張軒¹，王凱¹，樊昕曄¹，鄭麗君²

（1．中國石油技術(shù)開發(fā)有限公司，北京100028；2．中國石油石油化工研究院，北京102200）

　　摘要：氫能已成為未來能源發(fā)展的重要方向之一，被視為是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的必由之路。目前氫氣的主要來源以天然氣和煤等化石燃料為主，生產(chǎn)過程仍要排放大量二氧化碳。電解水所產(chǎn)氫氣被視為“綠氫”，被認(rèn)為是氫氣生產(chǎn)的最終方向，但目前“綠氫”成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于化石燃料制氫。通過分析堿性電解槽（AWE）和質(zhì)子交換膜電解槽（PEM）兩種主流電解技術(shù)的制氫成本，發(fā)現(xiàn)氫氣成本主要由設(shè)備折舊和電力成本兩部分組成。由此降本措施主要是降低這兩部分的成本，包括降低電價(jià)以降低電力成本，增加電解槽工作時(shí)間生產(chǎn)更多氫氣以攤薄折舊和其他固定成本，以及通過技術(shù)進(jìn)步和規(guī)?；a(chǎn)降低電解槽尤其是PEM電解槽的設(shè)備成本等。

　　近年來，隨著溫室氣體排放的加劇，全球氣溫持續(xù)變暖，氣候問題日益突出。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，全球主要國家于2016年簽訂了《巴黎氣候協(xié)定》，形成了氣候共識(shí)，并紛紛制定了二氧化碳減排計(jì)劃，我國于2020年宣布了自己的“雙碳目標(biāo)”，即2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和。為了實(shí)現(xiàn)這一政策目標(biāo)，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?yàn)槠淝鍧崯o污染、單位質(zhì)量能量密度高、可存儲(chǔ)、可再生、來源廣泛等優(yōu)勢，成為各國競相開發(fā)新能源的技術(shù)首選，甚至被稱為21世紀(jì)的“終極能源”[1]。氫氣目前主要作為工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)原料，廣泛應(yīng)用于各種化工行業(yè)，包括煉油、合成氨、合成甲醇等。由于近年來燃料電池技術(shù)的逐步成熟和燃料電池汽車的商業(yè)化推廣，氫氣作為動(dòng)力燃料的潛力日益受到各界重視，預(yù)計(jì)在2050年，其占到我國能源消費(fèi)比例將達(dá)到10%[2]，有望逐步取代傳統(tǒng)汽柴油，徹底改變?nèi)祟惖膭?dòng)力能源，促成第三次能源革命。

　　目前氫氣的生產(chǎn)主要來自于天然氣制氫或者煤制氫，生產(chǎn)過程中會(huì)有二氧化碳產(chǎn)生，屬于“灰氫”，而目前業(yè)界公認(rèn)的發(fā)展方向是“綠氫”，即氫氣生產(chǎn)過程中沒有二氧化碳產(chǎn)生。當(dāng)下綠氫主要的生產(chǎn)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(chǎn)設(shè)備是電解槽，按照電解質(zhì)不同，可將電解槽分為3類，即堿性電解槽（AWE）、質(zhì)子交換膜電解槽（PEM）、固體氧化物電解槽（SOEC），主要特點(diǎn)對(duì)比見表1[3]。

　　目前堿性電解槽和質(zhì)子交換膜電解槽已經(jīng)工業(yè)化，而固體氧化物電解槽尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，還未商業(yè)化，所以無法對(duì)其制氫成本進(jìn)行分析，下面主要對(duì)前兩種電解槽的制氫成本進(jìn)行量化分析。

　　1堿性電解槽

　　堿性電解水制氫技術(shù)目前發(fā)展的最為成熟，具有槽體結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、運(yùn)行壽命長、操作簡便、售價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，是市場上主要的電解制氫方式，廣泛應(yīng)用于冶金、醫(yī)藥、儲(chǔ)能、食品等行業(yè)。堿性電解槽由電極、電解液、隔膜組成，電解槽內(nèi)裝填電解質(zhì)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(chǎn)生氧氣，在陰極上產(chǎn)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(zhì)。電解槽中的隔膜通常為石棉，或者為高分子復(fù)合材料，電極一般采用鎳基金屬材料，產(chǎn)生的氫氣純度在99%以上，經(jīng)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(zhuǎn)化效率[4]。

