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IIGF觀點(diǎn) | 綠氫降低成本路徑分析

分類:行業(yè)熱點(diǎn) > 國(guó)內(nèi)資訊    發(fā)布時(shí)間:2022年5月21日 9:30    作者:    文章來源:中央財(cái)經(jīng)大學(xué)綠色金融國(guó)際研究院 易嘉榆

  隨著各國(guó)對(duì)排放要求的日益提高和全球能源危機(jī)的愈演愈烈,開發(fā)和應(yīng)用清潔能源迫在眉睫,紛紛將綠氫技術(shù)研發(fā)和推廣作為國(guó)家能源發(fā)展重點(diǎn)。各能源企業(yè)在國(guó)家號(hào)召下也紛紛開始試驗(yàn)商業(yè)化制氫和用氫。在4月20日的博鰲亞洲論壇上,遠(yuǎn)景科技集團(tuán)CEO張雷宣布遠(yuǎn)景科技將和澳大利亞FMG集團(tuán)合作開發(fā)綠氫,預(yù)計(jì)到2030年綠氫產(chǎn)量將達(dá)到1000萬噸。遠(yuǎn)景科技CEO張雷表示,遠(yuǎn)景科技通過零碳產(chǎn)業(yè)園實(shí)現(xiàn)綠電綠氫開發(fā)融合,成功將綠氫生產(chǎn)成本控制在10元/公斤。綠氫產(chǎn)業(yè)能否發(fā)展起來取決于其相對(duì)于其他能源、灰氫和藍(lán)氫的成本優(yōu)勢(shì),其中綠氫生產(chǎn)成本是限制綠氫產(chǎn)業(yè)規(guī)?;l(fā)展的重要因素。因此本文主要通過分析國(guó)際綠氫生產(chǎn)成本水平、國(guó)內(nèi)綠氫生產(chǎn)成本結(jié)構(gòu)、降成本路徑來探究遠(yuǎn)景科技的綠氫成本宣誓是否足以令人振奮。
 
  一、國(guó)際綠氫生產(chǎn)成本
 
  目前,各國(guó)普遍開始基于電解水制氫、熱解水制氫、風(fēng)能制氫和太陽(yáng)能制氫等方法研究新能源制氫方法。電解水制氫平均成本約為6美元/公斤。在可實(shí)現(xiàn)完全商業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)上,熱解水制氫平均成本約為1.3-2.2美元/公斤。生物質(zhì)氣化制氫成本約在4.8美元/公斤到6.1美元/公斤。太陽(yáng)能制氫平均成本約為85美元/MWh,部分國(guó)家太陽(yáng)能制氫技術(shù)發(fā)展比較成熟,可將該成本控制在17.5美元/MWh左右。風(fēng)能制氫平均成本約為55美元/MWh,部分國(guó)家在風(fēng)能制氫技術(shù)研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用上更為領(lǐng)先,可將該成本控制在23美元/MWh左右。光催化水制氫效率較低,未廣泛投入使用,因此成本尚不可估計(jì)。
 
  二、國(guó)內(nèi)綠氫生產(chǎn)成本
 
  目前國(guó)內(nèi)主流綠氫生產(chǎn)技術(shù)包括電解水制氫、熱解水制氫、光催化水制氫、生物質(zhì)氣化制氫、光伏制氫和核能制氫等,各綠氫技術(shù)路線的成本比較見表1。根據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)結(jié)果,隨著我國(guó)綠氫技術(shù)發(fā)展日趨成熟,2025年我國(guó)綠氫生產(chǎn)成本可控制在12.2元/公斤,2030年綠氫生產(chǎn)成本可下降至11.4元/公斤,至2060年綠氫生產(chǎn)成本可下降至9.63元/公斤。
 
  (一)電解水制氫
 
  1. 電解水制氫技術(shù)
 
