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當(dāng)前可再生能源電解水氫氣平準(zhǔn)化成本在20~40元/kg，高成本制約了清潔氫的產(chǎn)業(yè)化。度電成本、運行負(fù)荷、制氫效率與設(shè)備成本是電解水制氫技術(shù)降本的關(guān)鍵因素。降低低碳清潔氫氣平準(zhǔn)化價格，需要從技術(shù)、商業(yè)模式創(chuàng)新等多方面協(xié)同發(fā)力，從而發(fā)揮其在能源轉(zhuǎn)型及深度脫碳方面的作用。隨著低碳清潔氫發(fā)展成為全球共識，各國制氫技術(shù)路線均立足本地氫源潛力和未來氫能產(chǎn)業(yè)需求，呈現(xiàn)低碳氫、清潔氫到可再生氫的梯次發(fā)展趨勢。電解水制氫技術(shù)的發(fā)展是低碳清潔氫氣供給的突破口。

電解水制氫技術(shù)主要有堿性水電解（Alkaline Electrolyzer, AE）制氫技術(shù)、質(zhì)子交換膜水電解（Proton Exchange Membrane Electrolyzer, PEME）制氫技術(shù)和固體氧化物水電解（Solid Oxide Electrolyzer, SOE）制氫技術(shù)。然而盡管越來越多的應(yīng)用場景將低碳清潔氫氣放在首要位置，但建設(shè)低碳清潔氫氣供應(yīng)鏈面臨著基礎(chǔ)設(shè)施匱乏等諸多障礙。其中，經(jīng)濟性首當(dāng)其沖，尤其是電解水制氫環(huán)節(jié)的能量損失和耐久性廣深受業(yè)界關(guān)注。

作為未來主流的制氫方式，電解水制氫成本主要取決于電解槽的投資成本、利用負(fù)荷及度電成本。其中，度電成本對電解水制氫成本的影響敏感性最高，約占總成本的70%~90%。

我國目前平準(zhǔn)化低碳清潔氫成本如圖1所示。以2000N?m3/h堿性電解水制氫項目為例，負(fù)荷率95%條件下，當(dāng)采用工業(yè)電價0.616元/(kW?h)時，制氫成本約為39.06元/kgH2。

當(dāng)前水電、陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電、光伏的度電平準(zhǔn)化成本分別為0.33元/(kW?h)、0.41元/(kW?h)、0.63元/(kW?h)、0.40元/(kW?h)，對應(yīng)的平準(zhǔn)化氫氣成本分別為22.89元/kgH2、27.65元/ kgH2、40.05元/ kgH2、26.65元/kgH2。而當(dāng)前PEM電解水制氫設(shè)備比AE設(shè)備高出5倍以上，平準(zhǔn)化氫氣成本將增加40%左右。

圖1 我國目前平準(zhǔn)化低碳清潔氫成本

技術(shù)持續(xù)進步和裝機規(guī)模擴大將持續(xù)推動可再生能源發(fā)電成本下降。到2035年，光伏與風(fēng)電的新增裝機發(fā)電成本預(yù)計將低于0.3元/(kWh)。到2050年新增光伏和風(fēng)電發(fā)電成本將降至約0.13元/(kWh)和0.25元/(kWh)，風(fēng)能和太陽能將成為最廉價和最豐富的電力來源?？稍偕茉措娊馑茪涑杀緦⒌椭?1.63元/kgH2，不考慮碳稅情況下，已明顯低于化石能源+碳捕集與封存（Carbon Capture and Storage, CCS）制氫成本。

除度電成本外，運行負(fù)荷和電解水制氫效率亦是電解水制氫關(guān)鍵降低成本因素。以堿性電解水制氫為例，運行負(fù)荷分別為1000h、3500h、6000h和8322h時，平準(zhǔn)化氫氣成本分別為58.53元/kgH2、42.72元/kgH2、40.08元/kgH2、39.06元/kgH2。

電解水制氫電耗從當(dāng)前5kW?h/(N?m3)降低至4kW?h/(N?m3)時，平準(zhǔn)化氫氣成本可降低約20%。對PEM電解水制氫技術(shù)而言，關(guān)鍵降本驅(qū)動因素還包括設(shè)備成本。隨著未來產(chǎn)業(yè)規(guī)模化和技術(shù)進步，PEM電解水制氫設(shè)備有望降低50%以上，平準(zhǔn)化氫氣成本有望降低20%。

降低低碳清潔氫氣平準(zhǔn)化價格，需要從技術(shù)、商業(yè)模式創(chuàng)新等多方面協(xié)同發(fā)力，從而發(fā)揮其在能源轉(zhuǎn)型及深度脫碳方面的作用。結(jié)合全球低碳清潔氫氣標(biāo)準(zhǔn)的推進，政府和產(chǎn)業(yè)界可以提出促進低碳清潔氫氣在交通、鋼鐵等領(lǐng)域應(yīng)用的目標(biāo)或激勵措施，加快低碳清潔氫氣市場的建立，為打造低碳清潔氫氣供應(yīng)體系提供可持續(xù)的市場需求。

本文編自2022年第11期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“碳中和目標(biāo)下電解水制氫關(guān)鍵技術(shù)及價格平準(zhǔn)化分析”。本課題得到了國家重點研發(fā)計劃、國家能源集團科技創(chuàng)新項目和國華投資公司科技創(chuàng)新項目（碳中和愿景下公司氫能發(fā)展路徑研究）資助的支持。