我國新能源風(fēng)光發(fā)電制氫成本動(dòng)態(tài)測(cè)算

新能源發(fā)電制氫技術(shù)不斷成熟，制氫成本直接影響到氫能產(chǎn)業(yè)商業(yè)化推廣與應(yīng)用。針對(duì)電解水制氫技術(shù)方案投入與運(yùn)營(yíng)成本的變化，基于新能源產(chǎn)業(yè)風(fēng)光發(fā)電成本視角構(gòu)建了由堿性（ALK）電解槽+風(fēng)電、質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽+風(fēng)電、堿性（ALK）電解槽+光伏發(fā)電、質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽+光伏發(fā)電四種電解水制氫組合方案的成本動(dòng)態(tài)測(cè)算模型，并通過敏感性分析研究了相關(guān)因素對(duì)制氫成本的影響。結(jié)果表明：四組方案制氫成本在研究期內(nèi)（2017-2020）成本分別降低了13.95%、29.22%、19.55%和31.03%，2020年制氫成本分別為17.90元/kg、28.27元/kg、21.54元/kg和32.23元/kg，而能耗和發(fā)電成本是降低四種方案制氫成本最具備潛力的影響因素。同時(shí)，對(duì)比分析了其他電源及傳統(tǒng)化石能源制氫等不同制氫技術(shù)工藝的經(jīng)濟(jì)性，不同制氫情景下，制氫成本由低到高分別為煤制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫、天然氣制氫、煤制氫+碳捕獲收集（CCS）、ALK風(fēng)電制氫、甲醇制氫、ALK光伏制氫、ALK谷電制氫、PEM光伏制氫和PEM谷電制氫。核心內(nèi)容鑒于上市企業(yè)間發(fā)電成本的差異性，本文采用加權(quán)平均思想估算行業(yè)年度加權(quán)發(fā)電成本。電解水制氫具體成本構(gòu)成如圖1所示，單位制氫成本如表1所示。

圖1電解水制氫成本構(gòu)成

表1單位制氫成本計(jì)算公式相關(guān)電解水技術(shù)參數(shù)參考了IRENA發(fā)布的數(shù)據(jù)，根據(jù)其2017年歷史數(shù)據(jù)和2025年預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，假設(shè)ALK和PEM電解裝置技術(shù)參數(shù)按照一定的學(xué)習(xí)率進(jìn)行變化，計(jì)算ALK電解裝置的電耗、電池組使用壽命、電解裝置總系統(tǒng)成本、電解裝置運(yùn)維成本、電池組更換成本的學(xué)習(xí)率，其學(xué)習(xí)率分別為1.25%、-3.79%、13.13%、13.13%、13.46%，PEM電解裝置5個(gè)技術(shù)參數(shù)的學(xué)習(xí)率分別為3.39%、-7.29%、15.64%、15.64%、19.64%。PEM電解裝置技術(shù)參數(shù)的學(xué)習(xí)率要高于ALK，且電池組更換成本、電解裝置總系統(tǒng)成本及電解裝備運(yùn)維成本的下降趨勢(shì)最為顯著。最后，通過學(xué)習(xí)曲線估算2018-2020年ALK和PEM電解裝置的技術(shù)參數(shù)值，估算結(jié)果如表2所示。表220MW電解裝置技術(shù)參數(shù)估算結(jié)果與討論風(fēng)電和光伏發(fā)電的成本估算根據(jù)風(fēng)電企業(yè)與光伏發(fā)電企業(yè)的數(shù)據(jù)，基于上市公司的年度行業(yè)發(fā)電成本估算方法估算了2017-2020年我國風(fēng)電和光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的成本估算數(shù)據(jù)，如下圖所示。研究期內(nèi)發(fā)電成本呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì)，風(fēng)電平均成本從0.205元/kWh下降到0.194元/kWh，光伏發(fā)電成本從0.322元/kWh下降到0.268元/kWh。從發(fā)電成本范圍上可以看到，風(fēng)、光發(fā)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模、集中度及企業(yè)間的技術(shù)、資源、企業(yè)運(yùn)營(yíng)條件等差異顯著，以2020年為例，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)電規(guī)模不足風(fēng)電30%，風(fēng)電量前5家企業(yè)發(fā)電總量480.31億kWh，其占19家風(fēng)電企業(yè)總發(fā)電的59.43%，光伏發(fā)電量前5家企業(yè)發(fā)電總量182.03億kWh，其占17家光伏發(fā)電的總發(fā)電總量占80.12%。整體上看，研究期內(nèi)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的企業(yè)間發(fā)電成本差別較小，差異性要好于光伏發(fā)電行業(yè)，其測(cè)算結(jié)果區(qū)間差額在0.12元上下，而光伏發(fā)電行業(yè)則在0.28元以上。

