不同應(yīng)用場景的電解水制氫成本探究

解騰飛

［摘 要］資源緊缺、環(huán)境污染等生態(tài)問題已然成為阻礙人類發(fā)展的重大問題，各地的相關(guān)組織與學(xué)者都在積極開拓創(chuàng)造資源和保護(hù)環(huán)境的新方法。在此過程中，氫能源成為許多科研團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)關(guān)注的可再生能源?，F(xiàn)如今氫能源利用主要采用的是電解水制氫，此項(xiàng)技術(shù)在不同的運(yùn)用場景中所需創(chuàng)設(shè)的環(huán)境不同，需要的成本也不同。合理地分析電解水制氫的成本，才能進(jìn)一步提升電解水制氫工作的質(zhì)量與效率。本文簡要分析電解水制氫的原理、優(yōu)勢和技術(shù)，闡述了推薦使用的風(fēng)電光伏制氫方式的原理，并進(jìn)一步探究不同場景下電解水制氫的方法與成本。

［關(guān)鍵詞］制氫；電解水；成本探究

［中圖分類號］TK91文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

人類的生存與發(fā)展離不開資源，國內(nèi)外過去的能源體系以化石燃料為主，該資源的應(yīng)用還會對生態(tài)環(huán)境帶來極大的負(fù)面影響，加重全球變暖等。因此，現(xiàn)如今，各國都在致力于將傳統(tǒng)化石能源體系轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞辑h(huán)保能源體系，開發(fā)并利用具備環(huán)?；?、高效化、可再生化等特點(diǎn)的低碳能源。其中，氫能源是目前最具潛力的可再生清潔能源，利用氫能源能有效助力可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程。氫能源具備來源豐富、能量密度較高、存儲方式較多、零碳排放等優(yōu)勢，發(fā)展氫能是國家調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的重大發(fā)展方向。但是不同的制氫工藝的效果不同，目前更推薦使用電解水制氫，其操作方式較為簡單，過程中不會產(chǎn)生溫室氣體和有害氣體。在不同的應(yīng)用場景下，電解水制氫的方式不同，所需要消耗的成本也不同，這是未來科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)與利用氫能源的過程中需要重點(diǎn)考慮的問題。

1 淺析電解水制氫

1.1 電解水制氫的原理與優(yōu)勢

氫能源被稱為21世紀(jì)發(fā)展?jié)撃茏畲蟮目稍偕茉?，具備環(huán)保性強(qiáng)、開發(fā)方式多等多種優(yōu)勢。電解水制氫的原理是在不同的反應(yīng)條件下，通過直流電將特定的水溶液中的水分子電解成氧氣和氫氣，從電解槽的陽極和陰極分別析出，然后將陰極析出的氫氣收集起來。最常使用的水溶液有堿性水、固體聚合物水、固體氧化物水、固體聚合物陰離子水等。采用不同的水溶液進(jìn)行水電解制氫，需要的條件和最終能夠?qū)崿F(xiàn)的效果各不相同。電解水制氫相較煤料制氫、天然氣制氫等方式而言，具備獨(dú)特的優(yōu)勢，即在電解水開發(fā)氫能源的過程中，不會產(chǎn)生任何有害污染物，實(shí)現(xiàn)了零排放零污染，非常環(huán)保。電解水制氫的能源利用率高，可達(dá)90 %以上。其原因主要是電能可被充分利用，氫氣的產(chǎn)量較高，所制得的氫氣純度也較高［1］。除此之外，電解水制氫靈活性較強(qiáng)，能在多種不同的應(yīng)用場景下進(jìn)行，適用性和穩(wěn)定性都很強(qiáng)，便于結(jié)合實(shí)際需求調(diào)整方案。