  利用可再生能源進(jìn)行電解水制氫是目前眾多制氫技術(shù)方案中碳排放最低的工藝。目前,國(guó)內(nèi)電解水制氫技術(shù)主要有堿性水電解槽(AWE)、質(zhì)子交換膜水電解槽(PEM)、固體聚合物陰離子交換膜水電解(AEM)和固體氧化物水電解槽(SOE)等。
 
  2.電解水制氫成本結(jié)構(gòu)
 
  如果以正常工商業(yè)銷售電價(jià)計(jì)算并拆分電解水制氫的成本,我國(guó)電解水制氫成本約為5.42元/Nm3,具體包括資產(chǎn)折舊、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用(一般維護(hù)、電池組更換)、電費(fèi)(用電、過網(wǎng)費(fèi))。其中堿性水電解槽(AWE)制氫技術(shù)單位投資可達(dá)6000元/kW,年運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本占比為2.5%。質(zhì)子交換膜水電解槽(PEM)制氫技術(shù)單位投資可達(dá)12000元/kW,年運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本占比為2.5%。
 
  據(jù)IRENA對(duì)電解水制氫成本構(gòu)成的測(cè)算,電費(fèi)成本可達(dá)到3.68元/Nm3,占電解水制氫成本的67.90%左右;資本性開支為1.02元/Nm3,占總成本的18.82%;運(yùn)營(yíng)開支為0.69元/ Nm3,僅占總成本的12.73%左右;用水開支為0.03元/Nm3,僅占總成本0.56%。
 
  因此,電解水制氫最重要的成本在于電費(fèi)支出,用電的成本決定了氫氣的成本。若采用電解水制氫工藝降需要盡可能地壓低電費(fèi)成本。一般來講,每生產(chǎn)1Nm3氫氣約消耗電力3.5——5kWh,如果采用當(dāng)前市場(chǎng)銷售電價(jià)作為制氫成本,電解水制氫技術(shù)路線是沒有競(jìng)爭(zhēng)力的。但是,如果能夠使用到成本較低的電力用于制氫,即當(dāng)電解水制氫的綜合成本降低到約1元/Nm3的時(shí)候,該技術(shù)路線在經(jīng)濟(jì)性上就具有一定競(jìng)爭(zhēng)力。降低其他成本(如折舊、運(yùn)營(yíng)成本)則需要通過技術(shù)進(jìn)步、提升管理水平來降低。
 
  3. 電解水制氫降成本路徑
 
  電解水制氫降低成本路徑主要有兩條,一是降低過程能耗,提高電解效率,二是以低成本電價(jià)為制氫原料。就降低過程能耗看,堿性電解水制氫是最為成熟、產(chǎn)業(yè)化程度最廣的電解水制氫技術(shù),但其電解效率僅為60到75%,國(guó)外研發(fā)的PEM技術(shù)與SOEC技術(shù)均能有效提高電解效率。
 
  就降低電價(jià)看,與其他國(guó)家相比,我國(guó)工業(yè)電價(jià)位于中低水平。從工業(yè)用戶銷售電價(jià)看,2019年,35個(gè)國(guó)際經(jīng)合組織(OECD)國(guó)家的工業(yè)電價(jià)平均為0.908元/千瓦時(shí);我國(guó)工業(yè)用戶銷售平均電價(jià)為0.635元/千瓦時(shí),占35國(guó)平均水平的70%,在36個(gè)國(guó)家中列倒數(shù)第九位。相對(duì)較低的電價(jià)為我國(guó)發(fā)展電解水制氫提供了有利條件。
 
  (二)熱解水制氫
 
  1. 熱解水制氫技術(shù)
 
