氣體滲透問(wèn)題），以提升電解效率，對(duì)多孔層傳輸層（PTL）、雙極板流道等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如優(yōu)化孔隙率、孔徑、厚度等PTL結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)流場(chǎng)等，以提升電解槽性能與壽命。
二是從增加單槽和工廠生產(chǎn)的規(guī)模來(lái)提升應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)執(zhí)行高通量、自動(dòng)化的制造工藝，降低每個(gè)組件的成本。提升單槽規(guī)模可以帶來(lái)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，盡管由于泄漏、大型組件制造限制、大型組件機(jī)械不穩(wěn)定、電池最大面積限制等問(wèn)題，單槽規(guī)模的提升范圍有限，但仍舊可產(chǎn)生強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。
德國(guó)PlanDelyKad的研究發(fā)現(xiàn)，100MW堿性電解槽（成本520歐元/kW）比5MW電解槽（成本1070歐元/kW）的成本降低了約50%。但是，當(dāng)超過(guò)10——20MW時(shí)，增加容量帶來(lái)的成本降低幅度將大大減弱。
未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向
中國(guó)已成為世界第一產(chǎn)氫大國(guó)，工業(yè)氫氣產(chǎn)量領(lǐng)跑全球。根據(jù)相關(guān)測(cè)算，預(yù)計(jì)中國(guó)2060年部署電解制氫裝機(jī)容量約500GW。中國(guó)在未來(lái)的氫能源市場(chǎng)中不僅是產(chǎn)氫大國(guó)，更是用氫大國(guó)。預(yù)計(jì)到2060年，氫能在交通運(yùn)輸、儲(chǔ)能、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域廣泛使用，中國(guó)的氫需求量由目前3000多萬(wàn)t提升至約1.3億t，提升300%以上。
未來(lái)氫能有望打通可再生能源電力在交通、工業(yè)和建筑領(lǐng)域終端應(yīng)用的滲透路徑，逐步降低化石能源在這些終端領(lǐng)域的消費(fèi)比重。隨著材料和部件制備、系統(tǒng)集成等技術(shù)的突破，氫能綠色制取技術(shù)將朝著延長(zhǎng)運(yùn)行壽命、提升單體功率、降低安全風(fēng)險(xiǎn)和成本等方向發(fā)展，關(guān)鍵部件材料實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，制氫單體功率將提升至10MW級(jí)，系統(tǒng)單位能耗不高于4kWh/m3。實(shí)現(xiàn)氫能的規(guī)模化應(yīng)用，還需在以下方面進(jìn)行深入研究。
1）研究新能源輸入對(duì)電解槽及制氫系統(tǒng)影響，解決可再生能源高比例并網(wǎng)問(wèn)題。
在新能源隨機(jī)性、波動(dòng)性輸入下，制氫系統(tǒng)變工況及頻繁啟停運(yùn)行特性引起的氫氧濃度、壓力變化，對(duì)設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行提出新要求。目前國(guó)際上對(duì)以上方面研究較少，新能源輸入對(duì)電解槽及制氫系統(tǒng)影響的微觀分析和實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)尚且不足，電解設(shè)備與波動(dòng)電源之間的匹配性與兼容性有待提高。因此，近期需要對(duì)新能源輸入對(duì)電解槽及制氫系統(tǒng)（以AWE和PEM為主）的影響進(jìn)行深入研究，以推動(dòng)可再生能源電解制氫的大型示范應(yīng)用。
2）提高電解槽和系統(tǒng)可靠性與耐久性。
目前，中國(guó)電解槽和系統(tǒng)在全工況下的可靠性與耐久性等與國(guó)際先進(jìn)水平仍存在差距。電解槽系統(tǒng)可靠性與壽命不僅與電解電堆相關(guān)，還依賴于配套的輔機(jī)設(shè)備。因此，需進(jìn)一步加強(qiáng)電解槽產(chǎn)品的可靠性與耐久性研究，促進(jìn)電解制氫技術(shù)參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻，增加與電網(wǎng)互動(dòng)。
3）提升電解槽關(guān)鍵材料與核心部件自主化研發(fā)水平。
由綠氫成本分析可知，電極、膜片、雙極板等成本占比較高，但目前中國(guó)在關(guān)鍵材料、核心部件上的研發(fā)水平與國(guó)外差距較大，且嚴(yán)重依賴國(guó)外進(jìn)口，不具備批量生產(chǎn)的能力，這嚴(yán)重制約了中國(guó)電解制氫產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展。因此，亟待加強(qiáng)關(guān)鍵材料核心部件的自主化研發(fā)水平，加快形成具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的批量制備方法，全面實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料與核心部件的國(guó)產(chǎn)化。
根據(jù)相關(guān)報(bào)告數(shù)據(jù)：
1. 綠氫的制備來(lái)源于可再生能源生產(chǎn)的電力，以清潔、用途廣泛為顯著特點(diǎn)，助力難以脫碳行業(yè)的實(shí)現(xiàn)去碳化，預(yù)計(jì)到2050年將占全球一次能源供應(yīng)的15%。
2. 根據(jù)模型預(yù)測(cè)，2020年綠氫成本每公斤4.2美元，2030年為1.9美元，2050年為1美元。分區(qū)域的綠氫價(jià)格介于0.8美元到1.3美元之間，中東/北非價(jià)格最低，歐洲價(jià)格最高。
3. 市場(chǎng)潛力大、成本低的地區(qū)將引領(lǐng)第一波綠氫發(fā)展熱潮，領(lǐng)跑者很可能是歐洲、中東/北非及澳大利亞。
4. 美國(guó)和中國(guó)將通過(guò)綠氫藍(lán)氫同步發(fā)展迎頭趕上，實(shí)現(xiàn)氫能自給自足。中東/北非、澳大利亞及西拉美將成為氫能出口樞紐。歐洲依然主要發(fā)展綠氫，疊加進(jìn)口來(lái)滿足氫能需求。
5. 2020年生產(chǎn)綠氫的電力成本平均為44美元/兆瓦時(shí)，占到總成本的56%，平準(zhǔn)化度電成本在近幾年將大幅下降，之后趨于平穩(wěn)。2050年電力成本預(yù)計(jì)為17美元/兆瓦時(shí)，占到生產(chǎn)綠氫總成本的70%，因此電力成本差異將直接導(dǎo)致綠氫成本存在地區(qū)性差異。
6. 到2050年，電力成本、電解槽投資成本的加和將占到削減了的總成本的一半，另外隨轉(zhuǎn)換效率和負(fù)載因數(shù)持續(xù)優(yōu)化，貢獻(xiàn)可達(dá)削減了的總成本的17%。
7. 在歐洲，到2030年綠氫的盈虧平衡點(diǎn)有望與灰氫、藍(lán)氫持平，到2040年有望與LNG、天然氣持平。
8. 在氫能消費(fèi)端，2020年綠氫將開(kāi)始在供熱和重卡行業(yè)得以應(yīng)用，到2030年很可能作為極具價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的能源在主流工業(yè)領(lǐng)域和交通領(lǐng)域推廣應(yīng)用。
