不同應用場景的電解水制氫成本探究

解騰飛

［摘 要］資源緊缺、環境污染等生態問題已然成為阻礙人類發展的重大問題，各地的相關組織與學者都在積極開拓創造資源和保護環境的新方法。在此過程中，氫能源成為許多科研團隊重點關注的可再生能源。現如今氫能源利用主要采用的是電解水制氫，此項技術在不同的運用場景中所需創設的環境不同，需要的成本也不同。合理地分析電解水制氫的成本，才能進一步提升電解水制氫工作的質量與效率。本文簡要分析電解水制氫的原理、優勢和技術，闡述了推薦使用的風電光伏制氫方式的原理，并進一步探究不同場景下電解水制氫的方法與成本。

［關鍵詞］制氫；電解水；成本探究

［中圖分類號］TK91文獻標志碼：A

人類的生存與發展離不開資源，國內外過去的能源體系以化石燃料為主，該資源的應用還會對生態環境帶來極大的負面影響，加重全球變暖等。因此，現如今，各國都在致力于將傳統化石能源體系轉變為低碳環保能源體系，開發并利用具備環保化、高效化、可再生化等特點的低碳能源。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發展的進程。氫能源具備來源豐富、能量密度較高、存儲方式較多、零碳排放等優勢，發展氫能是國家調整產業結構和實現能源轉型的重大發展方向。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，過程中不會產生溫室氣體和有害氣體。在不同的應用場景下，電解水制氫的方式不同，所需要消耗的成本也不同，這是未來科研團隊開發與利用氫能源的過程中需要重點考慮的問題。

1 淺析電解水制氫

1.1 電解水制氫的原理與優勢

氫能源被稱為21世紀發展潛能最大的可再生能源，具備環保性強、開發方式多等多種優勢。電解水制氫的原理是在不同的反應條件下，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行水電解制氫，需要的條件和最終能夠實現的效果各不相同。電解水制氫相較煤料制氫、天然氣制氫等方式而言，具備獨特的優勢，即在電解水開發氫能源的過程中，不會產生任何有害污染物，實現了零排放零污染，非常環保。電解水制氫的能源利用率高，可達90 %以上。其原因主要是電能可被充分利用，氫氣的產量較高，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，能在多種不同的應用場景下進行，適用性和穩定性都很強，便于結合實際需求調整方案。

1.2 電解水制氫技術分析

首先，堿性水電解技術通常利用KOH溶液，使用石棉膜作為電解質隔膜。隔膜為多孔材料，產生的氣體可能發生滲漏，強堿具有一定的腐蝕性，會對環境造成危害，因此需要控制電壓的壓差，產生的氫氣需要脫堿。其電流密度低，能耗較高，產氫純度可以達99.8 %以上，已經充分具備產業化的基礎條件，技術較為成熟。固體聚合物水電解技術采取質子交換膜作為電解質隔膜，能夠有效阻隔電子傳遞，有利于質子傳導。此種方法具備較強的化學穩定性，基本不會產生污染，也沒有使用具有腐蝕性的介質，電流密度較高，操作效率較高，能夠快速啟動和停止，產氫純度高達99.99 %，產氣壓力較高，但目前沒有形成產業化結構，還在初步商業化階段。固體氧化物水電解技術采取固體氧化物作為電解質隔膜，電解槽電極采用非貴金屬催化劑，電耗效率預期達到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，采用陰離子交換膜作為電解質隔膜，以純水或者濃度較低的堿性溶液作為電解質，可實現電解質循環電解，達到更良好的效果，產氫純度在99.99 %以上，沒有污染和腐蝕性介質，能夠快速啟停操作，目前仍處于實驗階段［2］。

