堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽誰制氫成本更低？綠氫制備路在何方

電解水制氫是未來最有發(fā)展?jié)摿Φ木G色氫能供應(yīng)方式，在“雙碳”背景下，電解水制氫項目已經(jīng)成為市場關(guān)注的熱點話題。根據(jù)《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書（2020）》預(yù)測，2030年中國氫氣需求量達3715萬噸，2050年達9690萬噸。有分析認為，電解水制氫將逐步作為中國氫能供應(yīng)的主體，在氫能供給結(jié)構(gòu)的占比將在2040、2050年分別達到45%、70%。按照IRENA的預(yù)測，到2030年，全球可再生能源制氫裝機量將達到100GW，僅僅歐洲就將達到40GW的裝機量。從產(chǎn)業(yè)鏈分布看，制氫、燃料電池、儲氫等氫能裝備齊頭并進，是產(chǎn)業(yè)投資最活躍領(lǐng)域，投資占比超過80%。其中，制氫環(huán)節(jié)在項目數(shù)量、投資規(guī)模上均占比最高，也是上市公司參與較多的環(huán)節(jié)。A股上市公司中除了寶豐能源（600989），A股中還有部分上市公司也在布局電解水制氫項目，例如“硅片龍頭”隆基股份（601012.SH）、陽光電源（300274.SZ）、先導(dǎo)智能（300450.SZ）等。目前，氫氣的制取主要有三種主流的技術(shù)路線：以煤炭、石油、天然氣為代表的化石能源重整制氫（灰氫），以焦爐煤氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)物提純制氫（藍氫）；以電解水制氫為代表的可再生能源制氫（綠氫）。電解水制氫技術(shù)主要有四種：堿性水電解（Alkaline,ALK）、質(zhì)子交換膜水電解（PEM）、陰離子交換膜電解(AEM)和固體氧化物水電解（SOE），國內(nèi)目前成熟商業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)是堿性水電解制氫（ALK),處于示范應(yīng)用的是質(zhì)子交換膜電解（PEM),SOE電解水技術(shù)和陰離子交換膜電解(AEM)更多處于實驗室研發(fā)階段。一、堿性電解槽(AWE)制氫成本分析AWE制氫技術(shù)發(fā)展的最為成熟，具有槽體結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、運行壽命長、操作簡便、售價低廉等優(yōu)點，是市場上主要的電解制氫方式。一般而言，堿性電解槽的成本與其制氫能力成正比關(guān)系：制氫能力越大，成本越高。目前國內(nèi)市場在售的堿性電解槽單臺設(shè)備制氫能力從幾十到1000Nm3/h不等，價格從100萬～1000余萬元也不等。圖表1列示了MW堿性電解槽的成本組成。圖表1

MW堿性電解槽的成本組成根據(jù)制氫過程的固定成本和變動成本結(jié)構(gòu)，給出制氫成本公式如下：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×水價為方便計算電解水制氫的具體成本，做出如下假設(shè):（1）1000Nm3/h堿性電解槽成850萬元，不含土地費用、土建和設(shè)備安裝150萬元;（2）每1m3氫氣消耗原料水0.001t，冷卻水0.001t水費5元/t;（3）設(shè)備折舊期10a，土建及安裝折舊期20a，采用直線折舊，無殘值，設(shè)備每年折舊10%，土建和安裝每年折舊5%（4）工業(yè)用電價格0.4元/kWh，每1m3氫氣耗電5kWh;（5）每年工作2000h，每年制氫200萬Nm3;（6）人工成本和維護成本每年40萬元。測算結(jié)果見圖表2。從圖表2可知，現(xiàn)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。圖表2堿性電解槽制氫成本分析元/Nm3數(shù)據(jù)來源：電解水制氫成本分析從成本構(gòu)成分析，電耗成本最高，占到74%;折舊成本占到18%，這兩項占到了總成本的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。根據(jù)國家發(fā)改委的《中國2050年光伏發(fā)展展望(2019)》的預(yù)測，2035年和2050年光伏發(fā)電成本預(yù)計約下降50%和70%，達到0.2元/kWh和0.13元/kWh。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(wǎng)電價的預(yù)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。如果加上政策補貼，則電解制氫的成本將有可能等于乃至低于化石能源制氫。增加設(shè)備利用率是降低成本的第二條路徑。考慮未來氫氣需求放量，可再生能源電力儲能取得突破情況下，也可以通過延長電解槽工作時間，生產(chǎn)更多“綠氫”以攤薄其固定成本。圖表3不同條件下制氫成本與電解槽工作時間的關(guān)系1—0.13元/kWh;2—0.2元/kWh;3—0.3元/kWh;4—0.4元/kWh來源：電解水制氫成本分析從圖表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2000h提升至8000h后，單位氫氣成本平均降低30%以上。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/a和8000h/a，則對應(yīng)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(chǎn)成本接近和低于“灰氫”。降低電解槽采購成本和提升電解槽效率也是降成本方向。由于堿性電解槽工藝技術(shù)已經(jīng)十分成熟，很難通過技術(shù)革新降低成本，根據(jù)預(yù)測未來10年通過技術(shù)改進和規(guī)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(fā)先進性能的電極和隔膜材料，進一步優(yōu)化槽體結(jié)構(gòu)，可以進一步提高其轉(zhuǎn)化效率，降低成本和能耗。二、質(zhì)子交換膜電解槽(PEM)制氫成本分析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，難快速啟動和變載，同時無法快速調(diào)節(jié)制氫的速度，因而與可再生能源發(fā)電的適配性較差，在堿性電解槽的技術(shù)方向，以上缺點難以克服，所以近年來質(zhì)子交換膜電解槽(PEM)日益受到人們的重視。圖表4

