IIGF观点 | 绿氢降低成本路径分析

随着各国对排放要求的日益提高和全球能源危机的愈演愈烈，开发和应用清洁能源迫在眉睫，纷纷将绿氢技术研发和推广作为国家能源发展重点。各能源企业在国家号召下也纷纷开始试验商业化制氢和用氢。在4月20日的博鳌亚洲论坛上，远景科技集团CEO张雷宣布远景科技将和澳大利亚FMG集团合作开发绿氢，预计到2030年绿氢产量将达到1000万吨。远景科技CEO张雷表示，远景科技通过零碳产业园实现绿电绿氢开发融合，成功将绿氢生产成本控制在10元/公斤。绿氢产业能否发展起来取决于其相对于其他能源、灰氢和蓝氢的成本优势，其中绿氢生产成本是限制绿氢产业规模化发展的重要因素。因此本文主要通过分析国际绿氢生产成本水平、国内绿氢生产成本结构、降成本路径来探究远景科技的绿氢成本宣誓是否足以令人振奋。
　　一、国际绿氢生产成本
　　目前，各国普遍开始基于电解水制氢、热解水制氢、风能制氢和太阳能制氢等方法研究新能源制氢方法。电解水制氢平均成本约为6美元/公斤。在可实现完全商业化应用的基础上，热解水制氢平均成本约为1.3-2.2美元/公斤。生物质气化制氢成本约在4.8美元/公斤到6.1美元/公斤。太阳能制氢平均成本约为85美元/MWh，部分国家太阳能制氢技术发展比较成熟，可将该成本控制在17.5美元/MWh左右。风能制氢平均成本约为55美元/MWh，部分国家在风能制氢技术研发和商业化应用上更为领先，可将该成本控制在23美元/MWh左右。光催化水制氢效率较低，未广泛投入使用，因此成本尚不可估计。
　　二、国内绿氢生产成本
　　目前国内主流绿氢生产技术包括电解水制氢、热解水制氢、光催化水制氢、生物质气化制氢、光伏制氢和核能制氢等，各绿氢技术路线的成本比较见表1。根据权威机构的预测结果，随着我国绿氢技术发展日趋成熟，2025年我国绿氢生产成本可控制在12.2元/公斤，2030年绿氢生产成本可下降至11.4元/公斤，至2060年绿氢生产成本可下降至9.63元/公斤。　　(一)电解水制氢
　　1. 电解水制氢技术
　　利用可再生能源进行电解水制氢是目前众多制氢技术方案中碳排放最低的工艺。目前，国内电解水制氢技术主要有碱性水电解槽(AWE)、质子交换膜水电解槽(PEM)、固体聚合物阴离子交换膜水电解(AEM)和固体氧化物水电解槽(SOE)等。
　　2.电解水制氢成本结构
　　如果以正常工商业销售电价计算并拆分电解水制氢的成本，我国电解水制氢成本约为5.42元/Nm3，具体包括资产折旧、运营费用(一般维护、电池组更换)、电费(用电、过网费)。其中碱性水电解槽(AWE)制氢技术单位投资可达6000元/kW，年运营维护成本占比为2.5%。质子交换膜水电解槽(PEM)制氢技术单位投资可达12000元/kW，年运营维护成本占比为2.5%。　　据IRENA对电解水制氢成本构成的测算，电费成本可达到3.68元/Nm3，占电解水制氢成本的67.90%左右；资本性开支为1.02元/Nm3，占总成本的18.82%；运营开支为0.69元/ Nm3，仅占总成本的12.73%左右；用水开支为0.03元/Nm3，仅占总成本0.56%。
　　因此，电解水制氢最重要的成本在于电费支出，用电的成本决定了氢气的成本。若采用电解水制氢工艺降需要尽可能地压低电费成本。一般来讲，每生产1Nm3氢气约消耗电力3.5——5kWh，如果采用当前市场销售电价作为制氢成本，电解水制氢技术路线是没有竞争力的。但是，如果能够使用到成本较低的电力用于制氢，即当电解水制氢的综合成本降低到约1元/Nm3的时候，该技术路线在经济性上就具有一定竞争力。降低其他成本(如折旧、运营成本)则需要通过技术进步、提升管理水平来降低。
　　3. 电解水制氢降成本路径
　　电解水制氢降低成本路径主要有两条，一是降低过程能耗，提高电解效率，二是以低成本电价为制氢原料。就降低过程能耗看，碱性电解水制氢是最为成熟、产业化程度最广的电解水制氢技术，但其电解效率仅为60到75%，国外研发的PEM技术与SOEC技术均能有效提高电解效率。
　　就降低电价看，与其他国家相比，我国工业电价位于中低水平。从工业用户销售电价看，2019年，35个国际经合组织(OECD)国家的工业电价平均为0.908元/千瓦时；我国工业用户销售平均电价为0.635元/千瓦时，占35国平均水平的70%，在36个国家中列倒数第九位。相对较低的电价为我国发展电解水制氢提供了有利条件。
　　(二)热解水制氢
　　1. 热解水制氢技术
　　热解水制氢是指利用高温热能来直接驱动水分解制氢的工艺。目前热解水制氢技术主要有核能制氢和高聚焦太阳能制氢两种。核能制氢技术是将核反应堆与采用先进制氢工艺的制氢厂耦合，大规模生产氢气。核能技术已经完成原理上可行性研究和验证，总体上处于试验阶段或向试验前期过渡的阶段。高聚太阳能制氢是指利用太阳能聚光器收集太阳能直接加热水，使其达到2500K(3000K以上)以上的温度。该制氢方法存在高温下氢气和氧气分离和高温太阳能反应器材料选用问题，短期内经济效益也相对较低，难以商业化。
