電解水制氫廠站經(jīng)濟(jì)性分析

氫能是支撐智能電網(wǎng)和可再生能源發(fā)電規(guī)?；l(fā)展的最佳能源載體

，由于具有能量密度高，環(huán)保清潔可再生的優(yōu)勢(shì)

，已成為未來能源發(fā)展的重要方向。通過可再生能源電解水制取的氫氣

，可直接應(yīng)用于工業(yè)、交通、建筑等領(lǐng)域

，是實(shí)現(xiàn)深度碳減排的有效途徑。因此，提高氫能的占比對(duì)低碳能源結(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要

。當(dāng)前，可再生能源制氫成本仍顯著高于化石能源制氫，發(fā)展低成本的電解水制氫技術(shù)對(duì)于推動(dòng)氫能的快速發(fā)展和可再生能源的規(guī)模化應(yīng)用至關(guān)重要

。

目前，電解水制氫技術(shù)路線中包括堿性電解水(alkaline electrolysis，AEL)、質(zhì)子交換膜電解水(proton exchange membrane electrolysis，PEMEL)和固體氧化物電解水(solid oxide electrolysis，SOEL)

。其中，SOEL 由于運(yùn)行溫度高，能量轉(zhuǎn)換效率高，目前尚未達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用階段

；AEL和PEMEL 技術(shù)相對(duì)成熟，是目前常用的兩類電解水技術(shù)路線，但在運(yùn)行方式和綜合制氫成本方面具有較大區(qū)別。AEL 設(shè)備購(gòu)置成本低，但需要堿液循環(huán)，且電解液具有腐蝕性

，其運(yùn)行電流密度低、體積大，因而對(duì)電力波動(dòng)性的響應(yīng)速度較慢

。PEMEL 由于使用了更薄的離子導(dǎo)通隔膜和膜電極式的電極構(gòu)造，運(yùn)行電流密度顯著提高、體積更小，具有快速響應(yīng)能力，制氫效率也提高。然而，PEMEL 采用貴金屬為催化劑，設(shè)備成本顯著提高

，與此同時(shí)，由于酸性環(huán)境下電化學(xué)腐蝕問題嚴(yán)峻，電極材料

和雙極板

的耐久性有待驗(yàn)證

。

以上情境的素材都是源自學(xué)生真實(shí)的生活背景，很容易將學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情激發(fā)出來.只需要對(duì)學(xué)生適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行引導(dǎo)，就可以將學(xué)生的思維導(dǎo)向氧化還原反應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)課堂的生成，隨后教師還可以引導(dǎo)學(xué)生再列舉一些實(shí)例，安排學(xué)生在自我舉例中進(jìn)一步熟悉氧化還原反應(yīng)，這有助于學(xué)生內(nèi)心深處知識(shí)的自發(fā)生成和感悟.

在當(dāng)前的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，無論是采用AEL還是PEMEL，全生命周期制氫成本都是發(fā)展規(guī)模化制氫的決定性因素

。本文采用平準(zhǔn)化氫氣成本為指標(biāo)對(duì)電解水制氫廠站進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，通過全面研究固定投入、設(shè)備投入、運(yùn)維投入的影響因素和影響規(guī)律，分析電解水制氫技術(shù)指標(biāo)對(duì)經(jīng)濟(jì)性的綜合影響，并對(duì)比AEL 和PEMEL 技術(shù)路線的經(jīng)濟(jì)性差異，為低成本電解水制氫技術(shù)發(fā)展方向提供指導(dǎo)。

1 電解水制氫廠站經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)成本參數(shù)

采用平準(zhǔn)化氫氣成本(levelized cost of hydrogen，LCOH)作為量化核算電解水制氫經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)，將電解水制氫項(xiàng)目進(jìn)行全生命周期分析，把所需的固定投入和運(yùn)維投入折算至每標(biāo)準(zhǔn)立方米氫氣，即得到LCOH 值，如公式(1)和(2)所示