　　一般堿性電解槽的成本與其制氫能力有關(guān)，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(tái)設(shè)備制氫能力從幾十到1000Nm³/h，價(jià)格從100萬～1000余萬元不等。其中1000Nm³/h的制氫能力是當(dāng)前堿性電解槽單臺(tái)設(shè)備制氫能力的上限，其價(jià)格在700萬～1000萬元之間。根據(jù)市場主要堿性電解槽廠家的報(bào)價(jià)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的制氫能力與其成本基本呈線性正相關(guān)關(guān)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(shè)備折舊、人工、運(yùn)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(jì)算公式，詳見式（1）。

　　制氫成本=電價(jià)×單位電耗+（每年折舊+每年運(yùn)維）/每年制氫總量+單位水耗×水價(jià)（1）

　　為了計(jì)算電解水制氫的具體成本，做出如下假設(shè)：①1000Nm³/h堿性電解槽成本850萬元，不含土地費(fèi)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(fèi)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(jià)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(hù)成本每年40萬元。結(jié)果見表2。

　　從表2可知，現(xiàn)有條件下的電解水制氫成本接近30元/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yōu)勢。從成本構(gòu)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(xiàng)就占到了總成本的90%以上。由于人工運(yùn)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(wǎng)電力則電解制氫的碳排放強(qiáng)度高于煤制氫和天然氣制氫[5]，不符合目前的“雙碳”政策導(dǎo)向，所以電解水應(yīng)該與光伏、風(fēng)電等可再生電力耦合，實(shí)現(xiàn)綠色制氫。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，至2035年和2050年光伏發(fā)電成本相比當(dāng)前預(yù)計(jì)約下降50%和70%，達(dá)到0.2元/kWh和0.13元/kWh。由此采用相同計(jì)算方法，計(jì)算不同電價(jià)條件下氫氣成本以及電費(fèi)成本在其中的比例，具體見圖2。

　　從圖2可知，隨著電價(jià)的降低，電解制氫成本也隨之降低，同時(shí)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(duì)光伏上網(wǎng)電價(jià)的預(yù)測準(zhǔn)確，則到2035年和2050年，電費(fèi)占比分別為60%和49%，制氫成本將會(huì)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[6－7]。如果未來疊加一定的政策補(bǔ)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(shè)備利用率。隨著氫能行業(yè)的發(fā)展，如果未來氫氣需求達(dá)到一定水平，并且可再生能源電力儲(chǔ)能取得突破，則可以通過延長電解槽工作時(shí)間，生產(chǎn)更多“綠氫”以攤薄其固定成本?？疾烀磕赀\(yùn)行時(shí)間2000～8000h下，在0.13元/kWh、0.2元/kWh、0.3元/kWh和0.4元/kWh電價(jià)條件下的制氫成本，結(jié)果見圖3。

　　從圖3可知，在不同電價(jià)條件下，隨著電解槽每年工作時(shí)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。結(jié)合電費(fèi)的降低和運(yùn)行時(shí)間的延長，如果到2030年和2050年，電費(fèi)分別為0.2元/kWh和0.13元/kWh，工作時(shí)間分別為4000h/a和8000h/a，則對(duì)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(bǔ)貼的條件下，使“綠氫”的生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)。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[8]，未來10年通過技術(shù)改進(jìn)和規(guī)模擴(kuò)張，可以降本40%，1000Nm³/h電解槽成本會(huì)降至500萬元，屆時(shí)制氫成本將下降5%～10%。此外，通過開發(fā)先進(jìn)性能的電極和隔膜材料，進(jìn)一步優(yōu)化槽體結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高其轉(zhuǎn)化效率，降低成本和能耗[9－10]。