圖2風(fēng)電和光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)電成本估算結(jié)果電解水技術(shù)的制氫成本構(gòu)成為體現(xiàn)整體風(fēng)力和光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)電-制氫一體化的真實(shí)制氫成本，選取上圖測(cè)算的風(fēng)力和光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)電成本為制氫環(huán)節(jié)的投入物成本，計(jì)算得2017-2020年我國ALK和PEM兩種電解水技術(shù)的制氫生產(chǎn)成本。從成本變化趨勢(shì)來看，由于電解槽技術(shù)與制造工藝的進(jìn)步以及新能源發(fā)電成本的逐步降低，成本處于不斷下降的趨勢(shì)。其中，ALK風(fēng)電制氫成本由2017年20.80元/kg降低到2020年的17.90元/kg，研究期內(nèi)成本降低了13.95%；PEM風(fēng)電制氫的成本下降趨勢(shì)則更加顯著，由2017年39.99元/kg降低到2020年的28.27元/kg，其成本降低了29.22%。類似的，2017年到2020年，ALK光伏和PEM光伏制氫成本分別降低19.55%和31.03%，但由于光伏發(fā)電成本要高于風(fēng)電發(fā)電成本，導(dǎo)致同等制氫技術(shù)下光伏制氫成本都高于風(fēng)電制氫成本，以2020年為例，光伏制氫成本比風(fēng)電制氫成本約高出了4元/kg。

圖32017-2020年ALK和PEM制氫成本構(gòu)成從成本構(gòu)成看，對(duì)于ALK風(fēng)電制氫方案中耗電成本為最大的成本支出，2020年其占到總成本的54.04%，其次是電解裝置的投資成本（約占14.36%）、儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)成本（約占12.53%）、電池組更換的大修費(fèi)（6.76%）和電解裝置運(yùn)行成本（6.00%）；在2017年，PEM風(fēng)電制氫技術(shù)中電解裝置的投資成本最高，而從2018年起，耗電成本占比最大，以2020年為例，耗電成本占37.25%，電解裝置的投資成本占27.95%，然后是電解裝置運(yùn)行成本（11.18%），電池組更換（8.88%），儲(chǔ)氫成本（7.94%）。類似的，ALK光伏制氫技術(shù)中電費(fèi)成本占高達(dá)61.80%，電解裝置的投資成本僅占11.93%，而PEM光伏制氫的耗電成本在2017-2020年高于電解裝置的投資成本，在2020年耗電成本占比為44.97%，電解裝置的投資成本占24.51%，不同于PEM風(fēng)電制氫技術(shù)?？傮w上，ALK制氫方案的電耗成本為最主要成本，PEM制氫成本是由耗電成本和電解裝置投資兩種成本共同構(gòu)成。多情景制氫工藝的成本比較本文研究的電解水制氫四種方案均采用發(fā)電成本電價(jià)，即制氫項(xiàng)目具有自備電源的條件，屬于“發(fā)電-制氫”一體化視角下的直接成本估算情形，但可再生能源出現(xiàn)難以消納、發(fā)電供應(yīng)不足或不具有自備電源的場(chǎng)景，發(fā)電成本價(jià)格可能采用上網(wǎng)電價(jià)。目前，我國所處地區(qū)及時(shí)段的上網(wǎng)電價(jià)差異巨大，為實(shí)現(xiàn)比較分析，通過加權(quán)平均方法計(jì)算波峰、波谷、平段三個(gè)階段的全國平均電價(jià)及其對(duì)應(yīng)的制氫成本，上網(wǎng)電價(jià)采用了全國各省市一般工商業(yè)峰谷電價(jià)（10千伏電壓等級(jí)下），下表給出了2020年不同時(shí)段電價(jià)情形的制氫成本。結(jié)果表明，利用ALK谷電制氫具有一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，云南、青海、新疆等部分地區(qū)成本可達(dá)到18元/kg水平，略低于ALK風(fēng)電的制氫成本；ALK谷電制氫平均成本為24.04元/kg，略高于ALK光伏制氫成本；其它時(shí)段的電價(jià)及PEM技術(shù)的制氫成本不具備經(jīng)濟(jì)性。表32020年不同時(shí)段上網(wǎng)電價(jià)（電解水制氫耗電成本）下圖展示了2020年不同場(chǎng)景和不同工藝制氫的主要投入物成本（化石能源投入物、CCS或用電成本投入）和制氫總體成本，其中氣泡重心分別表示生產(chǎn)投入物成本與平均制氫成本（采用行業(yè)年度加權(quán)發(fā)電成本），氣泡直徑大小代表制氫成本取值范圍（依據(jù)行業(yè)發(fā)電成本范圍測(cè)算）。不同技術(shù)場(chǎng)景的單位制氫成本從低到高看，大致可以分為3個(gè)區(qū)間。第一區(qū)間在25元/kg以下，煤制氫單位成本為9.04元/kg，其中原料成本占75.00%左右（煤炭?jī)r(jià)格取600元/t），工藝成熟且最具經(jīng)濟(jì)性。工業(yè)副產(chǎn)氫與天然氣制氫工藝也同樣比較成熟，工業(yè)副產(chǎn)氫（以焦?fàn)t煤氣制氫為例）單位成本為12.39元/kg，其中原料成本占80%左右（焦?fàn)t煤氣價(jià)格取0.5元/m3，天然氣制氫單位成本為13.48元/kg，其中原料成本占80%左右（天然氣價(jià)格取2.5元/m3）。其次是煤制氫CCS與ALK風(fēng)電，兩種方案成本接近，煤制氫CCS技術(shù)單位制氫成本較煤制氫單位成本提高5~8元/kg。甲醇制氫單位成本為22.39元/kg，其中原料成本為17.74元/kg（甲醇價(jià)格取2.2元/kg），與ALK光伏、ALK谷電技術(shù)的單位制氫成本相當(dāng)。第二區(qū)間是單位制氫成本在25元/kg到50元/kg之間，排序分別為PEM風(fēng)電、PEM光伏、PEM谷電和ALK平電。第三區(qū)間單位制氫成本均大于50元/kg，平電和峰電情形下的ALK和PEM制氫都不具備經(jīng)濟(jì)性。

