隨著各國對排放要求的日益提高和全球能源危機的愈演愈烈，開發(fā)和應(yīng)用清潔能源迫在眉睫，紛紛將綠氫技術(shù)研發(fā)和推廣作為國家能源發(fā)展重點。各能源企業(yè)在國家號召下也紛紛開始試驗商業(yè)化制氫和用氫。在4月20日的博鰲亞洲論壇上，遠景科技集團CEO張雷宣布遠景科技將和澳大利亞FMG集團合作開發(fā)綠氫，預(yù)計到2030年綠氫產(chǎn)量將達到1000萬噸。遠景科技CEO張雷表示，遠景科技通過零碳產(chǎn)業(yè)園實現(xiàn)綠電綠氫開發(fā)融合，成功將綠氫生產(chǎn)成本控制在10元/公斤。綠氫產(chǎn)業(yè)能否發(fā)展起來取決于其相對于其他能源、灰氫和藍氫的成本優(yōu)勢，其中綠氫生產(chǎn)成本是限制綠氫產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的重要因素。因此本文主要通過分析國際綠氫生產(chǎn)成本水平、國內(nèi)綠氫生產(chǎn)成本結(jié)構(gòu)、降成本路徑來探究遠景科技的綠氫成本宣誓是否足以令人振奮。
一、國際綠氫生產(chǎn)成本
目前，各國普遍開始基于電解水制氫、熱解水制氫、風(fēng)能制氫和太陽能制氫等方法研究新能源制氫方法。電解水制氫平均成本約為6美元/公斤。在可實現(xiàn)完全商業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)上，熱解水制氫平均成本約為1.3-2.2美元/公斤。生物質(zhì)氣化制氫成本約在4.8美元/公斤到6.1美元/公斤。太陽能制氫平均成本約為85美元/MWh，部分國家太陽能制氫技術(shù)發(fā)展比較成熟，可將該成本控制在17.5美元/MWh左右。風(fēng)能制氫平均成本約為55美元/MWh，部分國家在風(fēng)能制氫技術(shù)研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用上更為領(lǐng)先，可將該成本控制在23美元/MWh左右。光催化水制氫效率較低，未廣泛投入使用，因此成本尚不可估計。
二、國內(nèi)綠氫生產(chǎn)成本
目前國內(nèi)主流綠氫生產(chǎn)技術(shù)包括電解水制氫、熱解水制氫、光催化水制氫、生物質(zhì)氣化制氫、光伏制氫和核能制氫等，各綠氫技術(shù)路線的成本比較見表1。根據(jù)權(quán)威機構(gòu)的預(yù)測結(jié)果，隨著我國綠氫技術(shù)發(fā)展日趨成熟，2025年我國綠氫生產(chǎn)成本可控制在12.2元/公斤，2030年綠氫生產(chǎn)成本可下降至11.4元/公斤，至2060年綠氫生產(chǎn)成本可下降至9.63元/公斤。
(一)電解水制氫
1. 電解水制氫技術(shù)
利用可再生能源進行電解水制氫是目前眾多制氫技術(shù)方案中碳排放最低的工藝。目前，國內(nèi)電解水制氫技術(shù)主要有堿性水電解槽(AWE)、質(zhì)子交換膜水電解槽(PEM)、固體聚合物陰離子交換膜水電解(AEM)和固體氧化物水電解槽(SOE)等。
2.電解水制氫成本結(jié)構(gòu)
如果以正常工商業(yè)銷售電價計算并拆分電解水制氫的成本，我國電解水制氫成本約為5.42元/Nm3，具體包括資產(chǎn)折舊、運營費用(一般維護、電池組更換)、電費(用電、過網(wǎng)費)。其中堿性水電解槽(AWE)制氫技術(shù)單位投資可達6000元/kW，年運營維護成本占比為2.5%。質(zhì)子交換膜水電解槽(PEM)制氫技術(shù)單位投資可達12000元/kW，年運營維護成本占比為2.5%。
據(jù)IRENA對電解水制氫成本構(gòu)成的測算，電費成本可達到3.68元/Nm3，占電解水制氫成本的67.90%左右；資本性開支為1.02元/Nm3，占總成本的18.82%；運營開支為0.69元/ Nm3，僅占總成本的12.73%左右；用水開支為0.03元/Nm3，僅占總成本0.56%。
