1研究背景

隨著全球氣候問題日益嚴(yán)峻，世界上越來越多的國家意識到為了人類賴以生存的家園必須處理好氣候變暖問題。氫能由于其無污染、單位質(zhì)量高、能量密度高、可儲存性好而成為世界上發(fā)展新型能源的首選;具有可再生性和廣泛來源的特性。現(xiàn)階段，世界氫能需求量僅為七千萬噸/年，在以后的5年時(shí)間內(nèi)，估計(jì)其數(shù)量將會以年均4%～5%的速率上升。據(jù)國際能源署預(yù)判，截止2025年全球精制工業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、建筑、人造能源工業(yè)對氫的需求將分別增至3500萬噸、200萬噸、330萬噸和1億噸。另外，據(jù)世界氫能理事會預(yù)測，到2030年，世界上的氫氣生產(chǎn)將達(dá)到1．1億萬噸，比2020年提高了64個(gè)百分點(diǎn);并且預(yù)測到2030年，將會在全球范圍內(nèi)投入500億美元以上的資金。據(jù)預(yù)測，2050年，氫能將占全國總能耗的十分之一，逐步替代汽油、柴油，推動第三次能源變革。

當(dāng)前我國以天然氣和煤炭為原料生產(chǎn)氫氣為主，生產(chǎn)過程中會有大量CO2產(chǎn)生，屬于“灰氫”，在“雙碳”的大環(huán)境下，“綠氫”是當(dāng)前業(yè)內(nèi)公認(rèn)的發(fā)展趨勢，也就是在生產(chǎn)氫氣時(shí)不會產(chǎn)生CO2?，F(xiàn)在“綠氫”技術(shù)的發(fā)展方向，就是利用電解水制氫，以電能為動力，用電極將水分子轉(zhuǎn)換為氫、氧。電解水制氫的主要制造裝置是電解槽，根據(jù)電解液的性質(zhì)將電解液分成三大類型:AWE、SOEC和PEM，3種電解槽的基本性能比較見表1。

目前，堿性和PEM兩種電解槽已經(jīng)商業(yè)化或正在商業(yè)化，固體氧化物電解槽還處于實(shí)驗(yàn)階段，還沒有商業(yè)化。因此，本文著重從理論上分析了兩種已經(jīng)商業(yè)化的電解槽，并定量地分析了這兩種不同的制氫方法。

2堿性電解槽和質(zhì)子交換膜電解槽原理分析

2．1堿性電解槽

堿槽生產(chǎn)氫氣的歷史較早，由TＲOOSTWIJK和DIEMANN于1789年提出，由于起步較早、發(fā)展時(shí)間較長、商業(yè)化較早，因此這一技術(shù)更為成熟。目前，人們普遍相信堿性電解池具有更高的安全性和更高的使用年限，可以達(dá)到15年，而且它的應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛;轉(zhuǎn)換效率一般在42%～78%之間。在過去的數(shù)年中，堿性電解槽的發(fā)展主要在以下兩方面實(shí)現(xiàn)了較好的進(jìn)展:改良過后的堿性電解槽的轉(zhuǎn)化效率獲得了一定的提升，因此從降低成本方面有效減少了其與電能消耗相關(guān)的運(yùn)作成本;而改良的堿性池則能增加操作電流，從而降低其投入成本。堿性電解槽的工作機(jī)理如圖1所示。

堿性電解槽是由兩個(gè)電極和一個(gè)氣體隔離的薄膜構(gòu)成，該薄膜以一種石棉為主體，其功能是阻止氫與氧的混合物?？偝山萦?0%～30%的KOH電解質(zhì)中，使其具有最高的電導(dǎo)性，或用NaOH與NaCl的混合物代替電解質(zhì)。當(dāng)蓄電池工作時(shí)，在65～100℃時(shí)，在陰極進(jìn)行了一次還原，并在負(fù)極上形成了一個(gè)氫和OH－，OH－離子經(jīng)膜片進(jìn)入到陽極，在陽極上進(jìn)行了氧化，形成了氧和水。在大量生產(chǎn)氫氣時(shí)，采用堿性電解池比較合適，一些廠家制造的高容量(500～760Nm3/h)的堿式電解池，對應(yīng)的功率消耗在2150～3534kW之間。