。具體計(jì)算公式如下，其中假定電解水制氫運(yùn)行周期25 年，貸款利率按照2021年當(dāng)前基準(zhǔn)利率4.35%。

該計(jì)算公式做出了以下假設(shè)：①電解槽等設(shè)備達(dá)到設(shè)計(jì)壽命年限后，殘值為零；②每年折舊按照先支出考慮。

分析電解水制氫廠站的經(jīng)濟(jì)性，覆蓋范圍包括電力輸入至生產(chǎn)出20 MPa 氫氣整個(gè)工藝流程，具體如圖1所示。電解水系統(tǒng)在電力和純水輸入的情況下，進(jìn)行電解制取出壓力3 MPa以下的氫氣，存儲(chǔ)在氫氣儲(chǔ)罐中，氫氣壓縮機(jī)從氫氣儲(chǔ)罐抽氣，將氫氣壓力增加至20 MPa，充裝于客戶的管束車中外售。根據(jù)用戶特定需求，管束車可將氫氣輸送到合成氨廠、合成甲醇廠等需求氫氣的企業(yè)。然而，目前合成氨廠、合成甲醇廠等化工企業(yè)，其合成塔中壓力需求達(dá)20 MPa，因此，本文選用將氫氣壓力增加至20 MPa 于管束車中外售作為主要場(chǎng)景進(jìn)行分析。根據(jù)電解水的技術(shù)路線，工藝流程中的電解水系統(tǒng)可以是AEL，也可以是PEMEL；考慮到經(jīng)濟(jì)性分析的通用性以及當(dāng)前電解水系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展水平，選取當(dāng)前堿性電解槽達(dá)到的單體最大制氫量指標(biāo)1000 Nm

/h 作為電解水系統(tǒng)案例的最小規(guī)模單元，其滿負(fù)荷制氫時(shí)的功率需求不超過6 MW，每天的滿負(fù)荷制氫量折合2 t以上。

2 固定投入

2.1 土建投入

2.1.1 土地

本部分經(jīng)濟(jì)性分析暫不考慮制氫工廠享受的優(yōu)惠政策。

對(duì)于典型的制氫站，其用地面積估算為6030 m

，即約9 畝，具體組成如表1 所示。需要說明的是，制氫設(shè)備本身所占用地面積的比例較低，因而，當(dāng)制氫量變化或采用不同功率密度電解槽時(shí)(PEMEL電解槽的功率密度更高，因而設(shè)備本身占地面積小)，整個(gè)制氫站的用地面積不會(huì)有顯著變化。按照風(fēng)電場(chǎng)附近征地建設(shè)制氫站的場(chǎng)景，一般征地費(fèi)用約6萬/畝，因此，制氫站的土地成本約54萬元。可見，當(dāng)在風(fēng)電場(chǎng)就地建設(shè)制氫場(chǎng)時(shí)，土地費(fèi)用占比較低。

宗教信仰在人類的發(fā)展，語言的形成過程中都扮演著重要的角色。中西方的信仰也存在差異，西方人多信奉基督教，圣經(jīng)的故事也耳熟能詳。反映到翻譯中，就會(huì)有一些歧義。如，“Achilles’Heel”如果直譯，那就是阿喀琉斯的腳跟，那讀者根本不明白什么意思，實(shí)際的含義應(yīng)該是致命弱點(diǎn)的意思，因?yàn)檫@是圣經(jīng)中的一個(gè)故事，不懂相應(yīng)的背景就會(huì)很難翻出來，但是翻出來致命弱點(diǎn)，原語的語境卻沒了。這真是一個(gè)兩難的情況。

2.1.2 建筑工程

單例模式屬于創(chuàng)建型模式，它確保一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)全局訪問點(diǎn)來訪問這個(gè)唯一實(shí)例[6]。借助此模式，不但可以方便對(duì)實(shí)例個(gè)數(shù)進(jìn)行控制，而且可避免系統(tǒng)同一時(shí)刻存在多個(gè)狀態(tài)。單例模式按其實(shí)現(xiàn)形式可以分為“餓漢式”單例模式和“懶漢式”單例模式兩類，其中，“餓漢式”單例模式在類加載時(shí)就實(shí)例化單例類，而“懶漢式”單例模式則在第一次調(diào)用時(shí)才實(shí)例化單例類[7]。因此，對(duì)系統(tǒng)初始化時(shí)就需要的資源而言一般采用“餓漢式”單例模式[6] 。

制氫工廠從電網(wǎng)直接取電進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，根據(jù)取電電價(jià)可核算出制氫廠生產(chǎn)氫氣的平準(zhǔn)化成本。取電價(jià)為0.5元/kWh，制氫廠按照100%負(fù)荷運(yùn)行，根據(jù)設(shè)計(jì)壽命25年間的總成本支出和產(chǎn)氫總量，對(duì)比研究AEL和PEMEL兩種技術(shù)路線下生產(chǎn)氫氣的成本。

該零件是不便于利用常規(guī)方法加工。工件必須是圓盤形帶有通孔，且周邊分布多孔類銑床加工零件。零件的精度要求高，但零件的硬度要求偏低的薄壁型零件。該夾具是以工廠加工特殊零件在裝夾加工中存在的問題和原因。提出相應(yīng)的解決方案和策略。使學(xué)生把理論與實(shí)踐結(jié)合起來，旨在能幫助工廠在加工特殊零件時(shí)使用專用夾具提高生產(chǎn)效率節(jié)約成本。

