新能源風光發電制氫成本動態測算分析

中海油能源發展裝備技術有限公司 孟慶瑩

目前以化石能源為主的制氫技術發展的愈加成熟，且成本較低，但卻存在嚴重的污染問題，無法滿足能源綠色低碳發展要求。新能源風光發電制氫技術逐漸成為大眾關注的焦點，以新能源發電技術為依托，通過電解水制氫，不僅可以做到綠色制氫，也能助力“雙碳”目標早日實現。由于受到風、光資源條件分布、不同項目技術工藝等因素制約，致使制氫成本難以把控?；诖耍疚奶岢鲆环N按照年度估算新能源風光發電制氫成本的方法，運用組合方案測算成本，為后期制定降低制氫成本策略提供科學依據。

1 新能源風光發電制氫成本研究現狀

氫能環保低碳的二次能源，是我國現階段逐步推進多元化綜合能源供應體系構建所需的重要能源之一。其中煤制氫、焦爐煤氣制氫是較常的利用化石能源進行制氫的技術手段，隨著科學技術進步，該項制氫技術得到成熟化、規?；l展，且制氫成本較低，但存在極為嚴重的污染問題，尤其是CO2排放未達到國家規定標準，與我國當前提出的能源綠色低碳發展戰略目標不一致。

豐富的可再生能源資源是我國新能源產業發展的重要基礎，風能與太陽能仍有極大的開發空間，因新能源發電極易受到多方面因素，致使發電不穩定；其中電解水技術與新能源風光發電相結合，可以解決可再生能源無法被穩定轉化為氫能的問題，滿足季節性、大規模儲存氫能的需求。以可再生能源發電為支撐，運用電解水制氫技術基本可以做到CO2“零排放”，促進我國綠色制氫產業發展。以風電制氫技術為例，即是通過風輪轉子將豐富的風力資源轉化為機械能，再將機械能轉換為電能，并向電解水制氫設備傳輸，實現電—氫轉換，再經由壓縮機壓縮存入儲氫罐中，經過運輸在應用終端。按照與電網連接情況，可以將風力發電制氫系統劃分為兩種類型，分別是并網型風電制氫系統和離網型風電制氫系統。

從現階段我國離網條件下的風電耦合制氫技術發展情況來看，仍處于起步階段，普遍以并網型風電耦合制氫系統為主，由風力發電機組、儲能變流器能量轉換及控制系統、電解槽制氫模塊、氫氣壓縮機等其他重要裝置設備組成。在風力發電制氫系統運行狀態，風力發電機設備與電網接入時也要同步接入電解槽，當電網電力供應不穩定情況出現時，風力發電機組將暫停電網供電以及停止制氫；當電網電力有富余時，電解槽可將從風機獲得的電力加以利用，最大程度減少能源浪費，有效提高風電制氫經濟性，由此可見該項技術具有很好的應用前景。

為了驗證新能源風光發電制氫全面推廣的可行性，仍需要進一步研究新能源風光發電制氫成本，本單位通過調研國內現有制氫項目以及搜集相關文獻資料，得知諸多學者和專業人員均對新能源風光發電制氫的成本問題展開可深入研究，同時也對影響新能源風光發電制氫成本各方面因素進行了分析，制氫成本趨勢變化逐漸成為國內外氫能研究組織所關注的焦點。

風能、太陽能分布、不同項目投入的技術工藝以及企業運營管理成本等方面均有著明顯差異，僅結合單個項目數據對制氫成本或風光發電成本進行估算，并不能確保可以將整個行業或國家層面所對應的成本水平進行體現；因此，需要重新選擇新能源風光發電制氫成本估算標準，選擇行業內具有一定代表性的上市企業獲取其年度成本數據，在此基礎上對發電成本進行估算，既能保證最終結果具有參考性和準確性，又能將近期制氫成本變化趨勢真實呈現[1]。

2 動態測算新能源風光發電制氫成本的方法

2.1 按照年度估算行業整體成本的研究思路

本單位提出的按照年度估算行業整體成本的研究思路和方法，不考慮單一項目現金流量成本估算；結合現有制氫評估方法研究情況，進一步明確了針對制氫成本測算，必須轉變原有特定分析某一項目成本的思維，應向行業整體視角延伸，目的是將存在的個體差異影響因素消除，又能迎合發電－制氫的一體化應用發展趨勢，加強新能源風光發電產業發電成本與電解水制氫成本之間的密切聯系，提取風、光產業的發電成本數據，測算電解水制氫成本。再將不同新能源與電解槽技術組合多個方案，站在風光發電-制氫一體化角度，以上市企業數據為參照動態測算產業發電成本，真實展現新能源風光發電制氫成本變化趨勢，探究未來利用新能源發電制氫其成本是否仍有較大降低空間的可能性，有利于增強我國新能源風光發電制氫競爭優勢。

2.2 按照年度估算行業發電成本的方法

本單位通過開展調研工作，獲取某企業所公布的年度發電成本、發電量等相關數據，在此基礎上對企業發電成本進行估算，以掌握發電年度生產成本。在估算發電成本過程中，扣除總體建設投資部分，并保留年度折舊。同時以行業內已經上市企業發電成本為參考依據，估算行業年度發電平均成本，綜合考慮不同企業各自發電成本之間的不同，本單位在研究過程中，提出運用加權平均法，以保證行業年度發電成本估算準確性。通過公式（1）獲取行業年度加權發電成本，式中：Dij表示第i年第j個企業的度電成本；fij表示企業在行業內所占比的發電量；Cij表示企業發電總成本；Wij表示企業新能源發電量。

