新能源風(fēng)光發(fā)電制氫成本動(dòng)態(tài)測(cè)算分析

中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 孟慶瑩

目前以化石能源為主的制氫技術(shù)發(fā)展的愈加成熟，且成本較低，但卻存在嚴(yán)重的污染問題，無法滿足能源綠色低碳發(fā)展要求。新能源風(fēng)光發(fā)電制氫技術(shù)逐漸成為大眾關(guān)注的焦點(diǎn)，以新能源發(fā)電技術(shù)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(biāo)早日實(shí)現(xiàn)。由于受到風(fēng)、光資源條件分布、不同項(xiàng)目技術(shù)工藝等因素制約，致使制氫成本難以把控。基于此，本文提出一種按照年度估算新能源風(fēng)光發(fā)電制氫成本的方法，運(yùn)用組合方案測(cè)算成本，為后期制定降低制氫成本策略提供科學(xué)依據(jù)。

1 新能源風(fēng)光發(fā)電制氫成本研究現(xiàn)狀

氫能環(huán)保低碳的二次能源，是我國(guó)現(xiàn)階段逐步推進(jìn)多元化綜合能源供應(yīng)體系構(gòu)建所需的重要能源之一。其中煤制氫、焦?fàn)t煤氣制氫是較常的利用化石能源進(jìn)行制氫的技術(shù)手段，隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，該項(xiàng)制氫技術(shù)得到成熟化、規(guī)模化發(fā)展，且制氫成本較低，但存在極為嚴(yán)重的污染問題，尤其是CO2排放未達(dá)到國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，與我國(guó)當(dāng)前提出的能源綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)不一致。

豐富的可再生能源資源是我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，風(fēng)能與太陽能仍有極大的開發(fā)空間，因新能源發(fā)電極易受到多方面因素，致使發(fā)電不穩(wěn)定；其中電解水技術(shù)與新能源風(fēng)光發(fā)電相結(jié)合，可以解決可再生能源無法被穩(wěn)定轉(zhuǎn)化為氫能的問題，滿足季節(jié)性、大規(guī)模儲(chǔ)存氫能的需求。以可再生能源發(fā)電為支撐，運(yùn)用電解水制氫技術(shù)基本可以做到CO2“零排放”，促進(jìn)我國(guó)綠色制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展。以風(fēng)電制氫技術(shù)為例，即是通過風(fēng)輪轉(zhuǎn)子將豐富的風(fēng)力資源轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并向電解水制氫設(shè)備傳輸，實(shí)現(xiàn)電—?dú)滢D(zhuǎn)換，再經(jīng)由壓縮機(jī)壓縮存入儲(chǔ)氫罐中，經(jīng)過運(yùn)輸在應(yīng)用終端。按照與電網(wǎng)連接情況，可以將風(fēng)力發(fā)電制氫系統(tǒng)劃分為兩種類型，分別是并網(wǎng)型風(fēng)電制氫系統(tǒng)和離網(wǎng)型風(fēng)電制氫系統(tǒng)。

從現(xiàn)階段我國(guó)離網(wǎng)條件下的風(fēng)電耦合制氫技術(shù)發(fā)展情況來看，仍處于起步階段，普遍以并網(wǎng)型風(fēng)電耦合制氫系統(tǒng)為主，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能變流器能量轉(zhuǎn)換及控制系統(tǒng)、電解槽制氫模塊、氫氣壓縮機(jī)等其他重要裝置設(shè)備組成。在風(fēng)力發(fā)電制氫系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備與電網(wǎng)接入時(shí)也要同步接入電解槽，當(dāng)電網(wǎng)電力供應(yīng)不穩(wěn)定情況出現(xiàn)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將暫停電網(wǎng)供電以及停止制氫；當(dāng)電網(wǎng)電力有富余時(shí)，電解槽可將從風(fēng)機(jī)獲得的電力加以利用，最大程度減少能源浪費(fèi)，有效提高風(fēng)電制氫經(jīng)濟(jì)性，由此可見該項(xiàng)技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景。

為了驗(yàn)證新能源風(fēng)光發(fā)電制氫全面推廣的可行性，仍需要進(jìn)一步研究新能源風(fēng)光發(fā)電制氫成本，本單位通過調(diào)研國(guó)內(nèi)現(xiàn)有制氫項(xiàng)目以及搜集相關(guān)文獻(xiàn)資料，得知諸多學(xué)者和專業(yè)人員均對(duì)新能源風(fēng)光發(fā)電制氫的成本問題展開可深入研究，同時(shí)也對(duì)影響新能源風(fēng)光發(fā)電制氫成本各方面因素進(jìn)行了分析，制氫成本趨勢(shì)變化逐漸成為國(guó)內(nèi)外氫能研究組織所關(guān)注的焦點(diǎn)。

