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                制氫成本將決定其能否在未來應用場景中脫穎而出

                 更新時間:2024-01-12    點擊量:124

                對于制氫成本,資本支出成本固然很重要,但它們只是整個全生命周期成本的一個組成部分。建造和運行的總成本,也就是產生的氫氣的成本,還主要取決于購買電力的成本,以及電解效率和壽命等技術參數。

                正如可再生能源和傳統發電站可以用它們的平準化能源成本(LCOE)來概括一樣,電解制氫的總成本可以用氫的平準化成本(LCOH)來概括,也稱為氣體的平準化成本(LCOG)。這量化了系統全生命周期內每單位氫氣產生的總生產成本(例如,$ /kg或$ /MW)。

                LCOH通過考慮所有技術和經濟參數(資本成本、運營成本、生產效率、系統壽命、性能衰減退化和能源使用成本等),這提供了一個公平合理的評價。這個概念可以用來探索評估重要性的權衡取舍,比如使用更好的材料來增加系統的耐用性和效率。這可能會增加資本支出成本,但由于所需的維護和需要購買的電力較少,因此也降低了運營成本。

                一、氫氣平準化成本(LCOH)的計算

                氫氣的平準化成本可以描述為氫氣生產技術投資的總生命周期成本除以其累計生產交付的氫氣量。其具體數值揭示了氫氣的平均銷售價格,使系統達到財務平衡。成本和氫氣產量都根據投資的資本成本(也稱為貼現率)進行貼現,以反映貨幣的時間價值。未來許多年后產生的成本或遠期出售的氫氣的價值對今天所做投資決策的可行性的影響較小。

                與平準化儲能成本(LCOS)一樣,有各種不同的定義,其中可能包括或不包括相關參數,如系統的報廢處理、電解槽更換或壽命期內的容量(產氫量)衰減。

                氫氣的平準化成本(LOCH)由下面公式給出:

                1)說明:匯總每年(n)到系統生命周期(n)的所有成本類別,并按項目貼現率(r)對每個類別進行貼現。


                2)簡單科普貼現率:貼現率,簡單的說,就是將來的錢,折算到現值,少掉或多出的那部分的錢與將來的錢的比值。


                二、電費的重要性。


                用電制氫的總成本主要包括電解槽資本支出和輸入電解槽的電力成本。國際能源機構(IEA)指出,隨著電解槽利用率的提高,資本支出對制氫成本的影響越來越小,而購電成本則成為水電解的主要成本組成部分。后者受生產技術和地域環境的制約。一個關鍵的區別是,電力是從一個地區的電網購買,還是直接從低碳或可再生發電來源購買。由于發電組合和使用的燃料、排放價格和稅收的差異,世界各地的電力批發市場價格各不相同;但大多數市場的主要驅動因素是全球或地區化石燃料的價格。電力價格短期和長期的波動也很大,每日隨可再生能源的需求和供應而變化,并隨化石燃料價格的季節性波動而變化。


                許多研究考慮的電價范圍是40-60美元/兆瓦時(MWh),因為這大致反映了歐洲和北美的長期平均電價,或20美元/兆瓦時(MWh)作為敏感度,以反映電價隨著可再生能源比例的增加而下降的趨勢。下圖1顯示了電力價格對氫氣生產成本的影響。


                圖1:假設未來電解氫的平準化成本是資本成本(左)和電力成本(右)的函數。計算假設貼現率為8%,效率為69% (LHV)。圖品轉載自IEA


                考慮到水電解在脫碳能源系統中的作用,重點關注的是由可再生電力產生的“綠氫"。從2010年到2020年,太陽能光伏發電的成本下降了7倍(這里7倍理解成七分之一),同期風能發電的成本下降了一半。這主要是由于全球范圍內的資本成本下降,但由于風能和太陽能發電場的潛在生產力不同,所以也會存在很大的區域差異。

                每個地區都有不同的太陽能和風能發電特性,這將影響氫氣的生產和安裝成本(見下圖2)。對于具有高容量因素的地區,發電成本低廉,降低了制氫成本。


                圖2:以太陽能光伏或風能為電力來源的制氫成本模型。轉載自IEA


                如果綠氫是由與電解槽直接連接的風能或太陽能光伏發電產生的,那么低成本的氫生產需要考慮安裝的太陽能/風能容量和安裝的電解槽容量之間的權衡:這決定了電解槽的平均利用率。

                對于一個1兆瓦的電解槽系統,1兆瓦的風電裝機容量將提供平均400千瓦的電力(平均容量系數為40%:容量系數=年實際發電量/(機組總容量*365*24))。電解槽的利用率將與風的容量系數相同。為了實現更高的電解槽利用率和降低電解槽的資本支出,必須安裝更多的風機。發電量的增加將受力發電量曲線的影響,而增加發電量會在一年內的某些時候造成電力供應過剩。如果有可用的外網連接或現場使用,這種供應過??梢暂敵?,否則就必須減少供應。因此,在增加電解槽利用率降低成本和減少風力發電能力增加成本之間可能存在權衡。