1.2 電解水制氫技術(shù)分析

首先，堿性水電解技術(shù)通常利用KOH溶液，使用石棉膜作為電解質(zhì)隔膜。隔膜為多孔材料，產(chǎn)生的氣體可能發(fā)生滲漏，強(qiáng)堿具有一定的腐蝕性，會對環(huán)境造成危害，因此需要控制電壓的壓差，產(chǎn)生的氫氣需要脫堿。其電流密度低，能耗較高，產(chǎn)氫純度可以達(dá)99.8 %以上，已經(jīng)充分具備產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)條件，技術(shù)較為成熟。固體聚合物水電解技術(shù)采取質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)隔膜，能夠有效阻隔電子傳遞，有利于質(zhì)子傳導(dǎo)。此種方法具備較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，基本不會產(chǎn)生污染，也沒有使用具有腐蝕性的介質(zhì)，電流密度較高，操作效率較高，能夠快速啟動和停止，產(chǎn)氫純度高達(dá)99.99 %，產(chǎn)氣壓力較高，但目前沒有形成產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu)，還在初步商業(yè)化階段。固體氧化物水電解技術(shù)采取固體氧化物作為電解質(zhì)隔膜，電解槽電極采用非貴金屬催化劑，電耗效率預(yù)期達(dá)到100 %，但其存在制氫流程啟停不便等弊端，目前仍處于初期示范階段。固體聚合物陰離子交換膜水電解技術(shù)，采用陰離子交換膜作為電解質(zhì)隔膜，以純水或者濃度較低的堿性溶液作為電解質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)循環(huán)電解，達(dá)到更良好的效果，產(chǎn)氫純度在99.99 %以上，沒有污染和腐蝕性介質(zhì)，能夠快速啟停操作，目前仍處于實(shí)驗(yàn)階段［2］。

1.3 風(fēng)電光伏制氫

風(fēng)能和太陽能對于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步而言，一直是重要的清潔能源，很多相關(guān)學(xué)者都將風(fēng)電和光伏看作是替代傳統(tǒng)煤電資源的最佳能源。我國的風(fēng)電和光伏的裝機(jī)設(shè)備規(guī)模目前已經(jīng)超過六億千瓦，但通過光能和風(fēng)能轉(zhuǎn)換成的電能，往往無法實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的存儲，造成資源的浪費(fèi)。在持續(xù)開發(fā)的過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)通過風(fēng)電光伏制氫的方式，能充分利用轉(zhuǎn)換的電能，提升風(fēng)電和光伏操作工序的效果，擴(kuò)展風(fēng)能與太陽能的應(yīng)用方式。通過風(fēng)電光伏制氫，再利用氫能進(jìn)行能源轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，能夠更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)化石能源的替代。如今，全國各地的科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用風(fēng)電光伏制氫，將風(fēng)電光伏融入電解水制氫，一方供能一方產(chǎn)能，可以實(shí)現(xiàn)能源開發(fā)效果的最大化，助推可再生能源項(xiàng)目的開發(fā)與利用。

2 不同應(yīng)用場景的電解水制氫成本

2.1 風(fēng)電/光伏制氫輸送加氫站

加氫站是氫能儲存與利用的關(guān)鍵設(shè)施，更是燃料電池車能源供應(yīng)的保障。通常有兩種向加氫站輸送氫氣的方式，一種是由加氫站外的制氫站點(diǎn)向內(nèi)輸送，此種方式所需承擔(dān)的氫氣輸送成本較高，另一種是站內(nèi)制氫站自行輸送給加氫站，需要經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換。制氫站點(diǎn)產(chǎn)生氫氣后，可以通過以下三種運(yùn)輸形式進(jìn)行傳送：第一種是利用長管拖車進(jìn)行長途或短途運(yùn)輸，第二種是用液氫罐存儲并輸送，第三種是通過氫氣管道輸送。輸送過程中的供氫壓力等級不同，一般有35 MPa和70 MPa兩種，消耗的成本存在差別。

風(fēng)電光伏制氫的成本主要包括氫氣生產(chǎn)量、電解設(shè)備價(jià)格、設(shè)備安裝費(fèi)用、設(shè)備使用期限、檢修及更換周期、耗電量、儲存成本、壓縮效率、運(yùn)輸方式及單價(jià)等。利用堿性電解水技術(shù)制氫，需要使用電解槽等設(shè)備，設(shè)備成本平均為2 000 元/kW，輸送的方式主要有20 MPa高壓氣氫長管拖車運(yùn)輸、70 MPa氫氣加注運(yùn)輸。采取大規(guī)模運(yùn)輸和存儲的形式，以運(yùn)輸距離為100 km舉例，當(dāng)度電成本降低0.1 元/kWh，最終制出氫氣的成本會下降約5.5 元/kg，度電價(jià)格成為影響制氫成本的關(guān)鍵因素之一。其次，隨著水電解進(jìn)程的推進(jìn)，電解水設(shè)備的工作效率對氫氣成本的影響較大。設(shè)備的工作效果越能夠保持優(yōu)良水準(zhǔn)，工作效率隨之逐步提升，則有利于降低總成本［3］。

