根據(jù)美國能源部（DOE）設(shè)定的目標(biāo)，到2030年，可再生氫的生產(chǎn)成本需要降至每千克1美元。電解水制氫有四種主要技術(shù)路線：ALK、PEM、SOEC和AEM。其中，ALK和PEM已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)化應(yīng)用階段。那么，這兩者的制氫成本是多少？成本構(gòu)成又是怎樣的？1美元/千克的氫氣目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)？這些問題的答案將為降低綠氫成本和提高效率指明方向。
一、ALK和PEM水電解制氫系統(tǒng)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)
以裝機(jī)20MW、年有效運(yùn)行時(shí)間4000h的電解水制氫廠為基礎(chǔ)進(jìn)行測算（不含土建）。電解水設(shè)備參數(shù)取目前市場水平：ALK水電解系統(tǒng)150萬元/MW、制氫能耗5kWh/Nm3、使用壽命80000h、維護(hù)費(fèi)用每年為設(shè)備成本的5%；PEM水電解系統(tǒng)700萬元/MW、制氫能耗5kWh/Nm3、使用壽命40000h、維護(hù)費(fèi)用每年為設(shè)備成本的1%。
表 1：ALK和PEM水電解制氫系統(tǒng)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)
二、ALK和PEM水電解制氫系統(tǒng)制氫成本
基于一個(gè)裝機(jī)20MW、年有效運(yùn)行時(shí)間4000小時(shí)的電解水制氫廠進(jìn)行測算（不包括土建費(fèi)用）。在電解水設(shè)備參數(shù)方面，我們參考目前的市場水平：ALK水電解系統(tǒng)每兆瓦（MW）150萬元，制氫能耗為5千瓦時(shí)（kWh）/標(biāo)準(zhǔn)立方米（Nm³），使用壽命為80,000小時(shí)，維護(hù)費(fèi)用為每年設(shè)備成本的5%；PEM水電解系統(tǒng)每兆瓦（MW）700萬元，制氫能耗為5千瓦時(shí)（kWh）/標(biāo)準(zhǔn)立方米（Nm³），使用壽命為40,000小時(shí)，維護(hù)費(fèi)用為每年設(shè)備成本的1%。
表 2：ALK和PEM水電解制氫成本
根據(jù)以上基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，我們計(jì)算得出ALK和PEM制氫成本分別為21.55元/kg和29.89元/kg。具體到電解水設(shè)備的各個(gè)細(xì)分環(huán)節(jié)，我們發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)：
電解水設(shè)備是導(dǎo)致ALK和PEM制氫成本差距較大的主要原因。PEM制氫成本是ALK的4.7倍。這種差距主要來源于設(shè)備價(jià)格和維護(hù)費(fèi)用的差異。
PEM產(chǎn)氫壓力高，使用維護(hù)方便，因此在儲(chǔ)氫設(shè)施和維護(hù)費(fèi)用上低于ALK。這進(jìn)一步縮小了考慮土建后的成本劣勢。
PEM占地面積小，與ALK相比，其成本劣勢將進(jìn)一步縮小。
綜上所述，電解水設(shè)備的選擇對制氫成本具有重要影響。在制定降低綠氫成本和提高效率的策略時(shí)，需要綜合考慮設(shè)備價(jià)格、使用壽命、維護(hù)費(fèi)用以及儲(chǔ)氫設(shè)施等因素。
圖 1：ALK和PEM各環(huán)節(jié)制氫成本占比
三、單因素敏感性分析
對ALK和PEM電解水制氫成本主要影響因素進(jìn)行單因素敏感性分析。分析結(jié)果顯示，系統(tǒng)能耗和電價(jià)對制氫成本的影響最大。其中，能耗直接影響用電量的多少，與定性分析中兩者具有較大相關(guān)性的結(jié)論相符。在ALK中，設(shè)備成本對制氫成本的影響最低；而在PEM中，設(shè)備成本對制氫成本的影響仍然較大。這可能與PEM設(shè)備通常比ALK設(shè)備更昂貴有關(guān)。此外，系統(tǒng)年生產(chǎn)時(shí)間的敏感系數(shù)大于單因素變化率。這意味著，即使某個(gè)因素的變化率較小，它對制氫成本的影響也可能較大。因此，在制定降低綠氫成本和提高效率的策略時(shí)，需要綜合考慮各種因素，并找出對成本影響最大的因素進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化。
表 3：ALK和PEM水電解制氫成本敏感因素分析
資料來源：香橙會(huì)研究院
四、ALK水電解系統(tǒng)不同因素下的制氫成本
2021年中國堿性電解槽出貨量占比高達(dá)97%，2022年占比95%，預(yù)計(jì)2023年全年占比93%。由于具有較大的成本優(yōu)勢和技術(shù)成熟度，ALK水電解制氫系統(tǒng)在市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。結(jié)合先前的成本構(gòu)成、敏感性分析和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場景，電力價(jià)格和年生產(chǎn)時(shí)間被視為影響未來制氫成本的主要因素。當(dāng)電價(jià)低于0.1元/kWh時(shí)，制氫成本均在15元/kg以內(nèi)。而當(dāng)電價(jià)低于0.2元/kWh且年運(yùn)行時(shí)間超過4000小時(shí)時(shí)，制氫成本將控制在20元/kg以內(nèi)。這些數(shù)據(jù)為降低綠氫成本和提高效率提供了方向，并強(qiáng)調(diào)了電力價(jià)格和年生產(chǎn)時(shí)間在其中的關(guān)鍵作用。
表 4：不同電價(jià)和年生產(chǎn)時(shí)間場景下制氫成本（元/kg）
資料來源：香橙會(huì)研究院
五、結(jié)論與討論
1、目前，ALK制氫系統(tǒng)在成本上相較于PEM具有明顯優(yōu)勢。這主要?dú)w功于PEM設(shè)備成本比ALK高出4-5倍，同時(shí)在使用壽命上也存在較大差距。
2、不論是ALK還是PEM制氫系統(tǒng)，電力成本都占據(jù)了主要部分，占比在50-80%之間。因此，降低綠氫成本的關(guān)鍵因素之一是降低綠色電力成本。這需要依賴我國西部、北部風(fēng)光資源豐富地區(qū)以及東部海上風(fēng)電地區(qū)的支持。
3、在敏感性分析中，年運(yùn)行時(shí)間、設(shè)備成本、系統(tǒng)能耗和電價(jià)等都是降低綠氫成本的有效途徑。其中，降低系統(tǒng)能耗和電價(jià)對綠氫成本的降低最為有效。
4、在ALK制氫系統(tǒng)中，當(dāng)電價(jià)低于0.1元/kWh時(shí)，制氫成本在15元/kg以內(nèi)；若電價(jià)低于0.2元/kWh且年運(yùn)營時(shí)間達(dá)到4000小時(shí)以上時(shí)，制氫成本同樣在15元/kg以內(nèi)。而當(dāng)年運(yùn)營時(shí)間達(dá)到8000小時(shí)時(shí)，制氫成本則可降低至8.52元/kg。
5、預(yù)計(jì)未來綠氫成本的降低將是技術(shù)進(jìn)步、效率提高、規(guī)模化生產(chǎn)等多因素共同作用的結(jié)果。然而，根據(jù)事物發(fā)展規(guī)律，綠氫平價(jià)的到來并非是按部就班的發(fā)展，而是需要某些因素的突破來迎接這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)。因此，行業(yè)內(nèi)的相關(guān)人士需要時(shí)刻關(guān)注這些因素的發(fā)展，隨時(shí)準(zhǔn)備迎接平價(jià)時(shí)代的到來。
