可再生能源电解制氢成本分析.doc
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1、可再生能源电解制氢成本分析摘要:本文对可再生能源电解制氢成本进行了系统分析,对比了碱性与质子交换膜(PEM)电解制氢的平准化成本(LCOH),并考察了规模效应、氢气压力、压缩与液化及输入功率波动性对碱性与PEM电解制氢成本的影响。结果表明:规模增加可降低制氢成本,所考察的电解系统在规模由1MW提高至40MW后,装置的固定成本降幅40%以上,由于电费是主要成本,平准化成本(LCOH)降幅小于25%。在固定成本投入无明显增加的情况下高压电解制氢可明显降低制氢成本,随着电解氢气压力由1atm(1atm=101.325kPa)提高至30atm,进一步压缩至700atm的成本由1$/kg降至0.3$/k
2、g;液化成本受规模影响显著,1MW电解制氢增至40MW时制氢并液化的平准化成本(LCOH)从8.7$/kg降至5.3$/kg;由于PEM对可再生能源波动具有良好的适应性,在波动性功率输入时,随着低功率(20%额定功率)波动性的增加,PEM的LCOH成本可以优于碱性电解。随着碱性与PEM电解技术的进步,二者优劣仍需针对具体情况进行分析讨论。大力发展新能源是实现能源结构转型和应对能源环境可持续发展的重大战略举措。根据2018年全球可再生能源现状报告,2018年全球可再生能源装机增至约2378GW,连续四年可再生能源新增装机超过了化石燃料和核能的新装机容量1。其中太阳能光伏(PV)新增装机约100G
3、W,占可再生能源新增装机的55%,其次是风力发电(28%)和水电(11%)。目前风能和太阳能等可再生能源发电的难点在于发电的波动性,使发电高峰和用电高峰产生错配,造成并网困难2-4。通过电解制氢将可再生能源转化成氢气,可储可转,其应用模式可以抽象为Power to X5-6(图1),实现电能到电能、电能到燃气、电能到燃料、电能到化学品的多种转换,能大大促进能源供应端融合,提升能源使用效率7-8。电解制氢是Power to X的核心,特别是氢燃料电池汽车近两年已成为各国竞相发展的大趋势,为了促进绿色氢能的大规模应用,可再生能源电解制氢的成本必须进一步降低,亟待开发低成本的可再生能源电解制氢技术。
4、综合氢气储运的经济性、安全性和可靠性,根据市场可接受价格及美国能源部目标9-10,氢的零售价约为4.5$/kg。这一价格略高于传统化石能源的汽油或柴油,但由于燃料电池效率至少是内燃机的两倍,在汽油或柴油当量的基础上,它接近内燃机成本的一半。为实现这一目标,电解制氢成本必须大幅度降低,主要体现在能耗(kWh/kg H2),以及固定投资和维护成本。本文基于对商业化电解水制氢装置的调研,以加氢站可接受的氢气零售价格为目标,对可再生能源电解制氢成本进行了系统分析,确定了降低电解制氢成本的潜在改进领域。1电解制氢成本计算方法为使氢成为一种商业上可行的能源载体,规定每千克高压氢气(约700atm,1atm
5、=101.325kPa,余同)或液氢的生产成本约4.5$/kg。为实现这一目标,进行以下计算分析:建立每公斤氢气的生产成本,计算1MW和40MW规模电解制氢平准化成本(levelized cost of Hydrogen,LCOH);考察3种不同的电解技术:常压(1atm)碱性电解,高压(30atm)碱性电解,高压(30atm)质子交换膜(PEM)电解;平准化成本LCOH=固定成本(capex)/制氢量(capacity)*寿命(lifetime)+运行成本(opex),单位氢气成本以美元计($/kg)。运行成本(opex)=每千克氢气耗电量(kWh/kg)*电价(electricity_pr
6、ice)。电解系统的成本估算基于市场调研价格及相关文献资料11-12,明确电价和电解装置产能因数对制氢成本的敏感性,为分析电解子系统对成本的影响,LCOH分解为组件成本明细。2财务及技术假设表1是进行LCOH成本分析研究的财务假设。值得指出的是,尽管文献13-14表明PEM体系的寿命还不及碱性体系,但随着燃料电池技术的飞速发展,PEM电解堆的寿命已有很大提高,因此在整个分析过程中,设定PEM电解堆的寿命与碱性体系的相同,电解装置的电力供给均为稳定电源。由于国内仍无成熟的规模化PEM电解技术,为了便于比较,我们采用了国际知名公司电解装置(如NEL、McPhy与GINER),以美元计价对电解制氢成
7、本进行分析。表2总结了不同评估工厂的技术成本和性能系数,对30atm,40MW的PEM电解装置,由于缺乏官方报价,固定成本支出是根据1MW系统将容量扩大到40MW时的成本减少额(约60%)来确定的,就压缩机而言,大型系统的固定成本支出假定为1MW系统固定成本支出的50%11。3结果与讨论3.1制氢图2是电解制氢LCOH成本受电力成本和产能因数的函数图,3个不同的1MW电解制氢装置图上都突出显示了氢气成本4.5$/kg的目标标记。可以看出,随着电解装置的容量因数降低,为实现上述目标,电力成本需要更快下降,与采用的电解装置类型关系不大。30atm碱性电解装置在75%的容量因数和60$/MWh的电力
8、成本下氢气的LCOH成本约4.5$/kg,75%的容量因数和60$/MWh电价与实际电解厂运行情况相近。值得一提的是4.5$/kg是为高能量密度氢气产品设定的,该成本必须考虑压缩或液化的增量成本。为了解每种技术之间的成本差异,对比了在产能因数75%和电价60$/MWh下运行的3种电解装置的LCOH明细,如图3所示。考察的3种电解装置包括:电解工艺系统、供电系统、供水系统和控制系统。由图3(a)可以看出在给定的1MW电解规模下,常压碱性电解制氢的氢气平准化成本LCOH为4.2$/kg,是最廉价的选择。在比较NEL 1 MW 1atm与McPhy 1 MW 30atm两碱性系统时,考虑到两个装置的
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- 可再生能源 电解 成本 分析
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