1.3 風電光伏制氫

風能和太陽能對于經濟發展和社會進步而言，一直是重要的清潔能源，很多相關學者都將風電和光伏看作是替代傳統煤電資源的最佳能源。我國的風電和光伏的裝機設備規模目前已經超過六億千瓦，但通過光能和風能轉換成的電能，往往無法實現高效率、高質量的存儲，造成資源的浪費。在持續開發的過程中，研究人員發現通過風電光伏制氫的方式，能充分利用轉換的電能，提升風電和光伏操作工序的效果，擴展風能與太陽能的應用方式。通過風電光伏制氫，再利用氫能進行能源轉型和產業結構調整，能夠更進一步實現化石能源的替代。如今，全國各地的科研團隊已經開始廣泛應用風電光伏制氫，將風電光伏融入電解水制氫，一方供能一方產能，可以實現能源開發效果的最大化，助推可再生能源項目的開發與利用。

2 不同應用場景的電解水制氫成本

2.1 風電/光伏制氫輸送加氫站

加氫站是氫能儲存與利用的關鍵設施，更是燃料電池車能源供應的保障。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向內輸送，此種方式所需承擔的氫氣輸送成本較高，另一種是站內制氫站自行輸送給加氫站，需要經過一系列轉換。制氫站點產生氫氣后，可以通過以下三種運輸形式進行傳送：第一種是利用長管拖車進行長途或短途運輸，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。

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

電解水的設備利用率并非越大越好，利用率由20 %上漲至40 %時，成本能夠有效地降低，但當風電光伏制氫的電解水設備利用率由40 %往上增加時，成本降低速率會逐漸放緩，到60 ％區間，其成本大約可以降低2.5 元/kg。采取切實有效的措施降低存儲運輸、加注的成本，也有助于進一步降低制氫成本。當風電光伏電解水制氫設備的成本大于10 050 元/kW時，通過70 MPa壓力加注后，制氫成本為50.9 元/kg。一般來說，采用質子交換膜電解法時，其設備成本對氫氣成本的影響較為顯著。按照運輸距離為100 km的情況計算，其運輸成本為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。隨著運輸距離的增加，運輸成本和加注氫氣的成本也會持續增加，因此風電光伏制氫的氫氣運輸距離不宜太遠，在100 km左右較為合適。

2.2 加氫站現場制氫

因為氫氣密度較小、較難運輸，想要高效地輸送氫氣，往往需要較高的成本。為了助推氫能開發產業的高速發展，制氫加氫一體化的站點已然成為新的發展方向。加氫站的產生不僅便于提高效率，減少資源損耗，同時也解決了氫能運輸成本偏高的問題，降低了制造氫能的成本。加氫站利用風電/光伏的方式現場制氫，可以減少10 元/kg的運輸成本和5 元/kg的制氫成本。除此之外，直接采用加氫站現場制氫的方式，也能有效降低度電成本、電解設備成本，提高設備利用率［4］。現場制氫可以降低度電成本的主要原因是現場制氫能在更短的時間內為加氫站供給同等重量的氫氣，無需額外耗費存儲和運輸氫氣的費用，度電成本降低0.1 元/kWh時，氫氣成本可以降低約6 元/kg。比如在1 500 kg/d的加氫站制氫規模下，所需要采用的電解水設備成本大約為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，其加注成本低于41 元/kg。

度電成本增高的情況下，對設備利用率的要求會更高。現如今，加氫站使用的現場制氫的堿性電解水設備分為多種類型，大多數設備所需耗費的成本不高，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，質子交換膜電解設備的綜合成本較高，但是其存在諸多優勢，便于得到純度較高的氫氣。綜合來看，現場制氫在后期一定會重視解決成本高的問題，隨著規模化生產技術的不斷發展與進步，解決其存在的弊端后，可以拓寬現場制氫的方式，提升制氫的效果，提高其經濟效益，盡可能先達到3 015 元/kW，并將耗電率降低至50 kWh/kg，確保應用于加氫站的現場制氫具有明顯優勢［5］。

