電解水制氫成本分析

近年來，隨著溫室氣體排放的加劇，全球氣溫持續變暖，氣候問題日益突出。為應對這一挑戰，全球主要國家于2016簽訂了《巴黎氣候協定》，形成了氣候共識，并紛紛制定了二氧化碳減排計劃，我國于2020年宣布了自己的“雙碳目標”，即2030年碳達峰，2060年碳中和。為了實現這一政策目標，使用低碳清潔的可再生能源替代目前高碳的煤、石油等化石能源變得越來越緊迫。在此次能源變革中，氫能因為其清潔無污染、單位質量能量密度高、可存儲、可再生、來源廣泛等優勢，成為各國競相開發新能源的技術首選，甚至被稱為21世紀的“終極能源”。氫氣目前主要作為工業生產的基礎原料，廣泛應用于各種化工行業，包括煉油、合成氨、合成甲醇等。由于近年來燃料電池技術的逐步成熟和燃料電池汽車的商業化推廣，氫氣作為動力燃料的潛力日益受到各界重視，預計在2050年，其占到我國能源消費比例將達到10%，有望逐步取代傳統汽柴油，徹底改變人類的動力能源，促成第三次能源革命。目前氫氣的生產主要來自于天然氣制氫或者煤制氫，生產過程中會有二氧化碳產生，屬于“灰氫”，而目前業界公認的發展方向是“綠氫”，即氫氣生產過程中沒有二氧化碳產生。當下綠氫主要的生產方式是電解水，通過電能提供能量，將水分子在電極上分解為氫氣和氧氣。電解水的主要生產設備是電解槽，按照電解質不同，可將電解槽分為3類，即堿性電解槽（AWE）、質子交換膜電解槽（PEM）、固體氧化物電解槽（SOEC），主要特點對比見表1。

?

?

目前堿性電解槽和質子交換膜電解槽已經工業化，而固體氧化物電解槽尚處于實驗室階段，還未商業化，所以無法對其制氫成本進行分析，下面主要對前兩種電解槽的制氫成本進行量化分析。

堿性電解水制氫技術目前發展的最為成熟，具有槽體結構簡單、安全可靠、運行壽命長、操作簡便、售價低廉等優點，是市場上主要的電解制氫方式，廣泛應用于冶金、醫藥、儲能、食品等行業。堿性電解槽由電極、電解液、隔膜組成，電解槽內裝填電解質溶液，通過隔膜將槽體分為陰、陽兩室，各電極置于其中。在一定的電壓下，電流從電極間通過，在陽極上產生氧氣，在陰極上產生氫氣，從而將水分解，制取氫氣。電解槽工作溫度一般為70~90℃，以KOH或NaOH水溶液為電解質。電解槽中的隔膜通常為石棉，或者為高分子復合材料，電極一般采用鎳基金屬材料，產生的氫氣純度在99%以上，經分離后的氫氣需要脫除其中的水分和堿液。堿性電解槽一般需要降低電壓增大電流以提高轉化效率。一般堿性電解槽的成本與其制氫能力有關，制氫能力越大，成本越高。目前國內市場在售的堿性電解槽單臺設備制氫能力從幾十到1000Nm3/h，價格從100萬～1000余萬元不等。其中1000Nm3/h的制氫能力是當前堿性電解槽單臺設備制氫能力的上限，其價格大概在700萬～1000萬元之間。根據市場主要堿性電解槽廠家的報價，發現設備的制氫能力與其成本基本呈線性正相關關系，詳見圖1。

?

一般制氫成本分為固定成本和可變成本，固定成本包括設備折舊、人工、運維等，可變成本包括制氫過程的電耗和水耗。由此可以倒推出堿性電解槽制氫成本計算公式）。

?

制氫成本=電價*單位電耗+（每年折舊+每年運維）/每年制氫總量+單位水耗*水價（1）

?

為了計算電解水制氫的具體成本，做出如下假設：①1000Nm3/h堿性電解槽成本850萬元，不含土地費用，土建和設備安裝150萬元；②每方氫氣消耗原料水0.001噸，冷卻水0.001噸，水費5元/噸；③設備折舊期10年，土建及安裝折舊期20年，采用直線折舊，無殘值，設備每年折舊10%，土建和安裝每年折舊5%；④工業用電價格0.4元/kWh，每方氫氣耗電5kwh；⑤每年工作2000小時，每年制氫200萬Nm3；⑥人工成本和維護成本每年40萬元。結果見表2。

?

從表2可知，現有條件下的電解水制氫成本接近30元/kg，遠遠高于天然氣制氫或煤制氫10～15元/kg的制氫成本，毫無競爭優勢。從成本構成分析，電耗成本最高，占到74%；其次為折舊成本，占到18%，這兩項就占到了總成本的90%以上。

?