電解水的設(shè)備利用率并非越大越好，利用率由20 %上漲至40 %時(shí)，成本能夠有效地降低，但當(dāng)風(fēng)電光伏制氫的電解水設(shè)備利用率由40 %往上增加時(shí)，成本降低速率會逐漸放緩，到60 ％區(qū)間，其成本大約可以降低2.5 元/kg。采取切實(shí)有效的措施降低存儲運(yùn)輸、加注的成本，也有助于進(jìn)一步降低制氫成本。當(dāng)風(fēng)電光伏電解水制氫設(shè)備的成本大于10 050 元/kW時(shí)，通過70 MPa壓力加注后，制氫成本為50.9 元/kg。一般來說，采用質(zhì)子交換膜電解法時(shí)，其設(shè)備成本對氫氣成本的影響較為顯著。按照運(yùn)輸距離為100 km的情況計(jì)算，其運(yùn)輸成本為5.2 元/kg。除此之外，制氫的度電成本是0.2 元/kWh，加注氫氣操作的成本大約為40.1 元/kg。隨著運(yùn)輸距離的增加，運(yùn)輸成本和加注氫氣的成本也會持續(xù)增加，因此風(fēng)電光伏制氫的氫氣運(yùn)輸距離不宜太遠(yuǎn)，在100 km左右較為合適。

2.2 加氫站現(xiàn)場制氫

因?yàn)闅錃饷芏容^小、較難運(yùn)輸，想要高效地輸送氫氣，往往需要較高的成本。為了助推氫能開發(fā)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，制氫加氫一體化的站點(diǎn)已然成為新的發(fā)展方向。加氫站的產(chǎn)生不僅便于提高效率，減少資源損耗，同時(shí)也解決了氫能運(yùn)輸成本偏高的問題，降低了制造氫能的成本。加氫站利用風(fēng)電/光伏的方式現(xiàn)場制氫，可以減少10 元/kg的運(yùn)輸成本和5 元/kg的制氫成本。除此之外，直接采用加氫站現(xiàn)場制氫的方式，也能有效降低度電成本、電解設(shè)備成本，提高設(shè)備利用率［4］?，F(xiàn)場制氫可以降低度電成本的主要原因是現(xiàn)場制氫能在更短的時(shí)間內(nèi)為加氫站供給同等重量的氫氣，無需額外耗費(fèi)存儲和運(yùn)輸氫氣的費(fèi)用，度電成本降低0.1 元/kWh時(shí)，氫氣成本可以降低約6 元/kg。比如在1 500 kg/d的加氫站制氫規(guī)模下，所需要采用的電解水設(shè)備成本大約為2 000 元/kW。一般采用終端70 MPa壓力加注的形式，在度電成本低于0.4 元/kWh時(shí)，其加注成本低于41 元/kg。

度電成本增高的情況下，對設(shè)備利用率的要求會更高?，F(xiàn)如今，加氫站使用的現(xiàn)場制氫的堿性電解水設(shè)備分為多種類型，大多數(shù)設(shè)備所需耗費(fèi)的成本不高，但是往往存在著體積偏大的弊端，增加了空間的使用成本。相較而言，質(zhì)子交換膜電解設(shè)備的綜合成本較高，但是其存在諸多優(yōu)勢，便于得到純度較高的氫氣。綜合來看，現(xiàn)場制氫在后期一定會重視解決成本高的問題，隨著規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，解決其存在的弊端后，可以拓寬現(xiàn)場制氫的方式，提升制氫的效果，提高其經(jīng)濟(jì)效益，盡可能先達(dá)到3 015 元/kW，并將耗電率降低至50 kWh/kg，確保應(yīng)用于加氫站的現(xiàn)場制氫具有明顯優(yōu)勢［5］。

2.3 風(fēng)電/光伏制氫注入天然氣管網(wǎng)

