我國新能源風光發電制氫成本動态測算，哪種方案最合适？

摘要

新能源發電制氫技術不斷成熟，制氫成本直接影響到氫能産業商業化推廣與應用。針對電解水制氫技術方案投入與運營成本的變化，基于新能源産業風光發電成本視角構建了由堿性（ALK）電解槽+風電、質子交換膜（PEM）電解槽+風電、堿性（ALK）電解槽+光伏發電、質子交換膜（PEM）電解槽+光伏發電四種電解水制氫組合方案的成本動态測算模型，并通過敏感性分析研究了相關因素對制氫成本的影響。結果表明：四組方案制氫成本在研究期内（2017-2020）成本分别降低了13.95%、29.22%、19.55%和31.03%，2020年制氫成本分别為17.90元/kg、28.27元/kg、21.54元/kg和32.23元/kg，而能耗和發電成本是降低四種方案制氫成本最具備潛力的影響因素。同時，對比分析了其他電源及傳統化石能源制氫等不同制氫技術工藝的經濟性，不同制氫情景下，制氫成本由低到高分别為煤制氫、工業副産氫、天然氣制氫、煤制氫+碳捕獲收集（CCS）、ALK風電制氫、甲醇制氫、ALK光伏制氫、ALK谷電制氫、PEM光伏制氫和PEM谷電制氫。

核心内容

鑒于上市企業間發電成本的差異性，本文采用加權平均思想估算行業年度加權發電成本。電解水制氫具體成本構成如圖1所示，單位制氫成本如表1所示。

圖1 電解水制氫成本構成

表1 單位制氫成本計算公式

相關電解水技術參數參考了IRENA發布的數據，根據其2017年曆史數據和2025年預測數據，假設ALK和PEM電解裝置技術參數按照一定的學習率進行變化，計算ALK電解裝置的電耗、電池組使用壽命、電解裝置總系統成本、電解裝置運維成本、電池組更換成本的學習率，其學習率分别為1.25%、-3.79%、13.13%、13.13%、13.46%，PEM電解裝置5個技術參數的學習率分别為3.39%、-7.29%、15.64%、15.64%、19.64%。PEM電解裝置技術參數的學習率要高于ALK，且電池組更換成本、電解裝置總系統成本及電解裝備運維成本的下降趨勢最為顯著。最後，通過學習曲線估算2018-2020年ALK和PEM電解裝置的技術參數值，估算結果如表2所示。

表2 20MW電解裝置技術參數估算

結果與讨論

風電和光伏發電的成本估算

根據風電企業與光伏發電企業的數據，基于上市公司的年度行業發電成本估算方法估算了2017-2020年我國風電和光伏發電産業的成本估算數據，如下圖所示。研究期内發電成本呈現持續下降的趨勢，風電平均成本從0.205元/kWh下降到0.194元/kWh，光伏發電成本從0.322元/kWh下降到0.268元/kWh。從發電成本範圍上可以看到，風、光發電産業規模、集中度及企業間的技術、資源、企業運營條件等差異顯著，以2020年為例，光伏産業發電規模不足風電30%，風電量前5家企業發電總量480.31億kWh，其占19家風電企業總發電的59.43%，光伏發電量前5家企業發電總量182.03億kWh，其占17家光伏發電的總發電總量占80.12%。整體上看，研究期内風力發電行業的企業間發電成本差别較小，差異性要好于光伏發電行業，其測算結果區間差額在0.12元上下，而光伏發電行業則在0.28元以上。

圖2 風電和光伏發電産業發電成本估算結果

電解水技術的制氫成本構成

為體現整體風力和光伏産業發電-制氫一體化的真實制氫成本，選取上圖測算的風力和光伏發電産業發電成本為制氫環節的投入物成本，計算得2017-2020年我國ALK和PEM兩種電解水技術的制氫生産成本。從成本變化趨勢來看，由于電解槽技術與制造工藝的進步以及新能源發電成本的逐步降低，成本處于不斷下降的趨勢。其中，ALK風電制氫成本由2017年20.80元/kg降低到2020年的17.90元/kg，研究期内成本降低了13.95%；PEM風電制氫的成本下降趨勢則更加顯著，由2017年39.99元/kg降低到2020年的28.27元/kg，其成本降低了29.22%。類似的，2017年到2020年，ALK光伏和PEM光伏制氫成本分别降低19.55%和31.03%，但由于光伏發電成本要高于風電發電成本，導緻同等制氫技術下光伏制氫成本都高于風電制氫成本，以2020年為例，光伏制氫成本比風電制氫成本約高出了4元/kg。

