我国新能源风光发电制氢成本动态测算，哪种方案最合适？

摘要

新能源发电制氢技术不断成熟，制氢成本直接影响到氢能产业商业化推广与应用。针对电解水制氢技术方案投入与运营成本的变化，基于新能源产业风光发电成本视角构建了由碱性（ALK）电解槽+风电、质子交换膜（PEM）电解槽+风电、碱性（ALK）电解槽+光伏发电、质子交换膜（PEM）电解槽+光伏发电四种电解水制氢组合方案的成本动态测算模型，并通过敏感性分析研究了相关因素对制氢成本的影响。结果表明：四组方案制氢成本在研究期内（2017-2020）成本分别降低了13.95%、29.22%、19.55%和31.03%，2020年制氢成本分别为17.90元/kg、28.27元/kg、21.54元/kg和32.23元/kg，而能耗和发电成本是降低四种方案制氢成本最具备潜力的影响因素。同时，对比分析了其他电源及传统化石能源制氢等不同制氢技术工艺的经济性，不同制氢情景下，制氢成本由低到高分别为煤制氢、工业副产氢、天然气制氢、煤制氢+碳捕获收集（CCS）、ALK风电制氢、甲醇制氢、ALK光伏制氢、ALK谷电制氢、PEM光伏制氢和PEM谷电制氢。

核心内容

鉴于上市企业间发电成本的差异性，本文采用加权平均思想估算行业年度加权发电成本。电解水制氢具体成本构成如图1所示，单位制氢成本如表1所示。

图1 电解水制氢成本构成

表1 单位制氢成本计算公式

相关电解水技术参数参考了IRENA发布的数据，根据其2017年历史数据和2025年预测数据，假设ALK和PEM电解装置技术参数按照一定的学习率进行变化，计算ALK电解装置的电耗、电池组使用寿命、电解装置总系统成本、电解装置运维成本、电池组更换成本的学习率，其学习率分别为1.25%、-3.79%、13.13%、13.13%、13.46%，PEM电解装置5个技术参数的学习率分别为3.39%、-7.29%、15.64%、15.64%、19.64%。PEM电解装置技术参数的学习率要高于ALK，且电池组更换成本、电解装置总系统成本及电解装备运维成本的下降趋势最为显著。最后，通过学习曲线估算2018-2020年ALK和PEM电解装置的技术参数值，估算结果如表2所示。

表2 20MW电解装置技术参数估算

结果与讨论

风电和光伏发电的成本估算

根据风电企业与光伏发电企业的数据，基于上市公司的年度行业发电成本估算方法估算了2017-2020年我国风电和光伏发电产业的成本估算数据，如下图所示。研究期内发电成本呈现持续下降的趋势，风电平均成本从0.205元/kWh下降到0.194元/kWh，光伏发电成本从0.322元/kWh下降到0.268元/kWh。从发电成本范围上可以看到，风、光发电产业规模、集中度及企业间的技术、资源、企业运营条件等差异显著，以2020年为例，光伏产业发电规模不足风电30%，风电量前5家企业发电总量480.31亿kWh，其占19家风电企业总发电的59.43%，光伏发电量前5家企业发电总量182.03亿kWh，其占17家光伏发电的总发电总量占80.12%。整体上看，研究期内风力发电行业的企业间发电成本差别较小，差异性要好于光伏发电行业，其测算结果区间差额在0.12元上下，而光伏发电行业则在0.28元以上。

图2 风电和光伏发电产业发电成本估算结果

电解水技术的制氢成本构成

为体现整体风力和光伏产业发电-制氢一体化的真实制氢成本，选取上图测算的风力和光伏发电产业发电成本为制氢环节的投入物成本，计算得2017-2020年我国ALK和PEM两种电解水技术的制氢生产成本。从成本变化趋势来看，由于电解槽技术与制造工艺的进步以及新能源发电成本的逐步降低，成本处于不断下降的趋势。其中，ALK风电制氢成本由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风电制氢的成本下降趋势则更加显著，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%。类似的，2017年到2020年，ALK光伏和PEM光伏制氢成本分别降低19.55%和31.03%，但由于光伏发电成本要高于风电发电成本，导致同等制氢技术下光伏制氢成本都高于风电制氢成本，以2020年为例，光伏制氢成本比风电制氢成本约高出了4元/kg。

图3 2017-2020年ALK和PEM制氢成本构成

从成本构成看，对于ALK风电制氢方案中耗电成本为最大的成本支出，2020年其占到总成本的54.04%，其次是电解装置的投资成本（约占14.36%）、储氢环节成本（约占12.53%）、电池组更换的大修费（6.76%）和电解装置运行成本（6.00%）；在2017年，PEM风电制氢技术中电解装置的投资成本最高，而从2018年起，耗电成本占比最大，以2020年为例，耗电成本占37.25%，电解装置的投资成本占27.95%，然后是电解装置运行成本（11.18%），电池组更换（8.88%），储氢成本（7.94%）。类似的，ALK光伏制氢技术中电费成本占高达61.80%，电解装置的投资成本仅占11.93%，而PEM光伏制氢的耗电成本在2017-2020年高于电解装置的投资成本，在2020年耗电成本占比为44.97%，电解装置的投资成本占24.51%，不同于PEM风电制氢技术。总体上，ALK制氢方案的电耗成本为最主要成本，PEM制氢成本是由耗电成本和电解装置投资两种成本共同构成。