事實(shí)上，為避免生成易燃?xì)怏w混合物，堿性電解槽中氫的產(chǎn)量一般會限制為額定范圍的25%～100%，允許通過的最大電流密度約為0．4A/cm2，工作溫度為5～100℃，最大電解質(zhì)壓力接近2．5～3．0MPa。當(dāng)電解壓力過高時(shí)會導(dǎo)致明顯的投資成本增加，同時(shí)有害氣體混合物的形成可能性也顯著增大。在沒有附加提純設(shè)備的情況下，在堿式電解池中，其氫氣的純度高達(dá)99%。在堿式電解池中，電解質(zhì)的純度要求不超過5S/cm，以保證電極的安全性。

總而言之，堿制氫技術(shù)已較為成熟、投入少、操作成本較高;但存在著堿損耗、侵蝕、能源消耗大的問題。

2．2質(zhì)子交換膜水解槽(PEM)

美國通用公司在1966年首次以聚乙烯薄膜制成質(zhì)子交換膜，下文中的PEM電解槽正是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1978年，美國通用電器把PEM電解池商業(yè)化。而截至目前，該企業(yè)所生產(chǎn)的PEM電解槽數(shù)量依然較少，這主要是由于至今PEM電解槽氫生產(chǎn)能力仍然有限，壽命較短，設(shè)備投入成本極高。PEM電解槽通常為雙極性，使用雙極片進(jìn)行電連接，而雙極片在放電過程中扮演著重要角色。所述裝置包括陽極、陰極和通常由鉑或銥構(gòu)成的電極組合物(MEA)。在陽極中，水被分解為氧、電子和質(zhì)子。在陰極，由陽極生成氧、電子和質(zhì)子，通過膜的循環(huán)，最后變成氫氣。PEM電解槽的工作原理如圖2所示。

PEM電解槽常用于制造小規(guī)模的氫，它的最大產(chǎn)氫容量為30Nm3/h，功率為174kW。結(jié)果表明，PEM電解槽的氫氣產(chǎn)量基本涵蓋了總配額的全部產(chǎn)量。PEM電解槽的工作性能優(yōu)于堿性電解槽，其工作效率為48%～65%。由于主要成分為聚合物的換熱器的耐高溫性能較差，所以PEM電解槽的設(shè)計(jì)溫度通常低于80℃。德國Hoeler電解槽有限公司也已研發(fā)出了面對小型PEM電解槽的表面優(yōu)化工藝。PEM電解槽最大的優(yōu)點(diǎn)是可以隨著能量的供給而變化，尤其適用于對大量氫氣的需求。Hoeller公司的電解槽，能夠在幾秒鐘內(nèi)響應(yīng)0～100%的額定負(fù)載的電流變化。該專利技術(shù)現(xiàn)在正在進(jìn)行驗(yàn)證測試，該公司于2020年底建造并完成了測試設(shè)備。

PEM電解工藝生產(chǎn)的氫含量高于99．999%，其純度比常規(guī)堿性電解法高出許多。另外，由于聚合物質(zhì)子交換膜膜的極低氣體滲透性大大減少了形成易燃混合物的危險(xiǎn)性，也因此使得PEM電解槽能在極低的電流密度下正常工作。但是，必須保證電解液的導(dǎo)水性小于1S/cm。由于聚合物薄膜上的質(zhì)子流能快速地響應(yīng)能量的變化，PEM能夠適應(yīng)多種電源方式。雖然PEM已商業(yè)化，但其缺點(diǎn)也很明顯，其原因在于高的制造成本，以及薄膜及貴金屬的制造費(fèi)用。另外，PEM電解槽的壽命比常規(guī)的堿性電解槽要低。為了增強(qiáng)市場競爭能力，今后PEM電解槽的生產(chǎn)能力必須得到極大的提升。

3堿性電解槽與PEM電解槽成本分析

與其他新技術(shù)類似，綠色氫氣正在從一個(gè)重要的研究開發(fā)到一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。綠色氫氣液化氣的生產(chǎn)成本分為三大部分:電解槽生產(chǎn)成本、再生電能成本以及其他運(yùn)營成本?？傮w而言，綠色氫氣的LCOH大約是1/4，而電力則是更大的一部分(大約3/4);操作成本支出比較低，一般不超過5%。

3．1堿性電解槽

常規(guī)的堿式電解池生產(chǎn)的費(fèi)用與其生產(chǎn)的氫氣容量相關(guān)，生產(chǎn)容量愈大，生產(chǎn)費(fèi)用愈高。目前國內(nèi)市場上的堿性電解設(shè)備，每個(gè)設(shè)備的生產(chǎn)效率為10～10000Nm3/h，生產(chǎn)費(fèi)用為100000～10000000美元?，F(xiàn)在，一組設(shè)備可產(chǎn)生100萬噸/h的氫，每小時(shí)70000～100000元。從目前市場上各大堿槽廠的價(jià)格來看，該裝置的產(chǎn)氫量與其生產(chǎn)費(fèi)用有較好的線性相關(guān)性，如下所示。