圖3 2017-2020年ALK和PEM制氫成本構成

從成本構成看，對于ALK風電制氫方案中耗電成本為最大的成本支出，2020年其占到總成本的54.04%，其次是電解裝置的投資成本（約占14.36%）、儲氫環節成本（約占12.53%）、電池組更換的大修費（6.76%）和電解裝置運行成本（6.00%）；在2017年，PEM風電制氫技術中電解裝置的投資成本最高，而從2018年起，耗電成本占比最大，以2020年為例，耗電成本占37.25%，電解裝置的投資成本占27.95%，然後是電解裝置運行成本（11.18%），電池組更換（8.88%），儲氫成本（7.94%）。類似的，ALK光伏制氫技術中電費成本占高達61.80%，電解裝置的投資成本僅占11.93%，而PEM光伏制氫的耗電成本在2017-2020年高于電解裝置的投資成本，在2020年耗電成本占比為44.97%，電解裝置的投資成本占24.51%，不同于PEM風電制氫技術。總體上，ALK制氫方案的電耗成本為最主要成本，PEM制氫成本是由耗電成本和電解裝置投資兩種成本共同構成。

多情景制氫工藝的成本比較

本文研究的電解水制氫四種方案均采用發電成本電價，即制氫項目具有自備電源的條件，屬于“發電-制氫”一體化視角下的直接成本估算情形，但可再生能源出現難以消納、發電供應不足或不具有自備電源的場景，發電成本價格可能采用上網電價。目前，我國所處地區及時段的上網電價差異巨大，為實現比較分析，通過加權平均方法計算波峰、波谷、平段三個階段的全國平均電價及其對應的制氫成本，上網電價采用了全國各省市一般工商業峰谷電價（10千伏電壓等級下），下表給出了2020年不同時段電價情形的制氫成本。結果表明，利用ALK谷電制氫具有一定的價格優勢，雲南、青海、新疆等部分地區成本可達到18元/kg水平，略低于ALK風電的制氫成本；ALK谷電制氫平均成本為24.04元/kg，略高于ALK光伏制氫成本；其它時段的電價及PEM技術的制氫成本不具備經濟性。

表3 2020年不同時段上網電價（電解水制氫耗電成本）

下圖展示了2020年不同場景和不同工藝制氫的主要投入物成本（化石能源投入物、CCS或用電成本投入）和制氫總體成本，其中氣泡重心分别表示生産投入物成本與平均制氫成本（采用行業年度加權發電成本），氣泡直徑大小代表制氫成本取值範圍（依據行業發電成本範圍測算）。不同技術場景的單位制氫成本從低到高看，大緻可以分為3個區間。第一區間在25元/kg以下，煤制氫單位成本為9.04元/kg，其中原料成本占75.00%左右（煤炭價格取600元/t），工藝成熟且最具經濟性。工業副産氫與天然氣制氫工藝也同樣比較成熟，工業副産氫（以焦爐煤氣制氫為例）單位成本為12.39元/kg，其中原料成本占80%左右（焦爐煤氣價格取0.5元/m3，天然氣制氫單位成本為13.48元/kg，其中原料成本占80%左右（天然氣價格取2.5元/m3）。其次是煤制氫CCS與ALK風電，兩種方案成本接近，煤制氫CCS技術單位制氫成本較煤制氫單位成本提高5~8元/kg。甲醇制氫單位成本為22.39元/kg，其中原料成本為17.74元/kg（甲醇價格取2.2元/kg），與ALK光伏、ALK谷電技術的單位制氫成本相當。第二區間是單位制氫成本在25元/kg到50元/kg之間，排序分别為PEM風電、PEM光伏、PEM谷電和ALK平電。第三區間單位制氫成本均大于50元/kg，平電和峰電情形下的ALK和PEM制氫都不具備經濟性。

圖4 2020年不同技術或場景的制氫成本對比分析

根據圖4中氣泡半徑大小，可以發現煤制氫、ALK與PEM直接利用風電制氫方案的制氫成本變化區間最小，其次是煤制氫、工業副産氫、天然氣制氫、煤制氫CCS，其單位制氫成本的波動低于10元，甲醇制氫單位制氫成本的波動與ALK光伏、ALK谷電、PEM光伏、PEM谷電方案同處于在20元以内，而平電與峰電情形的電解制氫方案的單位波動基本超過了20元。造成波動的原因主要為技術的成熟程度與制備過程中主要投入成本，選擇斜率k=1.33（黃線）和1.85（藍線）兩條直線，分别過最具成本優勢的化石能源煤制氫與ALK風電電解水制氫方案的氣泡重心，可辨識不同制氫方案技術與投入物在制氫成本結構中的比重。化石能源制氫的氣泡重心基本處于黃線以下，說明了煤制氫投入物煤炭的價格經濟性優勢，而天然氣也同樣具備一定的低成本優勢。風電與光伏發電一體化制氫的四個組合方案的氣泡重心大都處于黃線上或遠離黃線上方，說明發電技術和制氫技術都是導緻制氫成本高的重要因素。同時，風電、光伏和谷電的PEM制氫的組合方案在藍線的上方，主要是PEM裝備投入高造成的，體現了低成本發電情形下PEM技術的不成熟；藍線下方包括了ALK光伏、ALK谷電、石化能源制氫方案和平電與峰電電解水制氫方案，其中，ALK光伏、ALK谷電及平電與峰電電解水制氫方案的制氫成本主要受發電成本高的影響，石化能源制氫方案相對新能源制氫技術其成本關鍵在于投入物成本或CCS技術。