風(fēng)能、太陽能分布、不同項(xiàng)目投入的技術(shù)工藝以及企業(yè)運(yùn)營(yíng)管理成本等方面均有著明顯差異，僅結(jié)合單個(gè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)對(duì)制氫成本或風(fēng)光發(fā)電成本進(jìn)行估算，并不能確保可以將整個(gè)行業(yè)或國(guó)家層面所對(duì)應(yīng)的成本水平進(jìn)行體現(xiàn)；因此，需要重新選擇新能源風(fēng)光發(fā)電制氫成本估算標(biāo)準(zhǔn)，選擇行業(yè)內(nèi)具有一定代表性的上市企業(yè)獲取其年度成本數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)電成本進(jìn)行估算，既能保證最終結(jié)果具有參考性和準(zhǔn)確性，又能將近期制氫成本變化趨勢(shì)真實(shí)呈現(xiàn)[1]。

2 動(dòng)態(tài)測(cè)算新能源風(fēng)光發(fā)電制氫成本的方法

2.1 按照年度估算行業(yè)整體成本的研究思路

本單位提出的按照年度估算行業(yè)整體成本的研究思路和方法，不考慮單一項(xiàng)目現(xiàn)金流量成本估算；結(jié)合現(xiàn)有制氫評(píng)估方法研究情況，進(jìn)一步明確了針對(duì)制氫成本測(cè)算，必須轉(zhuǎn)變?cè)刑囟ǚ治瞿骋豁?xiàng)目成本的思維，應(yīng)向行業(yè)整體視角延伸，目的是將存在的個(gè)體差異影響因素消除，又能迎合發(fā)電－制氫的一體化應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)，加強(qiáng)新能源風(fēng)光發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)電成本與電解水制氫成本之間的密切聯(lián)系，提取風(fēng)、光產(chǎn)業(yè)的發(fā)電成本數(shù)據(jù)，測(cè)算電解水制氫成本。再將不同新能源與電解槽技術(shù)組合多個(gè)方案，站在風(fēng)光發(fā)電-制氫一體化角度，以上市企業(yè)數(shù)據(jù)為參照動(dòng)態(tài)測(cè)算產(chǎn)業(yè)發(fā)電成本，真實(shí)展現(xiàn)新能源風(fēng)光發(fā)電制氫成本變化趨勢(shì)，探究未來利用新能源發(fā)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(qiáng)我國(guó)新能源風(fēng)光發(fā)電制氫競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2.2 按照年度估算行業(yè)發(fā)電成本的方法

本單位通過開展調(diào)研工作，獲取某企業(yè)所公布的年度發(fā)電成本、發(fā)電量等相關(guān)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)企業(yè)發(fā)電成本進(jìn)行估算，以掌握發(fā)電年度生產(chǎn)成本。在估算發(fā)電成本過程中，扣除總體建設(shè)投資部分，并保留年度折舊。同時(shí)以行業(yè)內(nèi)已經(jīng)上市企業(yè)發(fā)電成本為參考依據(jù)，估算行業(yè)年度發(fā)電平均成本，綜合考慮不同企業(yè)各自發(fā)電成本之間的不同，本單位在研究過程中，提出運(yùn)用加權(quán)平均法，以保證行業(yè)年度發(fā)電成本估算準(zhǔn)確性。通過公式（1）獲取行業(yè)年度加權(quán)發(fā)電成本，式中：Dij表示第i年第j個(gè)企業(yè)的度電成本；fij表示企業(yè)在行業(yè)內(nèi)所占比的發(fā)電量；Cij表示企業(yè)發(fā)電總成本；Wij表示企業(yè)新能源發(fā)電量。

2.3 運(yùn)用成本分解法測(cè)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(yùn)營(yíng)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(tǒng)單位成本等；單位運(yùn)營(yíng)成本則是涉及耗水成本、人工及管理成本、財(cái)務(wù)費(fèi)用、裝備維修費(fèi)用、電費(fèi)以及財(cái)務(wù)費(fèi)用等[2]。

電解制氫的單位運(yùn)營(yíng)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(yùn)維成本組成。可通過下述公式計(jì)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(yùn)營(yíng)成本等；T1表示電解裝置總系統(tǒng)成本，元/kW；W1表示制取氫的電耗,kWh/kg；P表示儲(chǔ)氫設(shè)備單價(jià)，元；h'表示儲(chǔ)氫設(shè)備使用周期，即設(shè)備折舊年限與年運(yùn)行時(shí)間乘積，h；V表示壓縮機(jī)壓縮排量，m3/h；?表示氫摩爾體積，m3/kg；T2表示電解裝置運(yùn)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(fēng)電對(duì)應(yīng)的電價(jià)，元/kWh；D2表示壓縮氫所需普通市電價(jià)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(tǒng)單位成本的比例。

3 研究結(jié)果及現(xiàn)有制氫技術(shù)的制氫成本敏感性分析

首先，結(jié)合風(fēng)電企業(yè)、光伏發(fā)電企業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步估算風(fēng)電與光伏發(fā)電成本，通過運(yùn)用按照年度估算行業(yè)發(fā)電成本的方法，分析2019—2022年我國(guó)風(fēng)電與光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)成本變化，從總體來看，發(fā)電成本呈持續(xù)降低趨勢(shì)。風(fēng)、光發(fā)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模、企業(yè)技術(shù)、資源以及運(yùn)營(yíng)條件等是影響發(fā)電成本的關(guān)鍵因素，且各方面存在明確差異。本單位整合所掌握的數(shù)據(jù)，以2022年行業(yè)發(fā)電成本為例，該期間內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)電規(guī)模明顯低于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，二者發(fā)電量差距較為明顯；由此說明，風(fēng)電行業(yè)內(nèi)各企業(yè)之間的發(fā)電成本差異相對(duì)較小，且遠(yuǎn)勝于光伏發(fā)電行業(yè)。