2.2 設(shè)備投入

對(duì)于額定產(chǎn)氫量為1000 Nm

/h 的電解水制氫站，其主要設(shè)備包括：制氫電源、純水制取系統(tǒng)、電解槽系統(tǒng)、儲(chǔ)罐、壓縮機(jī)和充裝管路系統(tǒng)。按照滿負(fù)荷制氫綜合電耗5.5 kWh/Nm

核算，制氫電源的功率要求為5.5 MW；根據(jù)質(zhì)量守恒，純水需求量為804 kg/h，因此純水制取系統(tǒng)的處理能力達(dá)到1 m

/h可滿足要求；考慮氫氣出口壓力一般為1.6或者3.2 MPa，則緩存1 h 制氫量，需要儲(chǔ)罐容積為34.88～69.75 m

，因此選擇50 m

容積的氫氣儲(chǔ)罐可基本滿足氫氣緩存要求。為達(dá)到制氫量的有效充裝，需要配置充裝壓縮機(jī)將氫氣從1.6～3.2 MPa增壓至20 MPa，其有效排量應(yīng)達(dá)到1000 Nm

/h 以上，因此選擇2 臺(tái)500 Nm

/h 的氫氣壓縮機(jī)。其他設(shè)備支出包括管路、儀表風(fēng)系統(tǒng)以及集控系統(tǒng)等，估算合計(jì)支出為100萬元。

二環(huán)路處于北京市道路路網(wǎng)的核心位置，全長(zhǎng)32.7 km，全線為全立交、全封閉的城市快速路。道路紅線總寬90 m，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為四幅路型式，中央隔離帶寬0.5～1.5 m。主路標(biāo)準(zhǔn)路段為雙向六車道，在出入口和公交站處由于設(shè)置加減速車道和公交港灣，車道數(shù)為雙向八車道，主路兩側(cè)全線設(shè)置輔路。道路路拱為直線型，主路和輔路路拱橫坡為1.5%，由路中向外傾斜；人行道路拱橫坡為2%，向路內(nèi)側(cè)傾斜。

當(dāng)前，電解水制氫比較成熟的技術(shù)是堿水和質(zhì)子交換膜兩類。當(dāng)選擇堿水電解槽時(shí)，設(shè)備購(gòu)置和安裝的總投入估算合計(jì)為1900 萬元，具體如表2所示。分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于堿水電解制氫廠，電解槽成本占設(shè)備投入總成本的50%以上，其次占比較高的是氫氣壓縮機(jī)，約占25%，如圖2所示。

當(dāng)選擇PEME 制氫時(shí)，由于當(dāng)前沒有單體1000 Nm

/h的電解槽，因此需要多個(gè)電解槽成組。例如，某公司提供的產(chǎn)品中即包含600 Nm

/h 和400 Nm

/h制氫能力的PEMEL，達(dá)到1000 Nm

/h制氫量的PEMEL系統(tǒng)購(gòu)置投入約為7000萬元，是同等性能堿水電解系統(tǒng)價(jià)格的7倍。制氫廠合計(jì)投入設(shè)備費(fèi)用為7900萬元，具體如表3所示。其中，PEMEL購(gòu)置費(fèi)用占比接近90%，是最大的設(shè)備成本投入。

內(nèi)容分析法是基于定性研究的量化分析方法，它將文獻(xiàn)中用語言表示而非數(shù)量表示的內(nèi)容轉(zhuǎn)換為用數(shù)量表示的資料進(jìn)行分析［2］。由于智慧城市概念的多樣性與差異性，本文通過識(shí)別智慧城市概念樣本中的關(guān)鍵特征，將其轉(zhuǎn)換為用數(shù)量表示的資料并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述；在對(duì)樣本內(nèi)容“量”進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)而探尋反映智慧城市概念本質(zhì)特征的類目并根據(jù)文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行解釋。這能夠克服定性研究的主觀性和不確定性，并有助于對(duì)不同的智慧城市概念進(jìn)行更為清晰的認(rèn)識(shí)。

由于電解水反應(yīng)一般在80 ℃左右(AEL運(yùn)行溫度70～90 ℃，PEMEL 運(yùn)行溫度50～80 ℃)進(jìn)行，溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，因此,需要對(duì)反應(yīng)焓進(jìn)行溫度矯正，采用的函數(shù)關(guān)系式如下：

當(dāng)獲得某溫度下的電解水反應(yīng)焓變后，可進(jìn)一步根據(jù)反應(yīng)熵變計(jì)算出反應(yīng)自由能變化值。

對(duì)于AEL 和PEMEL 制氫設(shè)備，設(shè)計(jì)的使用壽命為20～25年，一般達(dá)到預(yù)期使用壽命后，電解制氫性能下降至初始性能的80%。制氫廠按照25年進(jìn)行設(shè)備折舊，并假定以當(dāng)前基準(zhǔn)利率4.35%進(jìn)行核算，AEL 和PEMEL 兩個(gè)技術(shù)路線下制氫廠每年的設(shè)備折舊分別為126.16和524.57萬元。