通過梳理相關文獻中制氫技術的單位制氫成本。測算方法主要采用了成本分解法。在投入物要素基本一緻的場景下，不同的研究中單位制氫成本存在差異性，本文對電解水制氫的單位成本估算結果略低，說明本文研究方法更加體現規模化下産業整體成本。根據與下表中文獻研究結果對标分析，本文4類制氫方案的平均制氫成本的研究誤差分布在5.79~43.59%，整體研究平均誤差為25.37%。整體上，相關投入物單價差異大，且以具體項目開展的測算的相關文獻研究體現了項目個體的差異性特征，但難以體現産業整體制氫成本水平。

表4 相關文獻制氫技術單位制氫成本對比

根據公開信息，本文對比了商業化投産項目的制氫成本，如下表所示，本文計算的2020年平均電解水制氫成本的研究誤差分别為+6.63元/kg、+8.95元/kg和12.1元/kg，表明相對較大差别仍然是投入物成本造成的，除去投資方案差異性，用電成本為影響實際項目制氫成本的主要因素。綜上，投入物成本是具體項目制氫成本的關鍵因素，也是本文測算方法的關鍵參數，下面讨論相關影響。

表5 投産ALK項目制氫成本

制氫成本敏感性分析

為了進一步讨論技術及投入物對ALK與PEM制氫成本的影響，依據圖3中制氫成本的構成，選取風電或光伏發電成本（即制氫耗電成本）、電解裝置總系統成本、電耗、電池組使用壽命、電解裝置運維成本、電池組更換成本、儲氫成本為重要影響因素，對2020年兩種技術制氫成本開展敏感性分析，如圖5所示。從圖中可以直觀地判斷出上述7個因素對于單位制氫成本的敏感性程度，影響因素的斜率絕對值越大，表示該因素對單位制氫成本越敏感。

電耗和電池組使用壽命對ALK與PEM制氫成本的影響最敏感，其次是風電或光伏發電成本和電解裝置總系統成本，且電池組使用壽命與單位制氫成本呈負相關，電耗及其他因素與單位制氫成本呈正相關。而電池組使用壽命的改進更多取決于新材料、新工藝等颠覆性技術革新，難以實現，電耗的技術進步相對于使用壽命的提升更加具有潛力，是未來ALK與PEM制氫成本下降的重要科技攻關方向。

根據圖5所示，當電耗下降30%，4類制氫方案的制氫成本下降的比率在24.74~27.08%；盡管發電成本的敏感度低于電耗的技術影響，但發電成本下降對于降低制氫成本仍具有一定顯著作用，特别是對于相對成熟的ALK制氫技術來說，當發電成本下降30%，風電制氫成本可下降16.21%，光伏制氫成本可下降18.54%；電解裝置總系統成本主要作用于PEM制氫方案，當其下降30%，風電和光伏發電制氫成本可下降12.83%和11.25%，而對于ALK兩種電源方案，電解裝置總系統成本的影響僅分别為6.59%和5.48%。電解裝置運維成本、電池組更換成本、儲氫成本對4類制氫方案的制氫成本影響僅為1.43~3.76%，敏感性較低。總體上看，電解裝置在能耗、使用壽命等制造或材料方面的技術進步，及投入物成本（發電成本）的降低是未來電解水制氫成本下降的關鍵因素，但制氫設備生産規模化效應對ALK技術的制氫成本作用不顯著，下降空間有限。

圖5 風能和光伏電解水制氫技術敏感性分析

結論

1）建立年度的發電成本動态估算方法，相比采用具體技術工藝或案例項目的度電發電成本測算方法，該方法突出年度的特征以及産業的代表性和整體性。本文通過遴選23家新能源發電的上市公司，分别基于2017-2020年上市企業發電成本數據加權測算了風電和光伏發電行業的年度發電成本。研究期内風力發電和光伏發電成本正在保持不斷下降的發展趨勢，并且逐漸具備與傳統火電競争的優勢，為電解水制氫的發展提供了必要條件。

2）以風力發電和光伏發電的成本價格為投入電價，基于成本分解法估算了ALK和PEM兩種電解水制氫成本，結果顯示ALK較PEM制氫具有明顯的經濟性優勢。技術方面，新能源領域發電技術不斷成熟，研究期内的制氫成本不斷下降；此外，ALK電解水制氫技術已趨于基本成熟，電解技術成本下降空間有限，而PEM電解制氫技術在快速成熟期，特别是基于質子交換膜電池市場規模和光伏産業的快速發展，光伏PEM制氫的下降空間潛力巨大。

3）通過與現有文獻報告的制氫成本對比，基于“發電-制氫”一體化視角（直接發電成本）或基于新能源消納視角（棄風、棄光電力資源進行電解水制氫）已經具備一定的經濟可行性。ALK風電、ALK光伏與甲醇制氫成本相當，但還要高于煤制氫、工業副産氫、天然氣重整制氫等傳統石化制氫工藝。此外，根據敏感性分析，随着風光發電成本、電解裝備制造成本與電解能耗的持續下降可以進一步降低制氫成本，風能、光伏發電制氫競争力将進一步增強。