因此，電解水制氫最重要的成本在于電費支出，用電的成本決定了氫氣的成本。若采用電解水制氫工藝降需要盡可能地壓低電費成本。一般來講，每生產(chǎn)1Nm3氫氣約消耗電力3.5——5kWh，如果采用當(dāng)前市場銷售電價作為制氫成本，電解水制氫技術(shù)路線是沒有競爭力的。但是，如果能夠使用到成本較低的電力用于制氫，即當(dāng)電解水制氫的綜合成本降低到約1元/Nm3的時候，該技術(shù)路線在經(jīng)濟性上就具有一定競爭力。降低其他成本(如折舊、運營成本)則需要通過技術(shù)進步、提升管理水平來降低。
3. 電解水制氫降成本路徑
電解水制氫降低成本路徑主要有兩條，一是降低過程能耗，提高電解效率，二是以低成本電價為制氫原料。就降低過程能耗看，堿性電解水制氫是最為成熟、產(chǎn)業(yè)化程度最廣的電解水制氫技術(shù)，但其電解效率僅為60到75%，國外研發(fā)的PEM技術(shù)與SOEC技術(shù)均能有效提高電解效率。
就降低電價看，與其他國家相比，我國工業(yè)電價位于中低水平。從工業(yè)用戶銷售電價看，2019年，35個國際經(jīng)合組織(OECD)國家的工業(yè)電價平均為0.908元/千瓦時；我國工業(yè)用戶銷售平均電價為0.635元/千瓦時，占35國平均水平的70%，在36個國家中列倒數(shù)第九位。相對較低的電價為我國發(fā)展電解水制氫提供了有利條件。
(二)熱解水制氫
1. 熱解水制氫技術(shù)
熱解水制氫是指利用高溫?zé)崮軄碇苯域?qū)動水分解制氫的工藝。目前熱解水制氫技術(shù)主要有核能制氫和高聚焦太陽能制氫兩種。核能制氫技術(shù)是將核反應(yīng)堆與采用先進制氫工藝的制氫廠耦合，大規(guī)模生產(chǎn)氫氣。核能技術(shù)已經(jīng)完成原理上可行性研究和驗證，總體上處于試驗階段或向試驗前期過渡的階段。高聚太陽能制氫是指利用太陽能聚光器收集太陽能直接加熱水，使其達到2500K(3000K以上)以上的溫度。該制氫方法存在高溫下氫氣和氧氣分離和高溫太陽能反應(yīng)器材料選用問題，短期內(nèi)經(jīng)濟效益也相對較低，難以商業(yè)化。
2. 熱解水制氫成本結(jié)構(gòu)
總體上看，受設(shè)備成本影響，熱解水制氫成本高于電解水制氫，核能制氫成本約為20到27元/公斤，太陽能制氫成本約為13到27元/公斤。其成本主要包括運營費用(一般維護、電池組更換)、資產(chǎn)折舊、電費(用電、過網(wǎng)費)。熱解水制氫的經(jīng)濟效益顯著低于電解水制氫，近期內(nèi)難以推廣應(yīng)用。
就核能制氫而言，單位投資可達17500元/kW，年運營維護成本占比為8.0%，遠高于其他綠氫生產(chǎn)技術(shù)。其中，氣冷堆設(shè)備成本非常高昂，因此目前純粹運用核能制氫成本較高，經(jīng)濟性較差。
就高聚焦太陽能制氫而言，大量聚光鏡的制造費用非常貴，且按照聚光鏡需占用大面積的土地，太陽能跟蹤設(shè)備的投資費用及技術(shù)要求都不是普通用戶可以承擔(dān)的。該制氫方法經(jīng)濟效益較差，短期內(nèi)難以商業(yè)化。
3. 熱解水制氫降成本路徑
設(shè)備投資和維護占熱解水制氫成本比例最大，建議優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備和實現(xiàn)設(shè)備批量生產(chǎn)以降低熱解水制氫成本。但鑒于冷氣堆設(shè)備和太陽能捕捉跟蹤設(shè)備難以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，短期內(nèi)熱解水制氫成本下降空間比較有限。
(二)光催化分解水制氫
1. 光催化分解水制氫技術(shù)
光催化分解水制氫的主要制氫原理是光照射到催化劑上發(fā)生誘導(dǎo)效應(yīng)，由于光的能量大于催化劑禁帶的禁阻，價帶中的電子躍遷至導(dǎo)帶，產(chǎn)生電荷，在價帶中產(chǎn)生空穴，電荷參加還原反應(yīng)生成氫氣，空穴參加氧化反應(yīng)生成氧氣。光催化水制氫理論上簡單高效。但仍處于研發(fā)初期，存在催化劑研制困難和制氫效率低(約1%)等問題。
2. 光催化分解水制氫成本結(jié)構(gòu)
受設(shè)備成本影響，光催化水制氫售價遠高于電解水制氫，約為33元/公斤左右，其成本可以分為太陽能收集和跟蹤設(shè)備的購買和安裝、催化劑、設(shè)備日常維護等。其中太陽能收集和跟蹤設(shè)備的投資和維護是光催化水制氫的最主要部分。