其次，利用電解水技術(shù)制氫的成本組成來看，本單位通過對(duì)風(fēng)力與光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)電成本進(jìn)行測(cè)算，即制氫環(huán)節(jié)所投入的物成本，以呈現(xiàn)風(fēng)力與光伏行業(yè)發(fā)電-制氫一體化的制氫成本實(shí)際情況，計(jì)算堿性(ALK)和質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽制氫技術(shù)對(duì)應(yīng)的制氫成本。分析成本變化趨勢(shì)，本單位發(fā)現(xiàn)電解槽技術(shù)及制造工藝水平不斷提高，使新能源發(fā)電成本逐漸呈不斷下降趨勢(shì)，堿性風(fēng)電制氫成本于2022年降至13.87%；質(zhì)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(xiàng)制氫技術(shù)對(duì)應(yīng)制氫成本均有所降低，但風(fēng)電發(fā)電成本遠(yuǎn)低于光伏發(fā)電成本，所以在同一制氫技術(shù)應(yīng)用前提下，風(fēng)電制氫成本也要低于光伏制氫成本[4]。

最后，本單位通過對(duì)比不同類型的制氫工藝成本，得知不同制氫工藝對(duì)應(yīng)的制氫項(xiàng)目均擁有自備電源，若從發(fā)電-制氫一體化角度估算直接制氫成本，需要考慮目前我國(guó)可再生能源消納速度緩慢以及發(fā)電供應(yīng)不穩(wěn)定等因素；因此，在對(duì)比分析不同類型的制氫工藝成本時(shí)，參照上網(wǎng)電價(jià)，將其作為發(fā)電成本價(jià)格。

結(jié)合所掌握相關(guān)數(shù)據(jù)，得知不同時(shí)段內(nèi)上網(wǎng)電價(jià)差異較為明顯，通過綜合比較，以加權(quán)平均方法對(duì)波峰、波谷及平段三個(gè)時(shí)期全國(guó)范圍內(nèi)的平均電價(jià)、制氫成本進(jìn)行計(jì)算。從最終計(jì)算結(jié)果來看，可以基本確定堿性電解水制氫工藝在谷電時(shí)段制氫時(shí)具有明顯價(jià)格優(yōu)勢(shì)[5]，可將其作為后續(xù)低成本新能源發(fā)電制氫技術(shù)研究的新思路。

為確認(rèn)現(xiàn)有制氫技術(shù)應(yīng)用以及投入物對(duì)制氫成本所帶來的影響，主要圍繞堿性（ALK）和質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽制氫技術(shù)進(jìn)行分析，得知影響制氫成本因素涉及多方面，如風(fēng)、光發(fā)電成本、電解裝置總系統(tǒng)成本、電耗、電池組更換成本等。全年度不同技術(shù)的制氫成本對(duì)比如圖1所示。

圖1 全年度不同技術(shù)的制氫成本對(duì)比示意

本單位相關(guān)人員選取電耗與電池組使用壽命兩個(gè)影響因素，進(jìn)一步探究對(duì)堿性（ALK）和質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽制氫成本的影響；隨著科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，各種新材料、新工藝在電池組制作環(huán)節(jié)應(yīng)用，某種程度上有效延長(zhǎng)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(shù)發(fā)展?jié)摿^為明顯，是降低堿性（ALK）和質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽制氫成本的關(guān)鍵，也是后期的研究重點(diǎn)[6]。通過對(duì)比其他影響因素，本單位發(fā)現(xiàn)電耗與電池組使用壽命對(duì)上述兩項(xiàng)制氫技術(shù)的制氫成本影響最為敏感，其次是新能源風(fēng)光發(fā)電成本、電解裝置總系統(tǒng)成本。電解裝置也會(huì)隨著能耗、材料以及制造工藝等方面進(jìn)步和發(fā)展，逐漸降低成本，并反饋?zhàn)饔糜谥茪涑杀緣嚎s，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(gè)行業(yè)的風(fēng)光發(fā)電成本變化真實(shí)呈現(xiàn)，且測(cè)算結(jié)果具有一定代表性。其中堿性電解水制氫技術(shù)發(fā)展接近成熟化，可壓縮成本空間相對(duì)較小；質(zhì)子交換膜電解槽制氫技術(shù)因處于正在進(jìn)入成熟階段，與光伏產(chǎn)業(yè)相融合能夠進(jìn)一步降低光伏制氫成本。從總體上來看，新能源風(fēng)光發(fā)電制氫成本雖然高于煤、天然氣等能源制氫成本，但隨著風(fēng)光發(fā)電成本、電解裝備制造成本等仍有較大壓縮空間。