　　2質(zhì)子交換膜電解槽

　　雖然堿性電解槽作為最為成熟的電解技術(shù)占據(jù)著主導(dǎo)地位，但由于堿性電解槽電解效率低，需要使用強(qiáng)腐蝕性堿液，氫氣需要脫除水和堿，難以快速啟動(dòng)和變載，同時(shí)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，且由于堿性電解槽的技術(shù)特點(diǎn)，以上缺點(diǎn)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。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[11]。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。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(yùn)行更加靈活（負(fù)荷范圍0～150%[12]）、更適合可再生能源的波動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)，很多新建電解制氫項(xiàng)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(shí)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(jì)算PEM電解槽制氫成本，做出如下假設(shè)：①1000Nm³/h的PEM電解槽成本3000萬元，不含土地費(fèi)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(fèi)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(jià)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(hù)成本每年40萬元。

　　從表3可知，按照相同的計(jì)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(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。不同電價(jià)條件下電力成本占比和氫氣成本的變化見圖4。

　　從圖4可知，隨著電費(fèi)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(dāng)電費(fèi)分別為0.13元/kWh和0.2元/kWh時(shí)，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(jià)格太貴，折舊成本太高。

　　通過對(duì)過去幾十年P(guān)EM電解槽的成本分析，根據(jù)學(xué)習(xí)率曲線，PEM電解槽的平均學(xué)習(xí)率為13%[13]，至2030年1000Nm³/h的PEM電解槽價(jià)格預(yù)計(jì)為1500萬元，至2050年約為500萬元。計(jì)算不同PEM電解槽成本對(duì)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(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(jià)格基準(zhǔn)大幅降低，但與堿性電解槽相比仍不具有價(jià)格優(yōu)勢。下面考察在不同電價(jià)和不同電解槽成本的組合條件下，即電價(jià)0.4元/kWh、電解槽成本3000萬元，電價(jià)0.3元/kWh、電解槽成本2000萬元，電價(jià)0.2元/kWh、電解槽成本1500萬元，電價(jià)0.13元/kWh、電解槽成本500萬元，運(yùn)行時(shí)間對(duì)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(shí)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(jì)電費(fèi)分別為0.2元/kWh和0.13元/kWh，工作時(shí)間分別為4000h/a和8000h/a，對(duì)應(yīng)PEM電解槽成本分別為1500萬元和500萬元，則對(duì)應(yīng)的制氫成本分別為1.41元/Nm³和0.72元/Nm³，對(duì)比目前制氫成本大大降低。雖然中期內(nèi)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(jì)會(huì)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(duì)較高，但隨著氫能行業(yè)的發(fā)展，氫氣需求的增加，以及技術(shù)的進(jìn)步，會(huì)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(huì)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(fù)載高等優(yōu)勢，PEM電解槽將是未來電解制氫的主流方向[14]。

　　3結(jié)語

　　電解水是“綠氫”生產(chǎn)的主要途徑，是氫能發(fā)展的必要技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要支柱，而電解槽是電解制氫的核心設(shè)備。通過對(duì)目前市場上主流的堿性電解槽和PEM電解槽的制氫成本進(jìn)行分析，得知目前電解制氫的成本仍然遠(yuǎn)高于化石能源制氫，沒有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，其成本主要由電解槽的設(shè)備折舊和電費(fèi)兩部分組成，合計(jì)達(dá)到90%以上。未來降本空間主要在于降低電價(jià)，增加電解槽的工作時(shí)間以攤薄折舊和其他固定成本，通過技術(shù)進(jìn)步和規(guī)?；a(chǎn)降低電解槽的投資成本（尤其對(duì)于PEM電解槽）等。隨著“雙碳”政策的不斷推進(jìn)和深化，可再生能源（如光伏、風(fēng)電等）電力成本的降低，氫燃料電池汽車的規(guī)?；茝V和氫能市場的逐漸成熟，市場對(duì)氫氣的需求將呈爆發(fā)式增長，雖然傳統(tǒng)的化石原料所生產(chǎn)的“灰氫”在中短期內(nèi)仍將占據(jù)市場主流，但通過“綠色”電力來電解水制氫將是未來低碳經(jīng)濟(jì)的主流方向，也是氫能發(fā)展的必經(jīng)之路。“綠氫”成本也必將隨著氫能的推廣和技術(shù)的進(jìn)步下降到可接受的水平，電解水會(huì)成為氫氣的主要來源，氫能社會(huì)的最終目標(biāo)也終將實(shí)現(xiàn)。