本
文
摘
要
目前“绿氢”成本远远高于化石燃料制氢，如何通过技术进步和大规模化生产降低“绿氢”成本是全球所有氢能企业共同努力方向。本文尝试通过分析碱性电解槽( AWE) 和质子交换膜电解槽( PEM) 两种主流电解技术的制氢成本结构，探索“绿氢”平价之路的方向和距离终点的距离
一、碱性电解槽( AWE) 制氢成本分析
AWE制氢技术发展的最为成熟，具有槽体结构简单、安全可靠、运行寿命长、操作简便、 售价低廉等优点，是市场上主要的电解制氢方式。一般而言，碱性电解槽的成本与其制氢能力成正比关系：制氢能力越大，成本越高。目前国内市场在售的碱性电解槽单台设备制氢能力从几十到1000 Nm3/h不等，价格从100 万～1000 余万元也不等。图表1 列示了 MW碱性电解槽的成本组成。
图表1 MW碱性电解槽的成本组成
来源：“双碳”目标下电解制氢关键技术及其应用进展
《电解水制氢成本分析》一文中，根据制氢过程的固定成本和变动成本结构，给出制氢成本公式如下：
制氢成本 =电价 × 单位电耗 + ( 每年折旧 + 每年运维) /每年制氢总量 + 单位水耗 × 水价
为方便计算电解水制氢的具体成本，做出如下假设:
（1）1000 Nm3/h 碱性电解槽成850万元，不含土地费用、土建和设备安装 150 万元;（2）每 1m3氢气 消耗原料水 0.001t，冷却水 0.001 t水费 5 元/ t;（3）设 备折旧期 10a，土建及安装折旧期 20 a，采用直线折旧，无残值，设备每年折旧 10%，土建和安装每年折旧 5%（4）工业用电价格 0.4 元/ kWh，每 1 m3氢气耗电 5 kWh; （5）每年工作 2 000 h，每年制氢 200 万 Nm3 ;（6）人工成本和维护成本每年 40 万元。 测算结果见图表 2。
从图表 2可知，现有条件下的电解水制氢成本接 近30元/ kg，远远高于天然气制氢或煤制氢 10～15 元/ kg 的制氢成本。
图表2 碱性电解槽制氢成本分析 元/Nm3
数据来源：电解水制氢成本分析
从成本构成分析，电耗成本最高，占到 74%; 折旧成本占到 18%，这两项占到了总成本的 90% 以上。 由于人工运维和原料属于刚性支出，所以降低其制氢成本还需要从降低电耗和降低折旧这两方面入手。
根据国家发改委的《中国 2050 年光伏发展展 望( 2019) 》的预测， 2035 年和 2050 年光伏发电成本预计约下降50% 和 70%，达到 0.2 元/ kWh 和 0.13 元/ kWh 。电力成本每下降 0.1元/ kWh，氢气成本平均下降 0.5 元/Nm3 。如果对光伏上网电价的预测准确，则到2035年和2050年，电费占比分别为60%和49%，制氢成本将会为1. 67 元/Nm3 和 1.32 元/Nm3，相比目前分别降低了37%和50%，分别接近和超过了目前制氢成本最低的煤制氢 。如果加上政策补贴，则电解制氢的成本将有可能等于乃至低于化石能源制氢。
增加设备利用率是降低成本的第二条路径。考虑未来氢气需求放量，可再生能源电力储能取得突破情况下，也可以通过延长电解槽工作时间，生产更多 “绿氢”以摊薄其固定成本。
图表3 不同条件下制氢成本与电解槽工作时间的关系
来源：电解水制氢成本分析
1—0. 13 元/ kWh; 2—0. 2 元/ kWh; 3—0. 3 元/ kWh; 4—0. 4 元/ kWh
从图表 3 可知，在不同电价条件下，随着电解槽每年工作时间的延长，由于单位氢气固定成本的降低， 制氢成本随之下降，从2000h提升至 8000h 后，单位氢气成本平均降低 30%以上。
如果到 2030 年和 2050 年电费分别为 0.2 元/ kWh 和 0.13 元/ kWh，工作时间分别为 4 000 h / a 和 8 000 h / a，则对应的制氢成本分别为 1.34 元/Nm3和 0. 83 元/Nm3，那么在不依赖补贴的 条件下，使“绿氢”的生产成本接近和低于“灰氢”。
降低电解槽采购成本和提升电解槽效率也是降成本方向。由于碱性电解槽工艺技术已经十分成熟，很难通过技术革新降低成本，根据预测未来 10 年通过技术改进和规模扩张，可以降本 40%，1000 Nm3 / h电解槽成本会降至 500 万元，届时制氢成本将下降 5%～10%。此外，通过开发先进性能的电极和隔膜材料，进一步优化槽体结构，可以进一步提高其转化效率，降低成本和能耗。