3 運(yùn)維投入

3.1 電耗

考慮堿水電解技術(shù)路線下制氫廠，對(duì)各電價(jià)狀態(tài)下的制氫平準(zhǔn)化成本以及其中電費(fèi)占比進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。當(dāng)電價(jià)越高時(shí)，制氫平準(zhǔn)化成本越高，氫氣成本(

，元/Nm

)與電價(jià)(

，元/kWh)基本滿足線性關(guān)系

=5.714

+0.339。即使按照電價(jià)為0.1元/kWh進(jìn)行核算，電費(fèi)占制氫平準(zhǔn)化成本的比例仍然高達(dá)60%，可見，制氫工廠的總用電費(fèi)用是影響產(chǎn)氫成本的關(guān)鍵因素。

對(duì)于氫氣壓縮機(jī)，按照50%絕熱效率核算壓縮電耗，并考慮壓縮機(jī)冷卻電耗占?jí)嚎s電耗比例為30%，對(duì)于制氫廠入口壓力1.6 MPa，出口壓力平均12.5 MPa(管束車初始?jí)毫? MPa，充裝結(jié)束壓力20 MPa)的操作環(huán)境，綜合壓縮電耗為0.134 kWh/Nm

H

。將制氫廠的電解和壓縮電耗進(jìn)行整體核算，在25年服役期的電耗指標(biāo)如表4所示。

嬰幼兒早期干預(yù)的重要策略——合適的多感官刺激，促進(jìn)身體的伸展與屈曲的平衡，以屈曲為主，肢體趨向身體的中心部位，發(fā)展手、嘴綜合能力；將寶寶的手放在口邊，讓其自我安慰，促進(jìn)身體的對(duì)稱性，預(yù)防不正確的姿勢(shì)。只有當(dāng)撫觸成為一種傳遞愛的媒介，寶寶才會(huì)更加健康！

3.2 水耗

電解水制氫的水耗與制氫量相關(guān)，每制取1 Nm

氫氣，理論消耗的純水量為0.8 L，考慮純水制取效率80%，則消耗的水量為1 L/Nm

H

。工業(yè)用水價(jià)格按照4.1元/m

進(jìn)行核算。因此，生產(chǎn)每公斤H

的水費(fèi)為0.04592元。

3.3 人工

制氫工廠的人員配置包括：廠長(zhǎng)、安全管理人員、財(cái)會(huì)人員和運(yùn)營(yíng)人員，其中運(yùn)營(yíng)人員按照三班倒、每班3人核算，則制氫廠總計(jì)需要12人。按照每人年支出工資8萬元核算，共計(jì)需要96萬元。進(jìn)行全生命周期核算時(shí)，假定人工費(fèi)根據(jù)基準(zhǔn)利率增長(zhǎng)。

3.4 維護(hù)

制氫廠的維護(hù)費(fèi)用假定按照設(shè)備費(fèi)的固定比例支出，取3%進(jìn)行核算。這里需要重點(diǎn)說明的是，對(duì)于AEL，在其標(biāo)稱的25 年服役期間，至少需要經(jīng)歷一次大修，大修成本約占設(shè)備成本的20%，當(dāng)在波動(dòng)性工況下運(yùn)行時(shí)，電解槽材料發(fā)生衰減的速率增加，在服役期間可能需要增加至少1 次大修，這將增加額外的設(shè)備大修費(fèi)用。對(duì)于PEMEL，目前尚未報(bào)道其波動(dòng)性影響下的壽命影響，但依據(jù)燃料電池的變載荷衰減現(xiàn)象，PEMEL 在波動(dòng)性電力輸入條件下，預(yù)期壽命也會(huì)大幅縮短。

在這一大背景下，國(guó)家及時(shí)出臺(tái)了一系列治水興水政策。從2011年中央發(fā)布1號(hào)文件到黨的十八大會(huì)議將生態(tài)文明建設(shè)放到突出位置以來，一系列文件明確提出要將水生態(tài)保護(hù)擺在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展全局中更加重要的地位。作為生態(tài)文明建設(shè)的重要一環(huán)，加快、加強(qiáng)水生態(tài)文明建設(shè)的重要性不言而喻。

3.5 財(cái)稅

按照一般納稅人進(jìn)行增值稅核算，稅率9%。

4 收入分析

4.1 產(chǎn)氫

首先計(jì)算制氫廠滿負(fù)荷制氫的產(chǎn)氫量，按照1000 Nm

/h額定產(chǎn)氫量核算，每年全負(fù)荷產(chǎn)氫量為786 t。根據(jù)2021年全國(guó)的工業(yè)用電價(jià)格，在低谷期(23:00—次日7:00)和平段期間(7:00—10:00，15:00—18:00，21:00—23:00)內(nèi)，電價(jià)范圍基本在0.2～0.5元/kWh。高峰期用電價(jià)格基本是低谷期的2倍，則為達(dá)到產(chǎn)能全天電價(jià)估算為0.5元/kWh。此外電網(wǎng)耦合電解槽具有一定不確定性，產(chǎn)氫量略低于額定產(chǎn)氫量，因此，此處以最大產(chǎn)氫量(額定產(chǎn)氫量)來計(jì)算。

