电水解氢气 碱性电解槽、质子调换膜电解槽谁制氢老本更低？绿氢制备路正在何方？

今朝“绿氢”老本远远高于化石燃料制氢，若何经过本领前进以及大领域化损耗升高“绿氢”老本是寰球一切氢能企业独特尽力方向。经过分解碱性电解槽( AWE)以及质子调换膜电解槽(PEM)两种主流电解本领的Calerie制氢老本组织，研究“绿氢”平价之路的方向以及决绝终点的决绝。

电解水制氢是他凯丽环球日最有繁华潜力的绿色氢能供应办法，正在“双碳”背景下，电解水制氢项目一经成为墟市存眷的热门话题。根据《中国氢能源及燃料电池家产白皮书（2020）》预计，2030年中国氢气鼓鼓须要量达3715万吨，2050年达9690万吨。有分解以为，电解水制氢将渐渐算作中国氢能供应的主体，正在氢能需要组织的占比将正在2040、2050年不同到达45%、70%。根据IRENA的预计，到2030年，寰球可更生能源制氢装机量将到达100GW，仅仅欧洲就将到达40GW的装机量。

从家产链散布看，制氢、燃料电池、储氢等氢能装置齐头并进，是家产投资最活泼范畴，投资占比逾越 80%。个中，制氢关节正在项目数目、投资领域上均占比最高，也是上市公司到场较多的关节。A股上市公司中除了宝丰能源（600989），A股中还有全体上市公司也正在结构电解水制氢项目，比如“硅片龙头”隆基股分（601012.SH）、阳光电源（300274.SZ）、开始智能（300450.SZ）等。

今朝，氢气鼓鼓的制取主要有三种主流的本领门路：以煤炭、煤油、自然气鼓鼓为代表的化石能源重整凯丽环球制氢（灰氢），以焦炉煤气鼓鼓、 氯碱尾气鼓鼓、丙烷脱氢为代表的工业副产品提纯制氢（蓝氢）；以电解水制氢为代表的可更生能源制氢（绿氢）。

电解水制氢本领主要有四种：碱性水电解（Alkaline, ALK）、质子调换膜水电解（PEM）、阴离子调换膜电解(AEM)以及固体氧化物水电解（SOE），海内今朝幼稚商业化利用的本领是碱性水电解制氢（ALK), 处于示范利用的是质子调换膜电解（PEM), SOE电解水本领以及阴离子调换膜电解(AEM)更多处于测验室研发阶段。

1、碱性电解槽(AWE)制氢老本分解

AWE制氢本领繁华的最为幼稚，拥有槽体组织简捷、安全切实、运行寿命长、操作轻松、售价昂贵等优点，是墟市上主要的电解制氢办法。普通而言，碱性电解槽的老本与其制氢才略成正比联系：制氢才略越大，老本越高。今朝海内墟市正在售的碱性电解槽单台设施制氢才略从多少十到1000Nm3/h没有等，代价从100万～1000余万元也没有等。图表1列示了MW碱性电解槽的老本组成。

图表1 MW碱性电解槽的老本组成

起因：“双碳”目的下电解制氢枢纽本领及其利用掘起

《电解水制氢老本分解》一文中，根据制氢历程的流动老本以及变动老本组织，给出制氢老本公式以下：

制氢老本=电价×单元电耗+(每年折旧+每年运维)/每年制氢总量+单元水耗×水价

为麻烦算计电解水制氢的全部老本，做出以下假定:

（1）1000Nm3/h碱性电解槽成850万元，没有含土地用度、土建以及设施装置150万元;

（2）每1m3氢气鼓鼓消费材料水0.001t，冷却水0.001t水费5元/t;

（3）设施折旧期 10a，土建及装置折旧期20a，选择直线折旧，无残值，设施每年折旧10%，土建以及装置每年折旧5%

（4）工业用电代价0.4元/kWh，每1m3氢气鼓鼓耗电5kWh;

（5）每年处事2000h，每年制氢200万Nm3;

（6）人工老本以及维护老本每年40万元。测算了局见图表2。

从图表2可知，现有条件下的电解水制氢老本凑近30元/kg，远远高于自然气鼓鼓制氢或煤制氢10～15元/kg的制氢老本。

图表2 碱性电解槽制氢老本分解元/Nm3

数据起因：电解水制氢老本分解

从老本变成分解，电耗老本最高，占到74%;折旧老本占到18%，这两项占到了总老本的90%以上。因为人工运维以及材料属于刚性付出，因而升高其制氢老本还须要从升高电耗以及升高折旧这两方面动手。

根据国家发改委的《中国2050时间伏繁华预测(2019)》的预计，2035年以及2050时间伏发电老本瞻望约下降50%以及70%，到达0.2元/kWh以及0.13元/kWh。电力老本每下降0.1元/kWh，氢气鼓鼓老本平衡下降0.5元/Nm3。假设对于光伏上钩电价的预计确切，则到2035年以及2050年，电费占比不同为60%以及49%，制氢老本将会为1.67元/Nm3以及1.32元/Nm3，比拟今朝不同升高了37%以及50%，不同凑近以及逾越了今朝制氢老本最低的煤制氢。假设加上战术贴补，则电解制氢的老本将有大概等于甚至低于化石能源制氢。