從成本構(gòu)成來看，電力消耗是最大的，折舊費(fèi)用次之，這兩項(xiàng)因素所占工程造價(jià)的比例超過90%。由于人工維護(hù)費(fèi)用和原材料費(fèi)用都屬于硬性支出，想要降低氫氣的生產(chǎn)成本，還需要降低發(fā)電成本和折舊率。

由于目前國內(nèi)電力以燃煤為主，如果采用電力系統(tǒng)發(fā)電，其CO2排放遠(yuǎn)高于煤氣等，無法適應(yīng)目前“雙碳”政策，必須將電解液與太陽能、風(fēng)電等可持續(xù)發(fā)展相融合，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能與環(huán)保。根據(jù)國家發(fā)改委的《中國2050年光伏發(fā)展展望(2019)》中的預(yù)測，至2035年和2050年，光伏發(fā)電成本相比當(dāng)前預(yù)計(jì)約下降五成和七成，達(dá)到0．2元/kWh和0．13元/kWh。

當(dāng)電價(jià)下降的時(shí)候，電解制氫的費(fèi)用就會下降，而電費(fèi)的比重也會相應(yīng)的下降。每千瓦時(shí)每降0．1元，氫氣就會減少0．5元/千瓦時(shí)。假定我國對太陽能發(fā)電技術(shù)的電價(jià)預(yù)測較為精確，那么到2035至2050年間，電價(jià)將達(dá)到60%，而在2050年左右，其制氫費(fèi)用將達(dá)到1．67元/Nm3和1．32元/Nm3，與當(dāng)前生產(chǎn)成本最低的煤制氫企業(yè)相比，已有37%和50%的差距。假定今后再加上相關(guān)的國家補(bǔ)貼，電解法的制造費(fèi)用可能與礦物燃料制氫氣相比，或更少。

3．2質(zhì)子交換膜電解槽

按照張軒等人的計(jì)算，目前PEM水解槽生產(chǎn)的氫氣費(fèi)用為每公斤40元左右，具體如下。

目前PEM電解槽的制氫成本比堿性電解槽的制氫成本還高，主要由于PEM電解槽的原材料價(jià)值過高，造成每年的折舊成本太高，從而提高了制氫成本。機(jī)械和裝備的折舊占了四成，電力也占據(jù)了近半，因此要想減少設(shè)備的成本，就得從這兩個(gè)角度入手。

當(dāng)電費(fèi)下降時(shí)，發(fā)電費(fèi)用占總費(fèi)用的比例逐漸降低，而氫的費(fèi)用則逐步降低。當(dāng)電費(fèi)分別為0．13元/kWh和0．2元/kWh時(shí)，氫氣成本分別為2．4元/Nm3和2．71元/Nm3，成本占比分別為24%和33%。與堿槽法生產(chǎn)的氫氣成本比較，存在一定的差異，其原因是:PEM的成本過高，而折舊費(fèi)用過高。

由于電解槽生產(chǎn)成本的降低，氫氣生產(chǎn)成本和折舊在生產(chǎn)成本中的占比都將進(jìn)一步降低，假設(shè)其余情況保持穩(wěn)定，至2030年和2050年，PEM電解槽設(shè)備成本為1600萬元和500萬元，氫氣成本分別為2．86元/Nm3和2．31元/Nm3，設(shè)備折舊在成本中的占比分別為30%和13%。盡管價(jià)格相對于目前的市場基準(zhǔn)已經(jīng)有所下降，但和傳統(tǒng)堿性電解槽比較并不存在價(jià)格優(yōu)勢。

盡管從中期來看，PEM電解槽的成本較高，但是到了2040年以后，由于成本下降，其生產(chǎn)費(fèi)用將逐步下降，到2040年后將會逐步下降。

4我國未來發(fā)展趨勢

利用風(fēng)電、光伏和水電等可再生資源生產(chǎn)氫氣，當(dāng)價(jià)格低于0．25元/kWh時(shí)，其生產(chǎn)費(fèi)用將會產(chǎn)生較好的效益(每千克15．3～20．9元)。用堿和PEM電解法生產(chǎn)氫氣的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益詳見表4。

電解制氫成本計(jì)算方法見式(1)和式(2):

LCOE=固定成本/(制氫量×壽命)+運(yùn)行成本         (1)

運(yùn)行成本=制氫耗電量×電價(jià)+水價(jià)+設(shè)備維護(hù)成本(2)