4.2 政策優(yōu)惠

制氫站主要用地區(qū)域可劃分為：①制氫車間，包括電解槽、制氫電源、充裝壓縮機(jī)和管束車停車位；②配套設(shè)施，包括中控室、辦公室、庫(kù)房等；③安全間隙，主要是依據(jù)制氫站規(guī)范預(yù)留安全距離占用的面積。

5 制氫廠經(jīng)濟(jì)性影響規(guī)律分析

制氫廠的建筑工程，除了制氫車間相關(guān)部分的基礎(chǔ)和防爆圍墻等必備的配置外，配套所需的中控室、辦公場(chǎng)所和公共設(shè)施往往因每個(gè)項(xiàng)目的總體使用要求有較大的差異，因此，建筑工程所需的投入應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)方案才能提出精確的概算。根據(jù)一般工程項(xiàng)目所需的費(fèi)用，這里假定制氫廠所需的建筑工程投入約為1000萬元。

5.1 AEL技術(shù)路線

核算出堿水電解技術(shù)路線下的平準(zhǔn)化成本為3.15 元/Nm

，各項(xiàng)成本在整個(gè)生命周期內(nèi)的分布如表5所示。結(jié)果表明，AEL技術(shù)路線下，電費(fèi)成本約占?xì)錃馄綔?zhǔn)化成本的90%，人工投入成本約占6%，而設(shè)備投入成本僅占約4.5%，如圖4 所示。可見，制氫電耗、電價(jià)是影響氫氣平準(zhǔn)化成本的關(guān)鍵因素，當(dāng)電價(jià)水平在0.5元/kWh左右時(shí)，大幅降低電價(jià)是提高制氫經(jīng)濟(jì)性的決定性措施。

5.2 PEMEL技術(shù)路線

核算出PEMEL 技術(shù)路線下的平準(zhǔn)化成本為3.60元/Nm

，各項(xiàng)成本在整個(gè)生命周期內(nèi)的分布如表6 所示。結(jié)果表明，在當(dāng)前的設(shè)備投入成本下，PEMEL 比AEL 成本高，若采用PEMEL 不能通過提高波動(dòng)性適應(yīng)能力從而降低綜合制氫電耗，在1000 Nm

/h規(guī)模及以上制氫領(lǐng)域，選擇PEMEL技術(shù)路線的經(jīng)濟(jì)性要低于堿水電解。

無論是酸性電解水還是堿性電解水，在全生命周期成本分析計(jì)算中，設(shè)備成本和電費(fèi)成本是占主導(dǎo)的。由于酸性電解水高昂的設(shè)備成本，PEMEL技術(shù)路線的設(shè)備成本占比更大(圖5)。堿性電解制得氫氣平準(zhǔn)化成本(3.15元/Nm

)低于酸性電解制得氫氣平準(zhǔn)化成本(3.60元/Nm

)，因此根據(jù)以上可得出結(jié)論：在未來氫能發(fā)展道路中，酸性電解水在關(guān)鍵材料開發(fā)上需要進(jìn)一步降低成本，隨著材料技術(shù)跟進(jìn)其投資回報(bào)空間很大，此外兩種電解方式中電價(jià)對(duì)制氫成本均具有關(guān)鍵影響。

5.3 電價(jià)的影響

制氫廠的電耗主要用于電解槽和壓縮機(jī)運(yùn)行。對(duì)于AEL 和PEMEL，其當(dāng)前較為先進(jìn)的綜合電耗指標(biāo)為5 kWh/Nm

H

。假定制氫廠采用的電解系統(tǒng)初始電耗為5 kWh/Nm

(包含電解槽、冷卻、循環(huán)水等綜合所需電耗)，在全生命周期25 年服役期間，由于電解槽材料老化導(dǎo)致產(chǎn)氫能力下降，按照線性衰減至初始性能的80%，達(dá)到預(yù)期壽命時(shí)的綜合電耗增加為6 kWh/Nm