圖42020年不同技術(shù)或場(chǎng)景的制氫成本對(duì)比分析根據(jù)圖4中氣泡半徑大小，可以發(fā)現(xiàn)煤制氫、ALK與PEM直接利用風(fēng)電制氫方案的制氫成本變化區(qū)間最小，其次是煤制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫、天然氣制氫、煤制氫CCS，其單位制氫成本的波動(dòng)低于10元，甲醇制氫單位制氫成本的波動(dòng)與ALK光伏、ALK谷電、PEM光伏、PEM谷電方案同處于在20元以內(nèi)，而平電與峰電情形的電解制氫方案的單位波動(dòng)基本超過了20元。造成波動(dòng)的原因主要為技術(shù)的成熟程度與制備過程中主要投入成本，選擇斜率k=1.33（黃線）和1.85（藍(lán)線）兩條直線，分別過最具成本優(yōu)勢(shì)的化石能源煤制氫與ALK風(fēng)電電解水制氫方案的氣泡重心，可辨識(shí)不同制氫方案技術(shù)與投入物在制氫成本結(jié)構(gòu)中的比重?；茉粗茪涞臍馀葜匦幕咎幱邳S線以下，說明了煤制氫投入物煤炭的價(jià)格經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，而天然氣也同樣具備一定的低成本優(yōu)勢(shì)。風(fēng)電與光伏發(fā)電一體化制氫的四個(gè)組合方案的氣泡重心大都處于黃線上或遠(yuǎn)離黃線上方，說明發(fā)電技術(shù)和制氫技術(shù)都是導(dǎo)致制氫成本高的重要因素。同時(shí)，風(fēng)電、光伏和谷電的PEM制氫的組合方案在藍(lán)線的上方，主要是PEM裝備投入高造成的，體現(xiàn)了低成本發(fā)電情形下PEM技術(shù)的不成熟；藍(lán)線下方包括了ALK光伏、ALK谷電、石化能源制氫方案和平電與峰電電解水制氫方案，其中，ALK光伏、ALK谷電及平電與峰電電解水制氫方案的制氫成本主要受發(fā)電成本高的影響，石化能源制氫方案相對(duì)新能源制氫技術(shù)其成本關(guān)鍵在于投入物成本或CCS技術(shù)。

通過梳理相關(guān)文獻(xiàn)中制氫技術(shù)的單位制氫成本。測(cè)算方法主要采用了成本分解法。在投入物要素基本一致的場(chǎng)景下，不同的研究中單位制氫成本存在差異性，本文對(duì)電解水制氫的單位成本估算結(jié)果略低，說明本文研究方法更加體現(xiàn)規(guī)?；庐a(chǎn)業(yè)整體成本。根據(jù)與下表中文獻(xiàn)研究結(jié)果對(duì)標(biāo)分析，本文4類制氫方案的平均制氫成本的研究誤差分布在5.79~43.59%，整體研究平均誤差為25.37%。整體上，相關(guān)投入物單價(jià)差異大，且以具體項(xiàng)目開展的測(cè)算的相關(guān)文獻(xiàn)研究體現(xiàn)了項(xiàng)目個(gè)體的差異性特征，但難以體現(xiàn)產(chǎn)業(yè)整體制氫成本水平。