由于人工運維和原料屬于剛性支出，所以降低其制氫成本還需要從降低電耗和降低折舊這兩方面入手。由于我國電力以火電為主，如果采用電網電力則電解制氫的碳排放強度高于煤制氫和天然氣制氫，不符合目前的“雙碳”政策導向，所以電解水應該與光伏、風電等可再生電力耦合，實現綠色制氫。根據國家發改委的《中國2050年光伏發展展望（2019）》的預測，至2035年和2050年光伏發電成本相比當前預計約下降50%和70%，達到0.2元/kWh和0.13元/kWh。由此采用相同計算方法，計算不同電價條件下氫氣成本以及電費成本在其中的比例，具體見圖2。

?

?

從圖2可知，隨著電價的降低，電解制氫成本也隨之降低，同時電力成本的占比也同步降低。電力成本每下降0.1元/kWh，氫氣成本平均下降0.5元/Nm3。如果對光伏上網電價的預測準確，則到2035年和2050年，電費占比分別為60%和49%，制氫成本將會為1.67元/Nm3和1.32元/Nm3，相比目前分別降低了37%和50%，分別接近和超過了目前制氫成本最低的煤制氫。如果未來疊加一定的政策補貼，則電解制氫的成本將有可能等于乃至低于化石能源制氫。

?

降低成本的第二條路徑為增加設備利用率。隨著氫能行業的發展，如果未來氫氣需求達到一定水平，并且可再生能源電力儲能取得突破，則可以通過延長電解槽工作時間，生產更多“綠氫”以攤薄其固定成本。考察每年運行時間2000～8000小時下，在0.13元/kWh、0.2元/kWh、0.3元/kWh和0.4元/kWh電價條件下的制氫成本，結果見圖3。

?

從圖3可知，在不同電價條件下，隨著電解槽每年工作時間的延長，由于單位氫氣固定成本的降低，制氫成本隨之下降，從2000小時提升至8000小時后，單位氫氣成本平均降低30%以上。結合電費的降低和運行時間的延長，如果到2030年和2050年，電費分別為0.2元/kWh和0.13元/kWh，工作時間分別為4000h/年和8000h/年，則對應的制氫成本分別為1.34元/Nm3和0.83元/Nm3，那么在不依賴補貼的條件下，使“綠氫”的生產成本接近和低于“灰氫”。

?

除上述降本方式外，還可以通過降低電解槽采購成本和提升電解槽效率的辦法來實現。由于堿性電解槽工藝技術已經十分成熟，很難通過技術革新降低成本，根據預測，未來10年通過技術改進和規模擴張，可以降本40%，1000Nm3/h電解槽成本會降至500萬元，屆時制氫成本將下降5%～10%。此外，通過開發先進性能的電極和隔膜材料，進一步優化槽體結構，可以進一步提高其轉化效率，降低成本和能耗。

雖然堿性電解槽作為最為成熟的電解技術占據著主導地位，但由于堿性電解槽電解效率低，需要使用強腐蝕性堿液，氫氣需要脫除水和堿，難以快速啟動和變載，同時無法快速調節制氫的速度，因而與可再生能源發電的適配性較差，且由于堿性電解槽的技術特點，以上缺點難以克服，所以近年來質子交換膜電解槽（PEM）日益受到人們的重視。質子交換膜電解槽采用高分子聚合物質子交換膜替代了堿性電解槽中的隔膜和液態電解質，具有離子傳導和隔離氣體的雙重作用。PEM電解槽結構與燃料電池類似，由膜電極、雙極板等部件組成。膜電極提供反應場所，由質子交換膜和陰陽極催化劑組成。相比于堿性電解槽，PEM電解槽具有反應無污染、氫氣無需分離堿液、轉化效率高能耗低、槽體結構緊湊、運行更加靈活（負荷范圍0～150%）、更適合可再生能源的波動性等優點，很多新建電解制氫項目開始選擇PEM電解槽技術。但由于PEM電解技術商業化時間不長，質子交換膜和鉑電極催化劑等關鍵組件成本較高，導致PEM電解槽制造成本較高，為相同規模堿性電解槽的3～5倍。

?

為計算PEM電解槽制氫成本，做出如下假設：①1000Nm3/h的PEM電解槽成本3000萬元，不含土地費用，土建和設備安裝200萬元；②每方氫氣消耗原料水0.001t，冷卻水0.001t，水費5元/t；③設備折舊期10年，土建及安裝折舊期20年，采用直線折舊，無殘值，設備每年折舊10%，土建和安裝每年折舊5%；④工業用電價格0.4元/kWh，每方氫氣耗電4.5kwh；⑤每年工作2000小時，每年制氫200萬m3；⑥人工成本和維護成本每年40萬元。

?