。根據(jù)電解水工廠取電方式，電價(jià)將有所區(qū)別，具體將在第6部分進(jìn)行對(duì)比分析。

5.4 電解電耗影響

制氫工廠總電費(fèi)成本除了受到電價(jià)的影響，也受到電解槽電耗的影響。從全生命周期角度考慮，電解槽電耗與初始性能和預(yù)期壽命有關(guān)，初始性能越高即電耗越低，電解槽預(yù)期壽命越長(zhǎng)則說明按照25 年服役期限核算時(shí)性能下降越平緩、電耗指標(biāo)增長(zhǎng)越緩慢，最終全周期下的電耗也會(huì)偏低。AEL和PEMEL 的理論電耗可根據(jù)電解反應(yīng)的熱力學(xué)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，通過溫度矯正的反應(yīng)焓變和自由能變化可得到條件標(biāo)準(zhǔn)電壓。在25 ℃、0.1 MPa 條件下，參與電解水反應(yīng)的各物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)焓和標(biāo)準(zhǔn)熵如表7所示。

以上設(shè)備投入費(fèi)用分析結(jié)果表明，對(duì)于1000 Nm

/h 的制氫廠，PEMEL 技術(shù)路線的設(shè)備投入成本顯著高于AEL技術(shù)路線，達(dá)到其4倍。對(duì)于制氫能力更高的制氫廠，選用堿水電解設(shè)備時(shí)的成本優(yōu)勢(shì)更為顯著，這是由于堿水電解系統(tǒng)的電解槽成本只占總系統(tǒng)成本的一部分，增加制氫規(guī)模后，電解槽增加的成本對(duì)總系統(tǒng)成本的增加貢獻(xiàn)有限；而對(duì)于PEMEL 系統(tǒng)，其主要成本來自電解槽，因此，更大制氫量下，電解系統(tǒng)成本基本呈線性增加。另一方面，對(duì)于制氫量小于1000 Nm

/h 的場(chǎng)景，例如，制氫量設(shè)計(jì)為500 Nm

/h時(shí)，AEL系統(tǒng)成本降幅不顯著，而PEMEL 成本下降顯著，此時(shí)兩個(gè)技術(shù)路線下的制氫廠設(shè)備投入差距會(huì)有所減少。初步核算可知，對(duì)于500 Nm

/h的制氫廠，采用PEMEL時(shí)，總設(shè)備投入是采用AEL的3倍。

公式中的

代表的是溫度偏離值，冪前參數(shù)依據(jù)表8進(jìn)行取值。

擬建工程所在河道受往復(fù)性潮流的控制，Namacurra河及下游河網(wǎng)沿線沼澤濕地產(chǎn)生的淤泥為主的懸移質(zhì)泥沙主體隨落潮流輸出外海，來自口門外廣袤海灘的粉細(xì)沙也隨漲潮流以推移質(zhì)為主輸入口門內(nèi)，并在沿河各緩流低洼地沉積。同時(shí)，由于口門外海灘的粉細(xì)沙主要受沿岸波浪破碎掀沙及波生流影響，總體呈現(xiàn)從西南向東北方向輸移的趨勢(shì)。淤泥質(zhì)懸沙輸出量略大于粉細(xì)沙推移質(zhì)輸入量。

應(yīng)用法拉第定律，分別采用電解水反應(yīng)焓變值和自由能變化值，可計(jì)算出水電解反應(yīng)的熱平衡電壓(thermal-neutral voltage，

)和可逆電壓(reversible voltage，

)。

當(dāng)假設(shè)電解水反應(yīng)的熵變值恒定情況下，可計(jì)算得到各反應(yīng)溫度下的熱平衡電壓和可逆電壓，如表9 和圖7 所示，當(dāng)輸入電壓控制在熱平衡電壓以上時(shí)，電解能量效率小于100%，當(dāng)輸入電壓控制在熱平衡電壓之下但處于可逆電壓以上時(shí)，電解能量效率大于100%，當(dāng)輸入電壓小于可逆電壓時(shí)，電解反應(yīng)不能發(fā)生。當(dāng)溫度在100 ℃以內(nèi)變化時(shí)，熱平衡電壓基本不變化，相應(yīng)地，熱平衡電解電耗基本維持在3.518 kWh/Nm

H

不變；可逆電解電壓則逐漸減小，當(dāng)溫度跨度為30 ℃時(shí)，電壓變化超過20 mV，溫度越高時(shí)，理論可逆電解電耗越小。由于電解水反應(yīng)屬于吸熱反應(yīng)(焓變值大于零)，熱平衡下的理論電耗值始終高于做電功所需的可逆電耗，這導(dǎo)致輸入的電能有一部分用來給電解槽產(chǎn)生熱量以維持反應(yīng)溫度。按照反應(yīng)溫度80 ℃時(shí)核算，這部分電能占能量總輸入的比例最高達(dá)到20%。因此，如果有可用的低品位熱能用于電解槽加熱，那么電解實(shí)際所需的電耗會(huì)顯著下降。另一方面，在應(yīng)對(duì)電解槽電力輸入的波動(dòng)性時(shí)，由于電解槽熱力平衡受到輸入電力的影響，尤其是當(dāng)電解負(fù)荷下降但電解槽換熱不能及時(shí)跟隨時(shí)，將導(dǎo)致過多的凈熱量被散出，電解槽平衡熱量將消耗更多的電能，導(dǎo)致能耗增加。

