不同应用场景的电解水制氢成本探究

解腾飞

［摘 要］资源紧缺、环境污染等生态问题已然成为阻碍人类发展的重大问题，各地的相关组织与学者都在积极开拓创造资源和保护环境的新方法。在此过程中，氢能源成为许多科研团队重点关注的可再生能源。现如今氢能源利用主要采用的是电解水制氢，此项技术在不同的运用场景中所需创设的环境不同，需要的成本也不同。合理地分析电解水制氢的成本，才能进一步提升电解水制氢工作的质量与效率。本文简要分析电解水制氢的原理、优势和技术，阐述了推荐使用的风电光伏制氢方式的原理，并进一步探究不同场景下电解水制氢的方法与成本。

［关键词］制氢；电解水；成本探究

［中图分类号］TK91文献标志码：A

人类的生存与发展离不开资源，国内外过去的能源体系以化石燃料为主，该资源的应用还会对生态环境带来极大的负面影响，加重全球变暖等。因此，现如今，各国都在致力于将传统化石能源体系转变为低碳环保能源体系，开发并利用具备环保化、高效化、可再生化等特点的低碳能源。其中，氢能源是目前最具潜力的可再生清洁能源，利用氢能源能有效助力可持续发展的进程。氢能源具备来源丰富、能量密度较高、存储方式较多、零碳排放等优势，发展氢能是国家调整产业结构和实现能源转型的重大发展方向。但是不同的制氢工艺的效果不同，目前更推荐使用电解水制氢，其操作方式较为简单，过程中不会产生温室气体和有害气体。在不同的应用场景下，电解水制氢的方式不同，所需要消耗的成本也不同，这是未来科研团队开发与利用氢能源的过程中需要重点考虑的问题。

1 浅析电解水制氢

1.1 电解水制氢的原理与优势

氢能源被称为21世纪发展潜能最大的可再生能源，具备环保性强、开发方式多等多种优势。电解水制氢的原理是在不同的反应条件下，通过直流电将特定的水溶液中的水分子电解成氧气和氢气，从电解槽的阳极和阴极分别析出，然后将阴极析出的氢气收集起来。最常使用的水溶液有碱性水、固体聚合物水、固体氧化物水、固体聚合物阴离子水等。采用不同的水溶液进行水电解制氢，需要的条件和最终能够实现的效果各不相同。电解水制氢相较煤料制氢、天然气制氢等方式而言，具备独特的优势，即在电解水开发氢能源的过程中，不会产生任何有害污染物，实现了零排放零污染，非常环保。电解水制氢的能源利用率高，可达90 %以上。其原因主要是电能可被充分利用，氢气的产量较高，所制得的氢气纯度也较高［1］。除此之外，电解水制氢灵活性较强，能在多种不同的应用场景下进行，适用性和稳定性都很强，便于结合实际需求调整方案。

1.2 电解水制氢技术分析

首先，碱性水电解技术通常利用KOH溶液，使用石棉膜作为电解质隔膜。隔膜为多孔材料，产生的气体可能发生渗漏，强碱具有一定的腐蚀性，会对环境造成危害，因此需要控制电压的压差，产生的氢气需要脱碱。其电流密度低，能耗较高，产氢纯度可以达99.8 %以上，已经充分具备产业化的基础条件，技术较为成熟。固体聚合物水电解技术采取质子交换膜作为电解质隔膜，能够有效阻隔电子传递，有利于质子传导。此种方法具备较强的化学稳定性，基本不会产生污染，也没有使用具有腐蚀性的介质，电流密度较高，操作效率较高，能够快速启动和停止，产氢纯度高达99.99 %，产气压力较高，但目前没有形成产业化结构，还在初步商业化阶段。固体氧化物水电解技术采取固体氧化物作为电解质隔膜，电解槽电极采用非贵金属催化剂，电耗效率预期达到100 %，但其存在制氢流程启停不便等弊端，目前仍处于初期示范阶段。固体聚合物阴离子交换膜水电解技术，采用阴离子交换膜作为电解质隔膜，以纯水或者浓度较低的碱性溶液作为电解质，可实现电解质循环电解，达到更良好的效果，产氢纯度在99.99 %以上，没有污染和腐蚀性介质，能够快速启停操作，目前仍处于实验阶段［2］。

1.3 风电光伏制氢

风能和太阳能对于经济发展和社会进步而言，一直是重要的清洁能源，很多相關学者都将风电和光伏看作是替代传统煤电资源的最佳能源。我国的风电和光伏的装机设备规模目前已经超过六亿千瓦，但通过光能和风能转换成的电能，往往无法实现高效率、高质量的存储，造成资源的浪费。在持续开发的过程中，研究人员发现通过风电光伏制氢的方式，能充分利用转换的电能，提升风电和光伏操作工序的效果，扩展风能与太阳能的应用方式。通过风电光伏制氢，再利用氢能进行能源转型和产业结构调整，能够更进一步实现化石能源的替代。如今，全国各地的科研团队已经开始广泛应用风电光伏制氢，将风电光伏融入电解水制氢，一方供能一方产能，可以实现能源开发效果的最大化，助推可再生能源项目的开发与利用。