2.3 運用成本分解法測算電解水制氫成本

電解水單位制氫成本分別由初期階段投資成本與單位運營成本兩部分組成。其中初期階段投資成本主要涉及土建工程單位成本、電解裝置總系統單位成本等；單位運營成本則是涉及耗水成本、人工及管理成本、財務費用、裝備維修費用、電費以及財務費用等[2]。

電解制氫的單位運營成本由每千克氫耗水成本、每千克氫的人工及管理成本、每千克氫電解裝置運維成本組成。可通過下述公式計算單位制氫的電池組更換成本：A1+A2=A，A3+A4+A5=A1，A6+A7+A8+A9+A10+A11=A2，A4×13%=A3，（T1W1）/h=A4，P?/h'V=A5，（T2W1）/h=A8，（T3W1）/h=A9，D1W1=A10，D2W2=A11。

式中：A1、A2…A11分別表示電解水單位制氫成本、初始投資成本、單位運營成本等；T1表示電解裝置總系統成本，元/kW；W1表示制取氫的電耗,kWh/kg；P表示儲氫設備單價，元；h'表示儲氫設備使用周期，即設備折舊年限與年運行時間乘積，h；V表示壓縮機壓縮排量，m3/h；?表示氫摩爾體積，m3/kg；T2表示電解裝置運維成本，元/kW；h表示電池組使用壽命，h；T3表示電池組更換成本，元/kW；D1表示制氫期間所需光伏或風電對應的電價，元/kWh；D2表示壓縮氫所需普通市電價格，元/kWh；W2表示壓縮每千克氫的電耗，kWh/kg[3]。其中，13%是土建工程單位成本占比電解制氫裝備總系統單位成本的比例。

3 研究結果及現有制氫技術的制氫成本敏感性分析

首先，結合風電企業、光伏發電企業相關數據，進一步估算風電與光伏發電成本，通過運用按照年度估算行業發電成本的方法，分析2019—2022年我國風電與光伏發電產業成本變化，從總體來看，發電成本呈持續降低趨勢。風、光發電產業規模、企業技術、資源以及運營條件等是影響發電成本的關鍵因素，且各方面存在明確差異。本單位整合所掌握的數據，以2022年行業發電成本為例，該期間內光伏產業發電規模明顯低于風電產業，二者發電量差距較為明顯；由此說明，風電行業內各企業之間的發電成本差異相對較小，且遠勝于光伏發電行業。

其次，利用電解水技術制氫的成本組成來看，本單位通過對風力與光伏發電產業發電成本進行測算，即制氫環節所投入的物成本，以呈現風力與光伏行業發電-制氫一體化的制氫成本實際情況，計算堿性(ALK)和質子交換膜(PEM)電解槽制氫技術對應的制氫成本。分析成本變化趨勢，本單位發現電解槽技術及制造工藝水平不斷提高，使新能源發電成本逐漸呈不斷下降趨勢，堿性風電制氫成本于2022年降至13.87%；質子交換膜電解槽制氫成本下降尤為明顯，于2022年降至28.75%。雖然兩項制氫技術對應制氫成本均有所降低，但風電發電成本遠低于光伏發電成本，所以在同一制氫技術應用前提下，風電制氫成本也要低于光伏制氫成本[4]。

最后，本單位通過對比不同類型的制氫工藝成本，得知不同制氫工藝對應的制氫項目均擁有自備電源，若從發電-制氫一體化角度估算直接制氫成本，需要考慮目前我國可再生能源消納速度緩慢以及發電供應不穩定等因素；因此，在對比分析不同類型的制氫工藝成本時，參照上網電價，將其作為發電成本價格。

結合所掌握相關數據，得知不同時段內上網電價差異較為明顯，通過綜合比較，以加權平均方法對波峰、波谷及平段三個時期全國范圍內的平均電價、制氫成本進行計算。從最終計算結果來看，可以基本確定堿性電解水制氫工藝在谷電時段制氫時具有明顯價格優勢[5]，可將其作為后續低成本新能源發電制氫技術研究的新思路。

為確認現有制氫技術應用以及投入物對制氫成本所帶來的影響，主要圍繞堿性（ALK）和質子交換膜（PEM）電解槽制氫技術進行分析，得知影響制氫成本因素涉及多方面，如風、光發電成本、電解裝置總系統成本、電耗、電池組更換成本等。全年度不同技術的制氫成本對比如圖1所示。

圖1 全年度不同技術的制氫成本對比示意

本單位相關人員選取電耗與電池組使用壽命兩個影響因素，進一步探究對堿性（ALK）和質子交換膜（PEM）電解槽制氫成本的影響；隨著科學技術水平不斷提高，各種新材料、新工藝在電池組制作環節應用，某種程度上有效延長了電池組使用壽命，但仍處于研究階段；相較于前者，電耗技術發展潛力較為明顯，是降低堿性（ALK）和質子交換膜（PEM）電解槽制氫成本的關鍵，也是后期的研究重點[6]。通過對比其他影響因素，本單位發現電耗與電池組使用壽命對上述兩項制氫技術的制氫成本影響最為敏感，其次是新能源風光發電成本、電解裝置總系統成本。電解裝置也會隨著能耗、材料以及制造工藝等方面進步和發展，逐漸降低成本，并反饋作用于制氫成本壓縮，可將其作為后期電解水制氫成本降低研究的新思路。

綜上所述，本文提出方法可將整個行業的風光發電成本變化真實呈現，且測算結果具有一定代表性。其中堿性電解水制氫技術發展接近成熟化，可壓縮成本空間相對較??；質子交換膜電解槽制氫技術因處于正在進入成熟階段，與光伏產業相融合能夠進一步降低光伏制氫成本。從總體上來看，新能源風光發電制氫成本雖然高于煤、天然氣等能源制氫成本，但隨著風光發電成本、電解裝備制造成本等仍有較大壓縮空間。