以堿性電解法及PEM電解法(1000Nm3/h)為實(shí)例，假定工程的整體使用年限為20年，工作年限為9萬h，其中的固定成本包括電解槽、氫氣純化裝置、材料費(fèi);如工程建設(shè)、調(diào)試咨詢費(fèi)等，電解液的單價(jià)為每千瓦0．3元，其費(fèi)用的核算方法詳見表5。

與其它氫氣生產(chǎn)模式相比，當(dāng)可再生能源發(fā)電價(jià)格降低到0．25元/千瓦時(shí)時(shí)，綠色氫氣的價(jià)格將下降到15元/千克，從而具備了價(jià)格上的優(yōu)越性。在碳中和的大環(huán)境下，可持續(xù)發(fā)展的電力系統(tǒng)將會降低發(fā)電費(fèi)用、大規(guī)模生產(chǎn)氫氣、降低電解池的能耗、降低建設(shè)投資、降低碳稅等相關(guān)的稅收;綠色氫氣成本降低道路將逐步清晰。而常規(guī)的氫氣生產(chǎn)過程中，會摻雜大量的碳、硫、氯等相關(guān)的雜質(zhì)，再加上提純、CCUS等費(fèi)用，其生產(chǎn)成本將達(dá)到20元/kg。

與其它資源比較，當(dāng)前綠色氫氣的生產(chǎn)費(fèi)用比較昂貴，并且需要一定時(shí)間來減少生產(chǎn)費(fèi)用。預(yù)計(jì)在未來十年內(nèi)，我國風(fēng)電、光伏的新增裝機(jī)總量分別為50GW/年和70GW/年，可再生能源成本也將下降，部分地區(qū)甚至可能低于平價(jià)上網(wǎng)?！笆奈濉睍r(shí)期，我國可再生資源的平均上網(wǎng)價(jià)格有望下降到0．25元/千瓦時(shí)，相應(yīng)的綠色氫氣價(jià)格也將下降到15元/千克。

未來，由于其規(guī)模和關(guān)鍵核心技術(shù)的國內(nèi)技術(shù)的突破，可以大大減少電解水槽的制造費(fèi)用。到2030年，我國的堿性電解槽生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)費(fèi)用將由現(xiàn)在的2萬元/千瓦降低到700～900元/千瓦;其中，以百萬千瓦為單位的PEM裝置，其初期投資將由現(xiàn)在的8000元/千瓦降低到2030～6700元/千瓦，2050年將下降到630～1450元/kW。所以，"十四五"中國的環(huán)保氫的總成本將會降低到20元/公斤;未來我國將重點(diǎn)發(fā)展可持續(xù)發(fā)展的可再生資源，綠色氫氣的綜合制造成本有望降低至每千克10元。

而PEM的生產(chǎn)成本與堿性電解槽比較，其生產(chǎn)費(fèi)用也比較高;但是，由于氫能產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對氫的需求量和科技水平的不斷提升，使得PEM電解槽的生產(chǎn)費(fèi)用不斷降低，加之可持續(xù)發(fā)電的發(fā)電費(fèi)用不斷降低，同時(shí)也會產(chǎn)生更多的氫量，因此，PEM電解槽制氫的生產(chǎn)費(fèi)用將比堿法生產(chǎn)的低。如果考慮到使用區(qū)域(即土地成本)，PEM具有更加緊湊的構(gòu)造形式，在相同容積下，PEM的占地僅為堿工廠的一半，而在高成本、低能耗和高反應(yīng)速度下，PEM的優(yōu)越性尤為突出;高負(fù)荷條件下，PEM電解法有望在未來的發(fā)展中作為一種新型的水解制氫技術(shù)。

5結(jié)語

伴隨政府“雙碳”政策措施的持續(xù)實(shí)施和深入，可再生能源(如光伏、風(fēng)電等)發(fā)電生產(chǎn)成本的下降，氫燃料電池在汽車行業(yè)的規(guī)模化應(yīng)用和氫能交易市場的逐步形成，社會金融市場對氫氣的需求將呈爆發(fā)式增長，盡管常規(guī)的化石原料所制造的“灰氫”在中短期內(nèi)仍將占有市場主流，但采用環(huán)保的“綠色”能源來電解水制氫將是未來中國低碳經(jīng)濟(jì)的主流方向，同時(shí)也是中國氫能工業(yè)蓬勃發(fā)展的必然趨勢?！熬G氫”成本也必將隨著氫能的推廣和技術(shù)的進(jìn)步下降到可接受的水平，電解水會成為氫氣的主要來源，氫能社會的最終目標(biāo)也終將實(shí)現(xiàn)。