從表3可知，按照相同的計算原則，PEM電解槽制氫成本高于堿性電解槽，主要由于PEM電解槽的采購成本太高，帶來每年的折舊成本太高，抬高了制氫成本。設備折舊成本占到總成本的44%，電耗成本占到50%，所以降低成本還是要從這兩方面入手。不同電價條件下電力成本占比和氫氣成本的變化見圖4。

?

?

成本比例以及氫氣成本的變化

?

從圖4可知，隨著電費的下降，電力成本在總成本中的比重逐漸下降，氫氣成本也逐漸降低。當電費分別為0.13元/kWh和0.2元/kWh時，氫氣成本分別為2.4元/Nm3和2.71元/Nm3，成本占比分別為24%和33%。與堿性電解槽制氫成相比，仍有一定差距，主要在于PEM電解槽價格太貴，折舊成本太高。通過對過去幾十年PEM電解槽的成本分析，根據學習率曲線，PEM電解槽的平均學習率為13%，至2030年1000Nm3/h的PEM電解槽價格預計為1500萬元，至2050年約為500萬元。計算不同PEM電解槽成本對制氫成本的影響，見圖5。

?

從圖5可以看出，隨著電解槽成本的下降，氫氣成本和折舊在成本的占比也同步下降，如果其他條件不變，至2030年和2050年，PEM電解槽設備成本為1600萬元和500萬元，氫氣成本分別為2.86元/Nm3和2.31元/Nm3，設備折舊在成本中的占比分別為30%和13%。雖然相比目前價格基準大幅降低，但與堿性電解槽相比仍不具有價格優勢。下面考察在不同電價和不同電解槽成本的組合條件下，即電價0.4元/kWh、電解槽成本3000萬元，電價0.3元/kWh、電解槽成本2000萬元，電價0.2元/kWh、電解槽成本1500萬元，電價0.13元/kWh、電解槽成本500萬元，運行時間對制氫成本的影響，詳見圖6。

?

?

從圖6可以看出，隨著電解槽工作時間的延長，氫氣產量的增加，氫氣成本逐漸下降。其中，電力成本和固定成本越高，下降趨勢越明顯。到2030年和2050年，預計電費分別為0.2元/kWh和0.13元/kWh，工作時間分別為4000h/年和8000h/年，對應PEM電解槽成本分別為1500萬元和500萬元，則對應的制氫成本分別為1.41元/Nm3和0.72元/Nm3，對比目前制氫成本大大降低。雖然中期內相比堿性電解槽PEM電解的氫氣成本仍然偏高，但隨著PEM電解槽采購成本的降低，預計會在2030年后逐漸低于堿性電解槽的制氫成本，并在2040年后低于化石燃料制氫。通過上述分析可知，相比于堿性電解槽，PEM電解槽由于設備成本過高，制氫成本相對較高，但隨著氫能行業的發展，氫氣需求的增加，以及技術的進步，會帶來PEM電解槽成本的下降，疊加可再生能源電力成本的下降和產氫數量的增加，最終PEM電解槽制氫成本會低于堿性電解槽。如果考慮用地面積，即土地成本，PEM電解槽更加緊湊，同等規模下PEM占地面積幾乎為堿性裝置的一半，在土地昂貴的地區PEM電解槽優勢更加明顯，結合其效率高、能耗少、響應快、負載高等優勢，PEM電解槽將是未來電解制氫的主流方向。

電解水是“綠氫”生產的主要途徑，是氫能發展的必要技術，是實現“雙碳”目標的重要支柱，而電解槽是電解制氫的核心設備。通過對目前市場上主流的堿性電解槽和PEM電解槽的制氫成本進行分析，得知目前電解制氫的成本仍然遠高于化石能源制氫，沒有經濟優勢，其成本主要由電解槽的設備折舊和電費兩部分組成，合計達到90%以上。未來降本空間主要在于降低電價，增加電解槽的工作時間以攤薄折舊和其他固定成本，通過技術進步和規模化生產降低電解槽的投資成本（尤其對于PEM電解槽）等。隨著“雙碳”政策的不斷推進和深化，可再生能源（如光伏、風電等）電力成本的降低，氫燃料電池汽車的規模化推廣和氫能市場的逐漸成熟，市場對氫氣的需求將呈爆發式增長，雖然傳統的化石原料所生產的“灰氫”在中短期內仍將占據市場主流，但通過“綠色”電力來電解水制氫將是未來低碳經濟的主流方向，也是氫能發展的必經之路。“綠氫”成本也必將隨著氫能的推廣和技術的進步下降到可接受的水平，電解水會成為氫氣的主要來源，氫能社會的最終目標也終將實現。

原文始發于微信公眾號（潔清能源）：電解水制氫成本分析