2 不同应用场景的电解水制氢成本

2.1 风电/光伏制氢输送加氢站

加氢站是氢能储存与利用的关键设施，更是燃料电池车能源供应的保障。通常有两种向加氢站输送氢气的方式，一种是由加氢站外的制氢站点向内输送，此种方式所需承担的氢气输送成本较高，另一种是站内制氢站自行输送给加氢站，需要经过一系列转换。制氢站点产生氢气后，可以通过以下三种运输形式进行传送：第一种是利用长管拖车进行长途或短途运输，第二种是用液氢罐存储并输送，第三种是通过氢气管道输送。输送过程中的供氢压力等级不同，一般有35 MPa和70 MPa两种，消耗的成本存在差别。

风电光伏制氢的成本主要包括氢气生产量、电解设备价格、设备安装费用、设备使用期限、检修及更换周期、耗电量、储存成本、压缩效率、运输方式及单价等。利用碱性电解水技术制氢，需要使用电解槽等设备，设备成本平均为2 000 元/kW，输送的方式主要有20 MPa高压气氢长管拖车运输、70 MPa氢气加注运输。采取大规模运输和存储的形式，以运输距离为100 km举例，当度电成本降低0.1 元/kWh，最终制出氢气的成本会下降约5.5 元/kg，度电价格成为影响制氢成本的关键因素之一。其次，随着水电解进程的推进，电解水设备的工作效率对氢气成本的影响较大。设备的工作效果越能够保持优良水准，工作效率随之逐步提升，则有利于降低总成本［3］。

电解水的设备利用率并非越大越好，利用率由20 %上涨至40 %时，成本能够有效地降低，但当风电光伏制氢的电解水设备利用率由40 %往上增加时，成本降低速率会逐渐放缓，到60 ％区间，其成本大约可以降低2.5 元/kg。采取切实有效的措施降低存储运输、加注的成本，也有助于进一步降低制氢成本。当风电光伏电解水制氢设备的成本大于10 050 元/kW时，通过70 MPa压力加注后，制氢成本为50.9 元/kg。一般来说，采用质子交换膜电解法时，其设备成本对氢气成本的影响较为显著。按照运输距离为100 km的情况计算，其运输成本为5.2 元/kg。除此之外，制氢的度电成本是0.2 元/kWh，加注氢气操作的成本大约为40.1 元/kg。随着运输距离的增加，运输成本和加注氢气的成本也会持续增加，因此风电光伏制氢的氢气运输距离不宜太远，在100 km左右较为合适。

2.2 加氢站现场制氢

因为氢气密度较小、较难运输，想要高效地输送氢气，往往需要较高的成本。为了助推氢能开发产业的高速发展，制氢加氢一体化的站点已然成为新的发展方向。加氢站的产生不仅便于提高效率，减少资源损耗，同时也解决了氢能运输成本偏高的问题，降低了制造氢能的成本。加氢站利用风电/光伏的方式现场制氢，可以减少10 元/kg的运输成本和5 元/kg的制氢成本。除此之外，直接采用加氢站现场制氢的方式，也能有效降低度电成本、电解设备成本，提高设备利用率［4］。现场制氢可以降低度电成本的主要原因是现场制氢能在更短的时间内为加氢站供给同等重量的氢气，无需额外耗费存储和运输氢气的费用，度电成本降低0.1 元/kWh时，氢气成本可以降低约6 元/kg。比如在1 500 kg/d的加氢站制氢规模下，所需要采用的电解水设备成本大约为2 000 元/kW。一般采用终端70 MPa压力加注的形式，在度电成本低于0.4 元/kWh时，其加注成本低于41 元/kg。

度电成本增高的情况下，对设备利用率的要求会更高。现如今，加氢站使用的现场制氢的碱性电解水设备分为多种类型，大多数设备所需耗费的成本不高，但是往往存在着体积偏大的弊端，增加了空间的使用成本。相较而言，质子交换膜电解设备的综合成本较高，但是其存在诸多优势，便于得到纯度较高的氢气。综合来看，现场制氢在后期一定会重视解决成本高的问题，随着规模化生产技术的不断发展与进步，解决其存在的弊端后，可以拓宽现场制氢的方式，提升制氢的效果，提高其经济效益，尽可能先达到3 015 元/kW，并将耗电率降低至50 kWh/kg，确保应用于加氢站的现场制氢具有明显优势［5］。

