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1美元/kg的绿氢是否能够实现?-凯发登录首页

2023-11-18 来源:香橙会研究院 浏览数:96

根据美国能源部(doe)设定的目标,到2030年,可再生氢的生产成本需要降至每千克1美元。电解水制氢有四种主要技术路线:alk、pem、soec和aem。其中,alk和pem已经进入了商业化应用阶段。那么,这两者的制氢成本是多少?成本构成又是怎样的?1美元/千克的氢气目标能否实现?这些问题的答案将为降低绿氢成本和提高效率指明方向。

 根据美国能源部(doe)设定的目标,到2030年,可再生氢的生产成本需要降至每千克1美元。电解水制氢有四种主要技术路线:alk、pem、soec和aem。其中,alk和pem已经进入了商业化应用阶段。那么,这两者的制氢成本是多少?成本构成又是怎样的?1美元/千克的氢气目标能否实现?这些问题的答案将为降低绿氢成本和提高效率指明方向。
 
一、alk和pem水电解制氢系统基准数据
 
以装机20mw、年有效运行时间4000h的电解水制氢厂为基础进行测算(不含土建)。电解水设备参数取目前市场水平:alk水电解系统150万元/mw、制氢能耗5kwh/nm3、使用寿命80000h、维护费用每年为设备成本的5%;pem水电解系统700万元/mw、制氢能耗5kwh/nm3、使用寿命40000h、维护费用每年为设备成本的1%。
 
表 1:alk和pem水电解制氢系统基准数据
 
 
二、alk和pem水电解制氢系统制氢成本
 
基于一个装机20mw、年有效运行时间4000小时的电解水制氢厂进行测算(不包括土建费用)。在电解水设备参数方面,我们参考目前的市场水平:alk水电解系统每兆瓦(mw)150万元,制氢能耗为5千瓦时(kwh)/标准立方米(nm³),使用寿命为80,000小时,维护费用为每年设备成本的5%;pem水电解系统每兆瓦(mw)700万元,制氢能耗为5千瓦时(kwh)/标准立方米(nm³),使用寿命为40,000小时,维护费用为每年设备成本的1%。
 
表 2:alk和pem水电解制氢成本
 
 
根据以上基准数据,我们计算得出alk和pem制氢成本分别为21.55元/kg和29.89元/kg。具体到电解水设备的各个细分环节,我们发现以下几点:
 
电解水设备是导致alk和pem制氢成本差距较大的主要原因。pem制氢成本是alk的4.7倍。这种差距主要来源于设备价格和维护费用的差异。
 
pem产氢压力高,使用维护方便,因此在储氢设施和维护费用上低于alk。这进一步缩小了考虑土建后的成本劣势。
 
pem占地面积小,与alk相比,其成本劣势将进一步缩小。
 
综上所述,电解水设备的选择对制氢成本具有重要影响。在制定降低绿氢成本和提高效率的策略时,需要综合考虑设备价格、使用寿命、维护费用以及储氢设施等因素。
 
 
图 1:alk和pem各环节制氢成本占比
 
三、单因素敏感性分析
 
对alk和pem电解水制氢成本主要影响因素进行单因素敏感性分析。分析结果显示,系统能耗和电价对制氢成本的影响最大。其中,能耗直接影响用电量的多少,与定性分析中两者具有较大相关性的结论相符。在alk中,设备成本对制氢成本的影响最低;而在pem中,设备成本对制氢成本的影响仍然较大。这可能与pem设备通常比alk设备更昂贵有关。此外,系统年生产时间的敏感系数大于单因素变化率。这意味着,即使某个因素的变化率较小,它对制氢成本的影响也可能较大。因此,在制定降低绿氢成本和提高效率的策略时,需要综合考虑各种因素,并找出对成本影响最大的因素进行重点优化。
 
表 3:alk和pem水电解制氢成本敏感因素分析
 
 
资料来源:香橙会研究院
 
四、alk水电解系统不同因素下的制氢成本
 
2021年中国碱性电解槽出货量占比高达97%,2022年占比95%,预计2023年全年占比93%。由于具有较大的成本优势和技术成熟度,alk水电解制氢系统在市场上占据主导地位。结合先前的成本构成、敏感性分析和现实应用场景,电力价格和年生产时间被视为影响未来制氢成本的主要因素。当电价低于0.1元/kwh时,制氢成本均在15元/kg以内。而当电价低于0.2元/kwh且年运行时间超过4000小时时,制氢成本将控制在20元/kg以内。这些数据为降低绿氢成本和提高效率提供了方向,并强调了电力价格和年生产时间在其中的关键作用。
 
表 4:不同电价和年生产时间场景下制氢成本(元/kg)
 
 
资料来源:香橙会研究院
 
五、结论与讨论
 
1、目前,alk制氢系统在成本上相较于pem具有明显优势。这主要归功于pem设备成本比alk高出4-5倍,同时在使用寿命上也存在较大差距。
 
2、不论是alk还是pem制氢系统,电力成本都占据了主要部分,占比在50-80%之间。因此,降低绿氢成本的关键因素之一是降低绿色电力成本。这需要依赖我国西部、北部风光资源丰富地区以及东部海上风电地区的支持。
 
3、在敏感性分析中,年运行时间、设备成本、系统能耗和电价等都是降低绿氢成本的有效途径。其中,降低系统能耗和电价对绿氢成本的降低最为有效。
 
4、在alk制氢系统中,当电价低于0.1元/kwh时,制氢成本在15元/kg以内;若电价低于0.2元/kwh且年运营时间达到4000小时以上时,制氢成本同样在15元/kg以内。而当年运营时间达到8000小时时,制氢成本则可降低至8.52元/kg。
 
5、预计未来绿氢成本的降低将是技术进步、效率提高、规模化生产等多因素共同作用的结果。然而,根据事物发展规律,绿氢平价的到来并非是按部就班的发展,而是需要某些因素的突破来迎接这个时间节点。因此,行业内的相关人士需要时刻关注这些因素的发展,随时准备迎接平价时代的到来。
阅读上文 >> 中美气候联合声明发布,将进一步刺激全球氢能事业
阅读下文 >> 工信部人才中心-关于开举办“十四五”绿氢-储能-氢化工(产学研)融合发展暨岗位能力提升高级培训班的通知

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