PEM電解槽的截面示意圖1-質(zhì)子交換膜，2/2’-催化層，3/3’-多孔傳遞層，4/4’-隔板和流道，5/5’-端板質(zhì)子交換膜電解槽采用高分子聚合物質(zhì)子交換膜替代了堿性電解槽中的隔膜和液態(tài)電解質(zhì)，具有離子傳導(dǎo)和隔離氣體的雙重作用。PEM電解槽結(jié)構(gòu)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(yīng)場所，由質(zhì)子交換膜和陰陽極催化劑組成。圖表5

PEM電解槽的成本組成來源：“雙碳”目標下電解制氫關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用進展相比于堿性電解槽，PEM電解槽具有反應(yīng)無污染、氫氣無需分離堿液、轉(zhuǎn)化效率高、能耗低、槽體結(jié)構(gòu)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(yōu)點，很多新建電解制氫項目開始選擇PEM電解槽技術(shù)。但由于PEM電解技術(shù)商業(yè)化時間不長，質(zhì)子交換膜和鉑電極催化劑等關(guān)鍵組件成本較高，導(dǎo)致PEM電解槽制造成本較高，為相同規(guī)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(shè):（1）1000Nm3/h的PEM電解槽成本3000萬元，不含土地費用，土建和設(shè)備安裝200萬元;（2）每1m3氫氣消耗原料水0.001t，冷卻水0.001t，水費5元/t;（3）設(shè)備折舊期10a，土建及安裝折舊期20a，采用直線折舊，無殘值，設(shè)備每年折舊10%，土建和安裝每年折舊5%;（4）工業(yè)用電價格0.4元/kWh，每1m3氫氣耗電4.5kWh;（5）每年工作2000h，每年制氫200萬m3;（6）人工成本和維護成本每年40萬元。圖表6PEM電解槽的制氫成本分析元/Nm3數(shù)據(jù)來源：電解水制氫成本分析從圖表6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，主要是PEM電解槽采購成本太高，每年的折舊成本太高。設(shè)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。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本相比，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P(guān)EM電解槽的成本分析，PEM電解槽的平均學(xué)習(xí)率為13%，至2030年1000Nm3/h的PEM電解槽價格預(yù)計為1500萬元，至2050年約為500萬元。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(shè)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(shè)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(yōu)勢。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7。圖表7不同條件下制氫成本與電解槽工作時間的關(guān)系1—0.13元/kWh－500萬;2—0.2元/kWh－1500萬3—0.3元/kWh－2000萬;4—0.4元/kWh－3000萬來源：電解水制氫成本分析從圖表7可以看出，隨著電解槽工作時間的延長，氫氣產(chǎn)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(yù)計電費分別為0.2元/kWh和0.13元/kWh，工作時間分別為4000h/a和8000h/a，對應(yīng)PEM電解槽成本分別為1500萬元和500萬元，則對應(yīng)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。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(yù)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(shè)備成本過高，制氫成本相對較高，但隨著氫氣需求增加，以及技術(shù)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(chǎn)氫數(shù)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(guī)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(qū)PEM電解槽優(yōu)勢更加明顯，結(jié)合其效率高、能耗少、響應(yīng)快、負載高等優(yōu)勢，PEM電解槽有望成為未來電解制氫的主流方向。三、制氫成本分析結(jié)論和發(fā)展方向PEM水電解制氫已步入商業(yè)化早期，制約技術(shù)大規(guī)模發(fā)展的瓶頸在于膜電極選用被少數(shù)廠家壟斷的質(zhì)子交換膜，陰、陽極催化劑材料需采用貴金屬以及電解能耗仍然偏高。解決上述難題是PEM水電解制氫技術(shù)進一步發(fā)展與推廣的關(guān)鍵。但是從投資成本和運行成本來看，與傳統(tǒng)化石能源制氫（灰氫、藍氫）相比，無論是堿性電解槽還是PEM電解槽仍然有很大的成本下降空間。PEM電解槽更是比堿性電解槽貴超過50-60%以上，給這些非化石能源制氫技術(shù)的市場滲透造成了很大的障礙。當考慮到經(jīng)濟規(guī)模，自動化，零部件供應(yīng)商增加，大規(guī)模市場需求，能源存儲的大量部署應(yīng)用等這些因素，堿性電解槽和PEM電解槽都被認為還有很大的成本下降空間。其中，電解槽的設(shè)備折舊和電費兩部分合計達到成本的90%以上。但從產(chǎn)品和運營層面討論，未來降本空間在于降低電價，增加電解槽的工作時間，降低設(shè)備采購成本，以攤薄折舊和其他固定支出成本；通過技術(shù)進步和規(guī)?；a(chǎn)，也可以降低電解槽的投資成本(尤其對于PEM電解槽)