2.3 风电/光伏制氢注入天然气管网

在制氢生产线逐步完善的前提下可以拓宽氢能的使用方式，采取风电光伏供能和水电解制氢的方法，把氢气进行压缩处理，随后存储在指定位置。将其混入天然气管道，能有效减少天然气用量及上千万吨的碳排放量，在节约资源的同时也可以减少碳排放，避免天然气燃烧产生污染。该应用方式的前提是电力制氢的氢气流量符合标准，天然气管道材料与风电光伏所制的氢气相容性满足要求，天然气掺氢技术具备可靠性和安全性。注入天然气管网中的氢气，不仅能够增强天然气的使用效果，还能够提高天然气管网的运作效率，为用户提供更强劲的能量输送来源。这些注入了氢气的天然气一般会同大多数的天然气一样，通过管道线路网去往四面八方，供给居民、加氢站、化工厂等。

随着设备利用率的增加，氫气成本也会发生改变。从经济效益来看，将风电/光伏制氢注入天然气管网，能够达到良好的经济收益，天然气平均成本为每立方米1.5元，将特定浓度的氢气注入管网后能有效变为混合气，供给燃烧时，形成的混合气的平均成本为每立方米1.48元［6］。论热值而言，氢气不如天然气，每立方米混合气的综合热值大约会降低6.7 %。以相同热值计算，混合气成本大约为每立方米1.59元。当度电成本增加时，与每立方米天然气与氢气的混合气成本也会增加［7］。综合考虑到混合气燃烧的稳定性和安全性，还需要额外添加安全设施，这也需要增加一定的成本。除此之外，在全国各地使用天然气的场所有许多种，通常分为民用天然气、商用天然气、车用天然气。根据供热场景的不同，也需要适当调整混合气的价格，争取盈利空间。盈利空间之间的区别将会促使最终成本发生改变，现如今，天然气与氢气的应用模式也在不断的完善与优化中。

2.4 制氢储能套利峰谷电价差

制氢储能套利峰谷电价差在储能蓄热产业发展较好的地区较为常见，其旨在使用峰谷差别电价刺激消费，属于错峰填谷，能够有效提升能源使用效率，降低供电的整体成本。用户可在该地区电价较低的时候利用制氢储能设备存储定量的电能，等到电价上涨后，利用燃料电池释放此前储存的电能。所以在峰荷压力大的地区，相关部门可以通过增加峰谷差，引导用户调整用电时间，科学合理地用电，鼓励用户错峰用电，减少资源浪费，降低平均成本。由于不同地区的基础经济情况不同，其所拥有的盈利空间和机会也不同，通常来说，峰谷电价差越大，盈利的空间就越大。大多数地区的经济情况和实际储能需求都处于平均水平，因此制氢储能再发电的度电成本往往都会高于峰电度电的价格，这代表峰谷电价差较小，总体而言的盈利空间较小。

3 结束语

总而言之，为了推动能源体系的转型，制造具备环保化、可再生等优势的氢能源，已经成为未来十分重要的资源开发工作。为了保护生态环境，从长远的角度来看，电解水制氢是最为可靠且稳定的氢气制造形式。电解水制氢也具备着操作简便、环保性强等优势，在实际的生产与生活中有着不同的应用场景。为了充分提升电解水制氢的工作效率和经济效益，针对风电光伏制氢输送加氢站、加氢站现场制氢、制氢注入天然气管网和制氢储能套利峰谷电价差这四个场景，综合探讨成本的影响因素，结合实际情况预估数值可知，影响制氢成本的因素有多种，应结合实际情况科学地调整各项因素的数值，降低成本。

参考文献

［1］邓甜音，何广利，缪平. 分析不同应用场景的电解水制氢成本［J］. 能源化工，2020，41（6）：1-5.

［2］本刊. 有望降低电解水制氢成本的全新膜技术［J］. 现代塑料，2021（3）：22-23.

［3］何昀宸. 解读PEM电解水制氢技术和成本降低空间［J］. 中国科技纵横，2022（24）：18-20.

［4］徐进，丁显，宫永立，等. 电解水制氢厂站经济性分析［J］. 储能科学与技术，2022，11（7）：2374-2385.

［5］俞红梅，邵志刚，侯明，衣宝廉，段方维，杨滢璇. 电解水制氢技术研究进展与发展建议［J］. 中国工程科学，2021，23（2）：146-152.

［6］葛磊蛟，崔庆雪，李明玮，等. 风光波动性电源电解水制氢技术综述［J］. 综合智慧能源，2022，44（5）：1-14.

［7］丁显，冯涛，何广利，等. 风电光伏波动性电源对电解水制氢电解槽影响的研究进展［J］. 储能科学与技术，2022，11（10）：3275-3284.