　　2. 热解水制氢成本结构
　　总体上看，受设备成本影响，热解水制氢成本高于电解水制氢，核能制氢成本约为20到27元/公斤，太阳能制氢成本约为13到27元/公斤。其成本主要包括运营费用(一般维护、电池组更换)、资产折旧、电费(用电、过网费)。热解水制氢的经济效益显著低于电解水制氢，近期内难以推广应用。
　　就核能制氢而言，单位投资可达17500元/kW，年运营维护成本占比为8.0%，远高于其他绿氢生产技术。其中，气冷堆设备成本非常高昂，因此目前纯粹运用核能制氢成本较高，经济性较差。
　　就高聚焦太阳能制氢而言，大量聚光镜的制造费用非常贵，且按照聚光镜需占用大面积的土地，太阳能跟踪设备的投资费用及技术要求都不是普通用户可以承担的。该制氢方法经济效益较差，短期内难以商业化。
　　3. 热解水制氢降成本路径
　　设备投资和维护占热解水制氢成本比例最大，建议优化生产设备和实现设备批量生产以降低热解水制氢成本。但鉴于冷气堆设备和太阳能捕捉跟踪设备难以实现大批量生产，短期内热解水制氢成本下降空间比较有限。
　　(二)光催化分解水制氢
　　1. 光催化分解水制氢技术
　　光催化分解水制氢的主要制氢原理是光照射到催化剂上发生诱导效应，由于光的能量大于催化剂禁带的禁阻，价带中的电子跃迁至导带，产生电荷，在价带中产生空穴，电荷参加还原反应生成氢气，空穴参加氧化反应生成氧气。光催化水制氢理论上简单高效。但仍处于研发初期，存在催化剂研制困难和制氢效率低(约1%)等问题。
　　2. 光催化分解水制氢成本结构
　　受设备成本影响，光催化水制氢售价远高于电解水制氢，约为33元/公斤左右，其成本可以分为太阳能收集和跟踪设备的购买和安装、催化剂、设备日常维护等。其中太阳能收集和跟踪设备的投资和维护是光催化水制氢的最主要部分。
　　3. 光催化分解水制氢降成本路径
　　太阳能收集和跟踪设备的购买和维护占光催化水制氢成本比例最大，建议优化生产设备和实现设备批量生产以降低光催化水制氢成本。但太阳能收集和跟踪设备的购买和安装成本短期内难以下降。同时，光催化水制氢所需的催化剂研制优化目前也进入瓶颈期，购买成本较高。因此，短期内光催化水制氢成本下降空间非常有限。
　　(三) 生物质气化制氢
　　1. 生物质气化制氢技术
　　生物质气化制氢是将生物质转化为一氧化碳、二氧化碳、氢气和甲烷混合物，其工作原理与煤炭气化非常相似。目前生物质气化制氢的局限性主要在于生物质原料的预处理工艺复杂，且初产物杂质较多，氢气提纯难度高，且制氢效率低下。
　　2. 生物质气化制氢成本结构
　　生物质气化制氢的经济成本受原料影响，在9.7元/公斤到61.3元/公斤之间波动，单位投资可达9700元/kW，年运营维护成本为4.1%。生物质气化制氢成本主要分为煤、生物质原料、催化剂、水等物料成本以及设备购买、安装和日常维护等成本。
　　3 . 生物质气化制氢降成本路径
　　在生物质气化制氢过程中，原料成本可下降空间最大，建议选用购买或收集成本较低的原料以降低生物质气化制氢成本，如用农作物废弃物代替能源作物，降低原材料成本，从而控制绿氢生产技术成本。
　　三、 绿氢生产成本比较和降成本路径
　　就生产成本看，电解水制氢成本最低，为5.42元/Nm3；生物质气化制氢成本波动较大，最高可达61.3元/公斤。就单位投资看，碱性水电解槽(AWE)制氢单位投资额最低，为6000元/kW；核能制氢单位投资额最高，为17500元/kW。就年运营维护成本占比看，碱性水电解槽(AWE)和质子交换膜水电解槽(PEM)年运营维护成本占比最低，为2.5%；核能制氢年运营维护成本占比最高，可达8%。因此，从成本角度看，远景科技将绿氢生产成本控制在10元/公斤，这已经处于国内外绿氢生产企业的上游水平，在价格上较其他绿氢生产企业有更大的竞争空间。
　　分析各绿氢生产技术的成本结构，可总结出如下3个降成本路径：
　　一是使用较少的关键原材料，或改用相对便宜的原材料
　　比如在生物质气化制氢过程中，用农作物废弃物代替能源作物，降低原材料成本，从而控制绿氢生产技术成本。
　　二是降低设备使用和维护成本
　　从设备设计和材料入手，提高绿氢生产设备的效率和耐久性，从而降低绿氢全生命周期生产成本。如优化电解水制氢的的电解槽膜厚度来降低欧姆电阻(同时还需兼顾气体渗透问题)，以提升电解效率，对多孔层传输层(PTL)、双极板流道等关键部件的结构优化，如优化孔隙率、孔径、厚度等PTL结构参数，采用三维网格结构流场等，以提升电解槽性能与寿命。
　　三是增加生产规模来提升电解槽设备的经济性
　　通过执行高通量、自动化的制造工艺，降低每个组件的成本。提升生产规模可以带来规模经济效益，尽管由于大型设备制造限制、大型组件机械不稳定、场地面积限制等问题，生产规模的提升范围有限，但仍旧可产生强大的经济效应。
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