表4相關(guān)文獻(xiàn)制氫技術(shù)單位制氫成本對(duì)比根據(jù)公開信息，本文對(duì)比了商業(yè)化投產(chǎn)項(xiàng)目的制氫成本，如下表所示，本文計(jì)算的2020年平均電解水制氫成本的研究誤差分別為+6.63元/kg、+8.95元/kg和12.1元/kg，表明相對(duì)較大差別仍然是投入物成本造成的，除去投資方案差異性，用電成本為影響實(shí)際項(xiàng)目制氫成本的主要因素。綜上，投入物成本是具體項(xiàng)目制氫成本的關(guān)鍵因素，也是本文測(cè)算方法的關(guān)鍵參數(shù)，下面討論相關(guān)影響。表5投產(chǎn)ALK項(xiàng)目制氫成本制氫成本敏感性分析為了進(jìn)一步討論技術(shù)及投入物對(duì)ALK與PEM制氫成本的影響，依據(jù)圖3中制氫成本的構(gòu)成，選取風(fēng)電或光伏發(fā)電成本（即制氫耗電成本）、電解裝置總系統(tǒng)成本、電耗、電池組使用壽命、電解裝置運(yùn)維成本、電池組更換成本、儲(chǔ)氫成本為重要影響因素，對(duì)2020年兩種技術(shù)制氫成本開展敏感性分析，如圖5所示。從圖中可以直觀地判斷出上述7個(gè)因素對(duì)于單位制氫成本的敏感性程度，影響因素的斜率絕對(duì)值越大，表示該因素對(duì)單位制氫成本越敏感。

電耗和電池組使用壽命對(duì)ALK與PEM制氫成本的影響最敏感，其次是風(fēng)電或光伏發(fā)電成本和電解裝置總系統(tǒng)成本，且電池組使用壽命與單位制氫成本呈負(fù)相關(guān)，電耗及其他因素與單位制氫成本呈正相關(guān)。而電池組使用壽命的改進(jìn)更多取決于新材料、新工藝等顛覆性技術(shù)革新，難以實(shí)現(xiàn)，電耗的技術(shù)進(jìn)步相對(duì)于使用壽命的提升更加具有潛力，是未來ALK與PEM制氫成本下降的重要科技攻關(guān)方向。

根據(jù)圖5所示，當(dāng)電耗下降30%，4類制氫方案的制氫成本下降的比率在24.74~27.08%；盡管發(fā)電成本的敏感度低于電耗的技術(shù)影響，但發(fā)電成本下降對(duì)于降低制氫成本仍具有一定顯著作用，特別是對(duì)于相對(duì)成熟的ALK制氫技術(shù)來說，當(dāng)發(fā)電成本下降30%，風(fēng)電制氫成本可下降16.21%，光伏制氫成本可下降18.54%；電解裝置總系統(tǒng)成本主要作用于PEM制氫方案，當(dāng)其下降30%，風(fēng)電和光伏發(fā)電制氫成本可下降12.83%和11.25%，而對(duì)于ALK兩種電源方案，電解裝置總系統(tǒng)成本的影響僅分別為6.59%和5.48%。電解裝置運(yùn)維成本、電池組更換成本、儲(chǔ)氫成本對(duì)4類制氫方案的制氫成本影響僅為1.43~3.76%，敏感性較低?？傮w上看，電解裝置在能耗、使用壽命等制造或材料方面的技術(shù)進(jìn)步，及投入物成本（發(fā)電成本）的降低是未來電解水制氫成本下降的關(guān)鍵因素，但制氫設(shè)備生產(chǎn)規(guī)模化效應(yīng)對(duì)ALK技術(shù)的制氫成本作用不顯著，下降空間有限。

圖5風(fēng)能和光伏電解水制氫技術(shù)敏感性分析結(jié)論1）建立年度的發(fā)電成本動(dòng)態(tài)估算方法，相比采用具體技術(shù)工藝或案例項(xiàng)目的度電發(fā)電成本測(cè)算方法，該方法突出年度的特征以及產(chǎn)業(yè)的代表性和整體性。本文通過遴選23家新能源發(fā)電的上市公司，分別基于2017-2020年上市企業(yè)發(fā)電成本數(shù)據(jù)加權(quán)測(cè)算了風(fēng)電和光伏發(fā)電行業(yè)的年度發(fā)電成本。研究期內(nèi)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電成本正在保持不斷下降的發(fā)展趨勢(shì)，并且逐漸具備與傳統(tǒng)火電競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)，為電解水制氫的發(fā)展提供了必要條件。

2）以風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的成本價(jià)格為投入電價(jià)，基于成本分解法估算了ALK和PEM兩種電解水制氫成本，結(jié)果顯示ALK較PEM制氫具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。技術(shù)方面，新能源領(lǐng)域發(fā)電技術(shù)不斷成熟，研究期內(nèi)的制氫成本不斷下降；此外，ALK電解水制氫技術(shù)已