多情景制氢工艺的成本比较

本文研究的电解水制氢四种方案均采用发电成本电价，即制氢项目具有自备电源的条件，属于“发电-制氢”一体化视角下的直接成本估算情形，但可再生能源出现难以消纳、发电供应不足或不具有自备电源的场景，发电成本价格可能采用上网电价。目前，我国所处地区及时段的上网电价差异巨大，为实现比较分析，通过加权平均方法计算波峰、波谷、平段三个阶段的全国平均电价及其对应的制氢成本，上网电价采用了全国各省市一般工商业峰谷电价（10千伏电压等级下），下表给出了2020年不同时段电价情形的制氢成本。结果表明，利用ALK谷电制氢具有一定的价格优势，云南、青海、新疆等部分地区成本可达到18元/kg水平，略低于ALK风电的制氢成本；ALK谷电制氢平均成本为24.04元/kg，略高于ALK光伏制氢成本；其它时段的电价及PEM技术的制氢成本不具备经济性。

表3 2020年不同时段上网电价（电解水制氢耗电成本）

下图展示了2020年不同场景和不同工艺制氢的主要投入物成本（化石能源投入物、CCS或用电成本投入）和制氢总体成本，其中气泡重心分别表示生产投入物成本与平均制氢成本（采用行业年度加权发电成本），气泡直径大小代表制氢成本取值范围（依据行业发电成本范围测算）。不同技术场景的单位制氢成本从低到高看，大致可以分为3个区间。第一区间在25元/kg以下，煤制氢单位成本为9.04元/kg，其中原料成本占75.00%左右（煤炭价格取600元/t），工艺成熟且最具经济性。工业副产氢与天然气制氢工艺也同样比较成熟，工业副产氢（以焦炉煤气制氢为例）单位成本为12.39元/kg，其中原料成本占80%左右（焦炉煤气价格取0.5元/m3，天然气制氢单位成本为13.48元/kg，其中原料成本占80%左右（天然气价格取2.5元/m3）。其次是煤制氢CCS与ALK风电，两种方案成本接近，煤制氢CCS技术单位制氢成本较煤制氢单位成本提高5~8元/kg。甲醇制氢单位成本为22.39元/kg，其中原料成本为17.74元/kg（甲醇价格取2.2元/kg），与ALK光伏、ALK谷电技术的单位制氢成本相当。第二区间是单位制氢成本在25元/kg到50元/kg之间，排序分别为PEM风电、PEM光伏、PEM谷电和ALK平电。第三区间单位制氢成本均大于50元/kg，平电和峰电情形下的ALK和PEM制氢都不具备经济性。

图4 2020年不同技术或场景的制氢成本对比分析

根据图4中气泡半径大小，可以发现煤制氢、ALK与PEM直接利用风电制氢方案的制氢成本变化区间最小，其次是煤制氢、工业副产氢、天然气制氢、煤制氢CCS，其单位制氢成本的波动低于10元，甲醇制氢单位制氢成本的波动与ALK光伏、ALK谷电、PEM光伏、PEM谷电方案同处于在20元以内，而平电与峰电情形的电解制氢方案的单位波动基本超过了20元。造成波动的原因主要为技术的成熟程度与制备过程中主要投入成本，选择斜率k=1.33（黄线）和1.85（蓝线）两条直线，分别过最具成本优势的化石能源煤制氢与ALK风电电解水制氢方案的气泡重心，可辨识不同制氢方案技术与投入物在制氢成本结构中的比重。化石能源制氢的气泡重心基本处于黄线以下，说明了煤制氢投入物煤炭的价格经济性优势，而天然气也同样具备一定的低成本优势。风电与光伏发电一体化制氢的四个组合方案的气泡重心大都处于黄线上或远离黄线上方，说明发电技术和制氢技术都是导致制氢成本高的重要因素。同时，风电、光伏和谷电的PEM制氢的组合方案在蓝线的上方，主要是PEM装备投入高造成的，体现了低成本发电情形下PEM技术的不成熟；蓝线下方包括了ALK光伏、ALK谷电、石化能源制氢方案和平电与峰电电解水制氢方案，其中，ALK光伏、ALK谷电及平电与峰电电解水制氢方案的制氢成本主要受发电成本高的影响，石化能源制氢方案相对新能源制氢技术其成本关键在于投入物成本或CCS技术。