參考電解水電耗理論值，核算電解水電耗技術(shù)水平對(duì)制氫工廠LCOH的影響。電耗最低值取理論熱平衡下的3.518 kWh/Nm

H

，最高取值參考當(dāng)前常規(guī)電解槽性能水平，假定工作電壓為1.85 V，則對(duì)應(yīng)的電耗為4.393 kWh/Nm

H

。

高源(1996-)，男，四川工商學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)生，主要研究方向?yàn)樵朴?jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)與數(shù)學(xué)建模算法分析。E-mail:13558628926@163.com。

高爾夫球運(yùn)動(dòng)與管理專業(yè)教研室老師，基礎(chǔ)課教師和企業(yè)技術(shù)人員共同對(duì)課程設(shè)置、課程目標(biāo)等進(jìn)行了深入的探討并征詢了其它三家球場(chǎng)專業(yè)技術(shù)人員的意見，重構(gòu)了專業(yè)課程體系。專業(yè)課分成專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課、專業(yè)拓展課。根據(jù)授課內(nèi)容把每門課程分為校內(nèi)授課部分和企業(yè)授課部分?？偟脑瓌t是理論夠用，注重實(shí)踐。技能的訓(xùn)練以俱樂部服務(wù)和草坪養(yǎng)護(hù)為兩條主線，要求學(xué)生掌握俱樂部服務(wù)流程和草坪養(yǎng)護(hù)的完整過程并能解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的常見問題。職業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)貫穿到理論和實(shí)踐教學(xué)的全過程，訓(xùn)練學(xué)生基本禮儀、安全意識(shí)、溝通技巧、服務(wù)意識(shí)、責(zé)任意識(shí)等。

當(dāng)制氫電耗為3.518 kWh/Nm

H

，且按照其25 年服役期間性能逐漸下降至初始的80%，假定制氫廠全負(fù)荷運(yùn)行且電價(jià)為0.5元/kWh，其他條件均不變，則核算出的制氫廠成本分布如表10所示，LCOH為2.34元/Nm

。

當(dāng)制氫電耗為4.39 kWh/Nm

H

時(shí)，其他條件均不變，核算出的制氫廠成本分布如下表11 所示，LCOH 為2.82 元/Nm

?？梢姡?dāng)電耗增加約0.89 kWh/Nm

H

時(shí)，制氫成本增加0.48元/Nm

。

進(jìn)一步研究電價(jià)為0.5元/kWh下，電解槽電耗與LCOH 的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖8 所示，以電解電耗為 橫 坐 標(biāo)(

， kWh/Nm

H

)， LCOH 為 縱 坐 標(biāo)(

，元/Nm

H

)，二者近似呈線性關(guān)系，電耗每增加1 kWh/Nm

H

時(shí)，LCOH增加0.55元/Nm

。

繼續(xù)考慮不同電價(jià)下的情況，取最低電價(jià)0.1 元/kWh，最高電價(jià)0.5 元/kWh，分析制氫廠LCOH 隨電解電耗的變化，如圖9 所示。結(jié)果表明，當(dāng)電價(jià)高時(shí)，電解電耗對(duì)LCOH的影響較為顯著，而電價(jià)低時(shí)，電解電耗對(duì)LCOH的影響也隨之減弱。例如，當(dāng)電價(jià)為0.5 元/kWh 時(shí)，每增加1 kWh/Nm

H

電 耗，LCOH 增 加0.55 元/Nm

，當(dāng)電價(jià)為0.1 元/kWh 時(shí)，每增加1kWh/Nm

H

電耗，LCOH增加值變?yōu)?.11元/Nm

。

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件及幾何形狀，將研究區(qū)在平面上剖分成300×500 的矩形網(wǎng)格單元，廠區(qū)進(jìn)行了加密處理，垂向上為2 層，模型頂部高程為地表標(biāo)高，底部至潛水底板。有效計(jì)算單元為103 118個(gè)，無效計(jì)算單元為46 882個(gè)，共計(jì)150 000個(gè)。

系統(tǒng)地分析電價(jià)與制氫成本的影響可知：由于電耗在成本中占比較大，電價(jià)基本是決定氫氣價(jià)格的主要因素，電解槽性能也決定了用電的多少，因此，提高電解槽性能在氫氣成本中尤為重要。此外，提高電解槽溫度，對(duì)降低槽電壓、提升電解槽性能十分有益。因此，電解水制氫技術(shù)中，研究者們需要在電解水制氫的能量效率和提高電解槽溫度等關(guān)鍵技術(shù)上重點(diǎn)關(guān)注，這意味著：一是在材料層面，PEMEL 的質(zhì)子交換膜需要更加耐高溫，AEL 在未來發(fā)展中使用的陰離子交換膜同樣如此。二是在系統(tǒng)層面，在技術(shù)上提升電到氫的能源轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)提升熱電的利用效率也同樣關(guān)鍵。