                三、國外制氫成本估算。

                目前的研究結果表明,電解氫的成本約為5美元/公斤。這可以通過氫氣的能量含量(較低熱值時33.3千瓦時/)換算成150美元/兆瓦時,以便于與電價進行比較。

                國際可再生能源署(IRENA)預計,氫氣的平準化成本將從目前的5美元/加侖(根據具體情況而定,介于2.70-6美元之間)降至未來的1美元/加侖這一節省主要來自兩項關鍵的干預措施:


                1)電解槽資本支出減少80%(從750美元降至150美元),每公斤節省1.80美元;


                2)電力投入成本減半(從53美元/MWh降至20美元元/MWh),每公斤節省1.40美元。

                類似地,ETC模型,現狀歐洲的氫成本為5.1歐元/kg(假設資本成本為780美元/kW)。未來,氫氣的年需求量為500TWh(10萬噸),這一數字可能降至3.60歐元/千克;年需求量為1100TWh(22萬噸),進一步降至1.70歐元/千克。另外,主要的節省來自降低資本成本(1.30美元/千克)和大量廉價的可再生電力(1.10美元/千克)。

                Agora則更為樂觀,他認為如果在北非使用光伏作為電力來源,氫氣現狀的成本將達到2.60美元/公斤,到2025年這一成本可能降至1.90 - 2.20美元/公斤,如果與中國的電解槽制造成本(115美元/千瓦時)趨同時,到2030年將進一步降至1.30美元/千克;或者根據國際能源署(IEA)對電解槽低資本支出的假設,有機會降至1.90美元/公斤時,下圖3總結了主要驅動因素的影響。



                圖3:隨著時間的推移,綠色制氫的成本預測,作為電解槽資本成本和電價的函數。轉載自IRENA

                學術研究同樣估計,使用海上風能生產氫氣的成本為4.50美元/公斤,使用可再生能源生產氫氣的成本為5.00 - 6.10美元/公斤;在小眾應用領域,盡管尚未達到工業規模,但制氫成本約為3.48 美元/千克。如果按照最近的市場趨勢繼續下去,預期氫氣生產成本降低到2.7美元/公斤。這些場景也與當前的行業公告一致。Areva H2Gen報告稱,一個充分利用的1兆瓦PEMWE系統(每年運行8000小時)電價為55美金/MWh時,生產氫氣的成本為3.90美元/kg。Enapter希望將其家庭規模(2.4千瓦)AEMWEs的氫成本從2020年的7.60美元降低到2030年的1.60美元/公斤,額外再加上約3美元/公斤的電力消耗費用。

                四、與其他技術(制氫技術和儲能技術)比較。

                電解制氫一直是成本最高、排放低的制氫方式。如下圖4所示,從化石燃料中生產氫氣是便宜的選擇,其次是化石燃料生產與碳捕獲和儲存以及生物質制氫。電解的成本大約是其他替代方法的兩倍,但隨著電解和低碳發電的成本變得越來越便宜以及生產規模的擴大,這種情況在未來可能會發生變化。


                圖4:不同制氫方式的均一化成本


                然而,與其他儲能技術相比,電解制氫然后將其轉化為電能的成本是有優勢的。有人在計算了所有主要電力系統應用中幾種技術(包括電化學、機械、抽水蓄能)的平準化存儲成本,并根據經驗值和市場增長情景預測了這些技術在未來的應用。具成本效益的存儲技術的全譜應用如下圖5所示。



                圖5:具成本效益的存儲技術,就低水平的存儲成本而言,作為應用需求的功能。


                說明:每個圖面都顯示了在所有可能的組合排放持續時間和年循環要求下,成本低的技術。左圖考慮了所有建模技術,右圖排除了抽水蓄能和地下壓縮空氣(因為這些都有地質要求)。圈出的數字代表了12種常見的電力系統應用的需求,這些應用是貨幣化的。顏色代表LCOS低的技術路線。陰影表示最好和次好的技術之間的成本差異,因此較暗的區域表示流行技術的強大成本優勢。
                由于其技術特點,氫儲存(包括電解水和燃料電池)對長時間的季節性儲存特別有效。目前,氫氣是成本低的技術,放電時間超過一個月(7000 h);在世界上不能使用抽水蓄能或地下壓縮空氣儲存的地區,氫是放電持續時間超過一天的成本低的解決方案。隨著時間的推移,氫具有成本競爭力的運營窗口預計將擴大,因為它的成本將比成熟的抽水蓄能下降得更快。


                文章來源:氫眼所見

                注:已獲得轉載權


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