在制氫生產(chǎn)線逐步完善的前提下可以拓寬氫能的使用方式，采取風(fēng)電光伏供能和水電解制氫的方法，把氫氣進(jìn)行壓縮處理，隨后存儲在指定位置。將其混入天然氣管道，能有效減少天然氣用量及上千萬噸的碳排放量，在節(jié)約資源的同時(shí)也可以減少碳排放，避免天然氣燃燒產(chǎn)生污染。該應(yīng)用方式的前提是電力制氫的氫氣流量符合標(biāo)準(zhǔn)，天然氣管道材料與風(fēng)電光伏所制的氫氣相容性滿足要求，天然氣摻氫技術(shù)具備可靠性和安全性。注入天然氣管網(wǎng)中的氫氣，不僅能夠增強(qiáng)天然氣的使用效果，還能夠提高天然氣管網(wǎng)的運(yùn)作效率，為用戶提供更強(qiáng)勁的能量輸送來源。這些注入了氫氣的天然氣一般會同大多數(shù)的天然氣一樣，通過管道線路網(wǎng)去往四面八方，供給居民、加氫站、化工廠等。

隨著設(shè)備利用率的增加，氫氣成本也會發(fā)生改變。從經(jīng)濟(jì)效益來看，將風(fēng)電/光伏制氫注入天然氣管網(wǎng)，能夠達(dá)到良好的經(jīng)濟(jì)收益，天然氣平均成本為每立方米1.5元，將特定濃度的氫氣注入管網(wǎng)后能有效變?yōu)榛旌蠚?，供給燃燒時(shí)，形成的混合氣的平均成本為每立方米1.48元［6］。論熱值而言，氫氣不如天然氣，每立方米混合氣的綜合熱值大約會降低6.7 %。以相同熱值計(jì)算，混合氣成本大約為每立方米1.59元。當(dāng)度電成本增加時(shí)，與每立方米天然氣與氫氣的混合氣成本也會增加［7］。綜合考慮到混合氣燃燒的穩(wěn)定性和安全性，還需要額外添加安全設(shè)施，這也需要增加一定的成本。除此之外，在全國各地使用天然氣的場所有許多種，通常分為民用天然氣、商用天然氣、車用天然氣。根據(jù)供熱場景的不同，也需要適當(dāng)調(diào)整混合氣的價(jià)格，爭取盈利空間。盈利空間之間的區(qū)別將會促使最終成本發(fā)生改變，現(xiàn)如今，天然氣與氫氣的應(yīng)用模式也在不斷的完善與優(yōu)化中。

2.4 制氫儲能套利峰谷電價(jià)差

制氫儲能套利峰谷電價(jià)差在儲能蓄熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好的地區(qū)較為常見，其旨在使用峰谷差別電價(jià)刺激消費(fèi)，屬于錯(cuò)峰填谷，能夠有效提升能源使用效率，降低供電的整體成本。用戶可在該地區(qū)電價(jià)較低的時(shí)候利用制氫儲能設(shè)備存儲定量的電能，等到電價(jià)上漲后，利用燃料電池釋放此前儲存的電能。所以在峰荷壓力大的地區(qū)，相關(guān)部門可以通過增加峰谷差，引導(dǎo)用戶調(diào)整用電時(shí)間，科學(xué)合理地用電，鼓勵(lì)用戶錯(cuò)峰用電，減少資源浪費(fèi)，降低平均成本。由于不同地區(qū)的基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)情況不同，其所擁有的盈利空間和機(jī)會也不同，通常來說，峰谷電價(jià)差越大，盈利的空間就越大。大多數(shù)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)情況和實(shí)際儲能需求都處于平均水平，因此制氫儲能再發(fā)電的度電成本往往都會高于峰電度電的價(jià)格，這代表峰谷電價(jià)差較小，總體而言的盈利空間較小。

3 結(jié)束語

總而言之，為了推動能源體系的轉(zhuǎn)型，制造具備環(huán)?；⒖稍偕葍?yōu)勢的氫能源，已經(jīng)成為未來十分重要的資源開發(fā)工作。為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，從長遠(yuǎn)的角度來看，電解水制氫是最為可靠且穩(wěn)定的氫氣制造形式。電解水制氫也具備著操作簡便、環(huán)保性強(qiáng)等優(yōu)勢，在實(shí)際的生產(chǎn)與生活中有著不同的應(yīng)用場景。為了充分提升電解水制氫的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，針對風(fēng)電光伏制氫輸送加氫站、加氫站現(xiàn)場制氫、制氫注入天然氣管網(wǎng)和制氫儲能套利峰谷電價(jià)差這四個(gè)場景，綜合探討成本的影響因素，結(jié)合實(shí)際情況預(yù)估數(shù)值可知，影響制氫成本的因素有多種，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況科學(xué)地調(diào)整各項(xiàng)因素的數(shù)值，降低成本。

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