5.5 電解槽壽命影響

電解槽壽命影響整個(gè)電解系統(tǒng)的全生命周期使用成本，當(dāng)前大部分電解槽采用的設(shè)計(jì)是要求在穩(wěn)定的電源下運(yùn)行。當(dāng)電解槽采用波動(dòng)性電源時(shí)，電解槽的運(yùn)行參數(shù)，包括溫度、壓力、電流密度和電壓會(huì)發(fā)生瞬態(tài)變化，這會(huì)導(dǎo)致電解槽關(guān)鍵部件發(fā)生加速衰減，甚至影響氫氣純度，造成安全隱患，所以電解槽維護(hù)成本也是需要考慮的關(guān)鍵點(diǎn)。當(dāng)前，電解系統(tǒng)作為成套設(shè)備，考慮了每年約合設(shè)備購(gòu)置費(fèi)3%的維護(hù)費(fèi)用，但當(dāng)電解槽性能發(fā)生嚴(yán)重衰減時(shí)(例如電解性能降至初始性能的80%或以下時(shí))，需要進(jìn)行大修或更換。對(duì)于堿水電解槽，其大修費(fèi)用約為購(gòu)置費(fèi)用的20%，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，一般需要10 年或15 年大修一次，這將增加額外的成本支出，核算結(jié)果表明，當(dāng)服役25年期間進(jìn)行1次和2 次大修時(shí)，平準(zhǔn)化氫氣成本將分別增加0.01 和0.02 元/Nm

，約占總成本的0.1%和0.2%(按照電價(jià)0.1元/kWh核算)?？梢?，對(duì)于堿水電解系統(tǒng)，通過大修方法維持其較高的性能，減少電解能耗，是較為經(jīng)濟(jì)的選擇。假設(shè)電解槽在25年間從100%初始性能降低至80%初始性能，則在第12 年進(jìn)行一次大修使得電解槽恢復(fù)至初始性能，可以有效降低全生命周期電耗指標(biāo)，具體對(duì)比如表12 所示。結(jié)果表明，通過大修恢復(fù)電解槽性能，可以使得全生命周期的電耗從5.62 降至5.37 kWh/Nm

H

，降幅4.5%，即使按照電價(jià)為1 元/kWh 的場(chǎng)景考慮，此時(shí)帶來的氫氣平準(zhǔn)化成本降低幅度也達(dá)到了2.7%。因此，大修的投入帶來的好處是顯著的，收益是投入的2倍以上。

從投運(yùn)全周期電解耗電成本考慮，電解槽性能穩(wěn)定是關(guān)鍵的一環(huán)。一次大修電解槽恢復(fù)至初始性能可減少0.25 kWh/Nm

H

的制氫耗電。由于電費(fèi)在全生命周期占比中處于主導(dǎo)，所以電解槽的電解性能穩(wěn)定性是制氫成本進(jìn)一步下降的關(guān)鍵因素之一。據(jù)此可知電解槽耐久性在制氫產(chǎn)業(yè)鏈中是極其重要的。因此，在技術(shù)層面，電解水制氫要想產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，如何提高電解水制氫的耐久性是一項(xiàng)十分關(guān)鍵的研究課題，應(yīng)是研究者們需要關(guān)注的重點(diǎn)。

6 結(jié) 論

電解水制氫經(jīng)濟(jì)性主要受到電費(fèi)成本的影響，降低電價(jià)和電解電耗是提高經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。結(jié)果表明，采用更低電耗的電解槽將有利于降低氫氣平準(zhǔn)化成本，每降低1 kWh/Nm

H

電耗，則可降低氫氣平準(zhǔn)化成本幅度為1.1 P 元/Nm

H

(P 是電價(jià)，元/kWh)；當(dāng)電價(jià)更低時(shí)，氫氣的平準(zhǔn)化成本也相應(yīng)降低，電價(jià)降低0.01 元/kWh，氫氣平準(zhǔn)化成本的降幅為0.057元/Nm

。電價(jià)基本是決定氫氣價(jià)格的主要因素，電解槽性能也決定了用電的多少，因此，提高電解槽性能在氫氣成本中尤為重要，提高電解水設(shè)備溫度和能量轉(zhuǎn)化效率在成本控制中十分關(guān)鍵。此外，電解槽的電解耐久性是制氫成本進(jìn)一步下降的關(guān)鍵因素之一。通過提高電解槽壽命或采取定期維護(hù)方式，降低全生命周期電耗，有利于提高制氫廠經(jīng)濟(jì)性。

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