通过梳理相关文献中制氢技术的单位制氢成本。测算方法主要采用了成本分解法。在投入物要素基本一致的场景下，不同的研究中单位制氢成本存在差异性，本文对电解水制氢的单位成本估算结果略低，说明本文研究方法更加体现规模化下产业整体成本。根据与下表中文献研究结果对标分析，本文4类制氢方案的平均制氢成本的研究误差分布在5.79~43.59%，整体研究平均误差为25.37%。整体上，相关投入物单价差异大，且以具体项目开展的测算的相关文献研究体现了项目个体的差异性特征，但难以体现产业整体制氢成本水平。

表4 相关文献制氢技术单位制氢成本对比

根据公开信息，本文对比了商业化投产项目的制氢成本，如下表所示，本文计算的2020年平均电解水制氢成本的研究误差分别为+6.63元/kg、+8.95元/kg和12.1元/kg，表明相对较大差别仍然是投入物成本造成的，除去投资方案差异性，用电成本为影响实际项目制氢成本的主要因素。综上，投入物成本是具体项目制氢成本的关键因素，也是本文测算方法的关键参数，下面讨论相关影响。

表5 投产ALK项目制氢成本

制氢成本敏感性分析

为了进一步讨论技术及投入物对ALK与PEM制氢成本的影响，依据图3中制氢成本的构成，选取风电或光伏发电成本（即制氢耗电成本）、电解装置总系统成本、电耗、电池组使用寿命、电解装置运维成本、电池组更换成本、储氢成本为重要影响因素，对2020年两种技术制氢成本开展敏感性分析，如图5所示。从图中可以直观地判断出上述7个因素对于单位制氢成本的敏感性程度，影响因素的斜率绝对值越大，表示该因素对单位制氢成本越敏感。

电耗和电池组使用寿命对ALK与PEM制氢成本的影响最敏感，其次是风电或光伏发电成本和电解装置总系统成本，且电池组使用寿命与单位制氢成本呈负相关，电耗及其他因素与单位制氢成本呈正相关。而电池组使用寿命的改进更多取决于新材料、新工艺等颠覆性技术革新，难以实现，电耗的技术进步相对于使用寿命的提升更加具有潜力，是未来ALK与PEM制氢成本下降的重要科技攻关方向。

根据图5所示，当电耗下降30%，4类制氢方案的制氢成本下降的比率在24.74~27.08%；尽管发电成本的敏感度低于电耗的技术影响，但发电成本下降对于降低制氢成本仍具有一定显著作用，特别是对于相对成熟的ALK制氢技术来说，当发电成本下降30%，风电制氢成本可下降16.21%，光伏制氢成本可下降18.54%；电解装置总系统成本主要作用于PEM制氢方案，当其下降30%，风电和光伏发电制氢成本可下降12.83%和11.25%，而对于ALK两种电源方案，电解装置总系统成本的影响仅分别为6.59%和5.48%。电解装置运维成本、电池组更换成本、储氢成本对4类制氢方案的制氢成本影响仅为1.43~3.76%，敏感性较低。总体上看，电解装置在能耗、使用寿命等制造或材料方面的技术进步，及投入物成本（发电成本）的降低是未来电解水制氢成本下降的关键因素，但制氢设备生产规模化效应对ALK技术的制氢成本作用不显著，下降空间有限。

图5 风能和光伏电解水制氢技术敏感性分析

结论

1）建立年度的发电成本动态估算方法，相比采用具体技术工艺或案例项目的度电发电成本测算方法，该方法突出年度的特征以及产业的代表性和整体性。本文通过遴选23家新能源发电的上市公司，分别基于2017-2020年上市企业发电成本数据加权测算了风电和光伏发电行业的年度发电成本。研究期内风力发电和光伏发电成本正在保持不断下降的发展趋势，并且逐渐具备与传统火电竞争的优势，为电解水制氢的发展提供了必要条件。

2）以风力发电和光伏发电的成本价格为投入电价，基于成本分解法估算了ALK和PEM两种电解水制氢成本，结果显示ALK较PEM制氢具有明显的经济性优势。技术方面，新能源领域发电技术不断成熟，研究期内的制氢成本不断下降；此外，ALK电解水制氢技术已趋于基本成熟，电解技术成本下降空间有限，而PEM电解制氢技术在快速成熟期，特别是基于质子交换膜电池市场规模和光伏产业的快速发展，光伏PEM制氢的下降空间潜力巨大。

3）通过与现有文献报告的制氢成本对比，基于“发电-制氢”一体化视角（直接发电成本）或基于新能源消纳视角（弃风、弃光电力资源进行电解水制氢）已经具备一定的经济可行性。ALK风电、ALK光伏与甲醇制氢成本相当，但还要高于煤制氢、工业副产氢、天然气重整制氢等传统石化制氢工艺。此外，根据敏感性分析，随着风光发电成本、电解装备制造成本与电解能耗的持续下降可以进一步降低制氢成本，风能、光伏发电制氢竞争力将进一步增强。