  熱解水制氫是指利用高溫?zé)崮軄碇苯域?qū)動(dòng)水分解制氫的工藝。目前熱解水制氫技術(shù)主要有核能制氫和高聚焦太陽(yáng)能制氫兩種。核能制氫技術(shù)是將核反應(yīng)堆與采用先進(jìn)制氫工藝的制氫廠耦合,大規(guī)模生產(chǎn)氫氣。核能技術(shù)已經(jīng)完成原理上可行性研究和驗(yàn)證,總體上處于試驗(yàn)階段或向試驗(yàn)前期過渡的階段。高聚太陽(yáng)能制氫是指利用太陽(yáng)能聚光器收集太陽(yáng)能直接加熱水,使其達(dá)到2500K(3000K以上)以上的溫度。該制氫方法存在高溫下氫氣和氧氣分離和高溫太陽(yáng)能反應(yīng)器材料選用問題,短期內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益也相對(duì)較低,難以商業(yè)化。
 
  2. 熱解水制氫成本結(jié)構(gòu)
 
  總體上看,受設(shè)備成本影響,熱解水制氫成本高于電解水制氫,核能制氫成本約為20到27元/公斤,太陽(yáng)能制氫成本約為13到27元/公斤。其成本主要包括運(yùn)營(yíng)費(fèi)用(一般維護(hù)、電池組更換)、資產(chǎn)折舊、電費(fèi)(用電、過網(wǎng)費(fèi))。熱解水制氫的經(jīng)濟(jì)效益顯著低于電解水制氫,近期內(nèi)難以推廣應(yīng)用。
 
  就核能制氫而言,單位投資可達(dá)17500元/kW,年運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本占比為8.0%,遠(yuǎn)高于其他綠氫生產(chǎn)技術(shù)。其中,氣冷堆設(shè)備成本非常高昂,因此目前純粹運(yùn)用核能制氫成本較高,經(jīng)濟(jì)性較差。
 
  就高聚焦太陽(yáng)能制氫而言,大量聚光鏡的制造費(fèi)用非常貴,且按照聚光鏡需占用大面積的土地,太陽(yáng)能跟蹤設(shè)備的投資費(fèi)用及技術(shù)要求都不是普通用戶可以承擔(dān)的。該制氫方法經(jīng)濟(jì)效益較差,短期內(nèi)難以商業(yè)化。
 
  3. 熱解水制氫降成本路徑
 
  設(shè)備投資和維護(hù)占熱解水制氫成本比例最大,建議優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備和實(shí)現(xiàn)設(shè)備批量生產(chǎn)以降低熱解水制氫成本。但鑒于冷氣堆設(shè)備和太陽(yáng)能捕捉跟蹤設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn),短期內(nèi)熱解水制氫成本下降空間比較有限。
 
  (二)光催化分解水制氫
 
  1. 光催化分解水制氫技術(shù)
 
  光催化分解水制氫的主要制氫原理是光照射到催化劑上發(fā)生誘導(dǎo)效應(yīng),由于光的能量大于催化劑禁帶的禁阻,價(jià)帶中的電子躍遷至導(dǎo)帶,產(chǎn)生電荷,在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴,電荷參加還原反應(yīng)生成氫氣,空穴參加氧化反應(yīng)生成氧氣。光催化水制氫理論上簡(jiǎn)單高效。但仍處于研發(fā)初期,存在催化劑研制困難和制氫效率低(約1%)等問題。
 
  2. 光催化分解水制氫成本結(jié)構(gòu)
 
  受設(shè)備成本影響,光催化水制氫售價(jià)遠(yuǎn)高于電解水制氫,約為33元/公斤左右,其成本可以分為太陽(yáng)能收集和跟蹤設(shè)備的購(gòu)買和安裝、催化劑、設(shè)備日常維護(hù)等。其中太陽(yáng)能收集和跟蹤設(shè)備的投資和維護(hù)是光催化水制氫的最主要部分。
 
  3. 光催化分解水制氫降成本路徑
 
  太陽(yáng)能收集和跟蹤設(shè)備的購(gòu)買和維護(hù)占光催化水制氫成本比例最大,建議優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備和實(shí)現(xiàn)設(shè)備批量生產(chǎn)以降低光催化水制氫成本。但太陽(yáng)能收集和跟蹤設(shè)備的購(gòu)買和安裝成本短期內(nèi)難以下降。同時(shí),光催化水制氫所需的催化劑研制優(yōu)化目前也進(jìn)入瓶頸期,購(gòu)買成本較高。因此,短期內(nèi)光催化水制氫成本下降空間非常有限。
 