2.3 風電/光伏制氫注入天然氣管網

在制氫生產線逐步完善的前提下可以拓寬氫能的使用方式，采取風電光伏供能和水電解制氫的方法，把氫氣進行壓縮處理，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，在節約資源的同時也可以減少碳排放，避免天然氣燃燒產生污染。該應用方式的前提是電力制氫的氫氣流量符合標準，天然氣管道材料與風電光伏所制的氫氣相容性滿足要求，天然氣摻氫技術具備可靠性和安全性。注入天然氣管網中的氫氣，不僅能夠增強天然氣的使用效果，還能夠提高天然氣管網的運作效率，為用戶提供更強勁的能量輸送來源。這些注入了氫氣的天然氣一般會同大多數的天然氣一樣，通過管道線路網去往四面八方，供給居民、加氫站、化工廠等。

隨著設備利用率的增加，氫氣成本也會發生改變。從經濟效益來看，將風電/光伏制氫注入天然氣管網，能夠達到良好的經濟收益，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后能有效變為混合氣，供給燃燒時，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 %。以相同熱值計算，混合氣成本大約為每立方米1.59元。當度電成本增加時，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定性和安全性，還需要額外添加安全設施，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。根據供熱場景的不同，也需要適當調整混合氣的價格，爭取盈利空間。盈利空間之間的區別將會促使最終成本發生改變，現如今，天然氣與氫氣的應用模式也在不斷的完善與優化中。

2.4 制氫儲能套利峰谷電價差

制氫儲能套利峰谷電價差在儲能蓄熱產業發展較好的地區較為常見，其旨在使用峰谷差別電價刺激消費，屬于錯峰填谷，能夠有效提升能源使用效率，降低供電的整體成本。用戶可在該地區電價較低的時候利用制氫儲能設備存儲定量的電能，等到電價上漲后，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，相關部門可以通過增加峰谷差，引導用戶調整用電時間，科學合理地用電，鼓勵用戶錯峰用電，減少資源浪費，降低平均成本。由于不同地區的基礎經濟情況不同，其所擁有的盈利空間和機會也不同，通常來說，峰谷電價差越大，盈利的空間就越大。大多數地區的經濟情況和實際儲能需求都處于平均水平，因此制氫儲能再發電的度電成本往往都會高于峰電度電的價格，這代表峰谷電價差較小，總體而言的盈利空間較小。

3 結束語

總而言之，為了推動能源體系的轉型，制造具備環保化、可再生等優勢的氫能源，已經成為未來十分重要的資源開發工作。為了保護生態環境，從長遠的角度來看，電解水制氫是最為可靠且穩定的氫氣制造形式。電解水制氫也具備著操作簡便、環保性強等優勢，在實際的生產與生活中有著不同的應用場景。為了充分提升電解水制氫的工作效率和經濟效益，針對風電光伏制氫輸送加氫站、加氫站現場制氫、制氫注入天然氣管網和制氫儲能套利峰谷電價差這四個場景，綜合探討成本的影響因素，結合實際情況預估數值可知，影響制氫成本的因素有多種，應結合實際情況科學地調整各項因素的數值，降低成本。

參考文獻

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［2］本刊. 有望降低電解水制氫成本的全新膜技術［J］. 現代塑料，2021（3）：22-23.

［3］何昀宸. 解讀PEM電解水制氫技術和成本降低空間［J］. 中國科技縱橫，2022（24）：18-20.

［4］徐進，丁顯，宮永立，等. 電解水制氫廠站經濟性分析［J］. 儲能科學與技術，2022，11（7）：2374-2385.

［5］俞紅梅，邵志剛，侯明，衣寶廉，段方維，楊瀅璇. 電解水制氫技術研究進展與發展建議［J］. 中國工程科學，2021，23（2）：146-152.

［6］葛磊蛟，崔慶雪，李明瑋，等. 風光波動性電源電解水制氫技術綜述［J］. 綜合智慧能源，2022，44（5）：1-14.

［7］丁顯，馮濤，何廣利，等. 風電光伏波動性電源對電解水制氫電解槽影響的研究進展［J］. 儲能科學與技術，2022，11（10）：3275-3284.