3. 光催化分解水制氫降成本路徑
太陽能收集和跟蹤設(shè)備的購買和維護占光催化水制氫成本比例最大，建議優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備和實現(xiàn)設(shè)備批量生產(chǎn)以降低光催化水制氫成本。但太陽能收集和跟蹤設(shè)備的購買和安裝成本短期內(nèi)難以下降。同時，光催化水制氫所需的催化劑研制優(yōu)化目前也進入瓶頸期，購買成本較高。因此，短期內(nèi)光催化水制氫成本下降空間非常有限。
(三) 生物質(zhì)氣化制氫
1. 生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)
生物質(zhì)氣化制氫是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為一氧化碳、二氧化碳、氫氣和甲烷混合物，其工作原理與煤炭氣化非常相似。目前生物質(zhì)氣化制氫的局限性主要在于生物質(zhì)原料的預(yù)處理工藝復(fù)雜，且初產(chǎn)物雜質(zhì)較多，氫氣提純難度高，且制氫效率低下。
2. 生物質(zhì)氣化制氫成本結(jié)構(gòu)
生物質(zhì)氣化制氫的經(jīng)濟成本受原料影響，在9.7元/公斤到61.3元/公斤之間波動，單位投資可達9700元/kW，年運營維護成本為4.1%。生物質(zhì)氣化制氫成本主要分為煤、生物質(zhì)原料、催化劑、水等物料成本以及設(shè)備購買、安裝和日常維護等成本。
3 . 生物質(zhì)氣化制氫降成本路徑
在生物質(zhì)氣化制氫過程中，原料成本可下降空間最大，建議選用購買或收集成本較低的原料以降低生物質(zhì)氣化制氫成本，如用農(nóng)作物廢棄物代替能源作物，降低原材料成本，從而控制綠氫生產(chǎn)技術(shù)成本。
三、 綠氫生產(chǎn)成本比較和降成本路徑
就生產(chǎn)成本看，電解水制氫成本最低，為5.42元/Nm3；生物質(zhì)氣化制氫成本波動較大，最高可達61.3元/公斤。就單位投資看，堿性水電解槽(AWE)制氫單位投資額最低，為6000元/kW；核能制氫單位投資額最高，為17500元/kW。就年運營維護成本占比看，堿性水電解槽(AWE)和質(zhì)子交換膜水電解槽(PEM)年運營維護成本占比最低，為2.5%；核能制氫年運營維護成本占比最高，可達8%。因此，從成本角度看，遠景科技將綠氫生產(chǎn)成本控制在10元/公斤，這已經(jīng)處于國內(nèi)外綠氫生產(chǎn)企業(yè)的上游水平，在價格上較其他綠氫生產(chǎn)企業(yè)有更大的競爭空間。
分析各綠氫生產(chǎn)技術(shù)的成本結(jié)構(gòu)，可總結(jié)出如下3個降成本路徑：
一是使用較少的關(guān)鍵原材料，或改用相對便宜的原材料
比如在生物質(zhì)氣化制氫過程中，用農(nóng)作物廢棄物代替能源作物，降低原材料成本，從而控制綠氫生產(chǎn)技術(shù)成本。
二是降低設(shè)備使用和維護成本
從設(shè)備設(shè)計和材料入手，提高綠氫生產(chǎn)設(shè)備的效率和耐久性，從而降低綠氫全生命周期生產(chǎn)成本。如優(yōu)化電解水制氫的的電解槽膜厚度來降低歐姆電阻(同時還需兼顧氣體滲透問題)，以提升電解效率，對多孔層傳輸層(PTL)、雙極板流道等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如優(yōu)化孔隙率、孔徑、厚度等PTL結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)流場等，以提升電解槽性能與壽命。
三是增加生產(chǎn)規(guī)模來提升電解槽設(shè)備的經(jīng)濟性
通過執(zhí)行高通量、自動化的制造工藝，降低每個組件的成本。提升生產(chǎn)規(guī)?？梢詭硪?guī)模經(jīng)濟效益，盡管由于大型設(shè)備制造限制、大型組件機械不穩(wěn)定、場地面積限制等問題，生產(chǎn)規(guī)模的提升范圍有限，但仍舊可產(chǎn)生強大的經(jīng)濟效應(yīng)。
原標(biāo)題：IIGF觀點 | 綠氫降低成本路徑分析