  (三) 生物質(zhì)氣化制氫
 
  1. 生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)
 
  生物質(zhì)氣化制氫是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為一氧化碳、二氧化碳、氫氣和甲烷混合物,其工作原理與煤炭氣化非常相似。目前生物質(zhì)氣化制氫的局限性主要在于生物質(zhì)原料的預(yù)處理工藝復(fù)雜,且初產(chǎn)物雜質(zhì)較多,氫氣提純難度高,且制氫效率低下。
 
  2. 生物質(zhì)氣化制氫成本結(jié)構(gòu)
 
  生物質(zhì)氣化制氫的經(jīng)濟(jì)成本受原料影響,在9.7元/公斤到61.3元/公斤之間波動(dòng),單位投資可達(dá)9700元/kW,年運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本為4.1%。生物質(zhì)氣化制氫成本主要分為煤、生物質(zhì)原料、催化劑、水等物料成本以及設(shè)備購(gòu)買、安裝和日常維護(hù)等成本。
 
  3 . 生物質(zhì)氣化制氫降成本路徑
 
  在生物質(zhì)氣化制氫過程中,原料成本可下降空間最大,建議選用購(gòu)買或收集成本較低的原料以降低生物質(zhì)氣化制氫成本,如用農(nóng)作物廢棄物代替能源作物,降低原材料成本,從而控制綠氫生產(chǎn)技術(shù)成本。
 
  三、 綠氫生產(chǎn)成本比較和降成本路徑
 
  就生產(chǎn)成本看,電解水制氫成本最低,為5.42元/Nm3;生物質(zhì)氣化制氫成本波動(dòng)較大,最高可達(dá)61.3元/公斤。就單位投資看,堿性水電解槽(AWE)制氫單位投資額最低,為6000元/kW;核能制氫單位投資額最高,為17500元/kW。就年運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本占比看,堿性水電解槽(AWE)和質(zhì)子交換膜水電解槽(PEM)年運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本占比最低,為2.5%;核能制氫年運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本占比最高,可達(dá)8%。因此,從成本角度看,遠(yuǎn)景科技將綠氫生產(chǎn)成本控制在10元/公斤,這已經(jīng)處于國(guó)內(nèi)外綠氫生產(chǎn)企業(yè)的上游水平,在價(jià)格上較其他綠氫生產(chǎn)企業(yè)有更大的競(jìng)爭(zhēng)空間。
 
  分析各綠氫生產(chǎn)技術(shù)的成本結(jié)構(gòu),可總結(jié)出如下3個(gè)降成本路徑:
 
  一是使用較少的關(guān)鍵原材料,或改用相對(duì)便宜的原材料
 
  比如在生物質(zhì)氣化制氫過程中,用農(nóng)作物廢棄物代替能源作物,降低原材料成本,從而控制綠氫生產(chǎn)技術(shù)成本。
 
  二是降低設(shè)備使用和維護(hù)成本
 
  從設(shè)備設(shè)計(jì)和材料入手,提高綠氫生產(chǎn)設(shè)備的效率和耐久性,從而降低綠氫全生命周期生產(chǎn)成本。如優(yōu)化電解水制氫的的電解槽膜厚度來降低歐姆電阻(同時(shí)還需兼顧氣體滲透問題),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。
 
  三是增加生產(chǎn)規(guī)模來提升電解槽設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性
 
  通過執(zhí)行高通量、自動(dòng)化的制造工藝,降低每個(gè)組件的成本。提升生產(chǎn)規(guī)模可以帶來規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益,盡管由于大型設(shè)備制造限制、大型組件機(jī)械不穩(wěn)定、場(chǎng)地面積限制等問題,生產(chǎn)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)。
 
  原標(biāo)題:IIGF觀點(diǎn) | 綠氫降低成本路徑分析

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