推广设施运用率是升高老本的第二条途径。思虑他凯丽钻石团队日氢气鼓鼓须要放量，可更生能源电力储能博得攻破状况下，也也许经过缩短电解槽处事时光，损耗更多“绿氢”以摊薄其流动老本。

图表3 分歧条件下制氢老本与电解槽处事时光的联系

1—0.13元/kWh;2—0.2元/kWh;3—0.3元/kWh;4—0.4元/kWh

起因：电解水制氢老本分解

从图表3可知，正在分歧电价条件下，随着电解槽每年处事时光的缩短，因为单元氢气鼓鼓流动老本的升高，制氢老本随之下降，从2000h选拔至8000h后，单元氢气鼓鼓老本平衡升高30%以上。

假设到2030年以及2050年电费不同为0.2元/kWh以及0.13元/kWh，处事时光不同为4000h/a以及8000h/a，则对于应的制氢老本不同为1.34元/Nm3以及0.83元/Nm3，那么正在没有依附贴补的条件下，使“绿氢”的损耗老本凑近以及低于“灰氢”。

升高电解槽洽购老本以及选拔电解槽效用也是降老本方向。因为碱性电解槽工艺本领一经十分幼稚，很难经过本领变革升高老本，根据预计他日10年经过本领革新以及领域扩展，也许降本40%，1000Nm3/h电解槽老本会降至500万元，届时制氢老本将下降5%～10%。其余，经过开垦先辈机能的电极以及隔膜质料，进一步优化槽体组织，也许进一步进步其转化效用，升高老本以及能耗。

二、质子调换膜电解槽(PEM)制氢老本分解

碱性电解槽电解效用低，须要利用强腐蚀性碱液，氢气鼓鼓须要脱除水以及碱，难加紧煽动以及变载，同时没法加紧调治制氢的速率，所以与可更生能源发电的适配性较差，正在碱性电解槽的本领方向，以上误差难以克服，因而连年来质子调换膜电解槽(PEM)日趋受到人们的器重。

图表4 PEM电解槽的截面提示图

1-质子调换膜，2/2’-催化层，3/3’-多孔传播层，

4/4’-隔板以及流道，5/5’-端板

质子调换膜电解槽选择高分子围拢物质子调换膜代替了碱性电解槽中的隔膜以及液态电解质，拥有离子传导以及隔断气鼓鼓体的双重影响。PEM电解槽组织与燃料电池一致，由膜电极、双极板等零件组成。膜电极供给反应场面，由质子调换膜以及阴阳极催化剂组成。

图表5 PEM电解槽的老本组成

比拟于碱性电解槽，PEM电解槽拥有反应无污染、氢气鼓鼓无需结合碱液、转化效用高、能耗低、槽体组织紧凑、运行尤其精巧(负荷范围0～150%)、更顺应可更生能源的稳定性等优点，良多新建电解制氢项目结束挑选PEM电解槽本领。但因为PEM电解本领商业化时光没有长，质子调换膜以及铂电极催化剂等枢纽组件老本较高，导致 PEM电解槽建造老本较高，为不异领域碱性电解槽的3～5倍。

为算计PEM电解槽制氢老本，做出以下假定:

（1）1000Nm3/h的PEM电解槽老本3000万元，没有含土地用度，土建以及设施装置200万元;

（2）每1m3氢气鼓鼓消费材料水0.001t，冷却水0.001t，水费5元/t;

（3）设施折旧期10a，土建及装置折旧期20a，选择直线折旧，无残值，设施每年折旧10%，土建以及装置每年折旧5%;

（4）工业用电代价0.4元/kWh，每1m3氢气鼓鼓耗电4.5kWh;

（5）每年处事2000h，每年制氢200万m3;

（6）人工老本以及维护老本美商凯丽每年40万元。

图表6 PEM电解槽的制氢老本分解元/Nm3

从图表6可知，根据不异的算计准则，PEM电解槽制氢老本高于碱性电解槽，主假如 PEM电解槽洽购老本太高，每年的折旧老本太高。设施折旧老本占到总老本的 44%，电耗老本占到50%，因而升高老本依然要从这两方面动手。

随着电费的下降，电力老本正在总老本中的比重逐渐下降，氢气鼓鼓老本也逐渐升高。当电费不同为0.13元/kWh以及0.2元/kWh时，氢气鼓鼓老本不同为2.4元/Nm3以及2.71元/Nm3，老本占比不同为24%以及33%。与碱性电解槽制氢老本比拟，仍有特定分歧，主要正在于PEM电解槽代价太贵，折旧老本太高。

经过对于往昔多少十年PEM电解槽的老本分解，PEM电解槽的平衡练习率为13%，至 2030年1000Nm3/h的PEM电解槽代价瞻望为1500万元，至2050年约为500万元。随着电解槽老本的下降，氢气鼓鼓老本以及折旧正在老本的占比也同步下降，假设其他条件没有变，至2030年以及2050年，PEM电解槽设施老本为1600万元以及500万元，氢气鼓鼓老本不同为2.86元/Nm3以及2.31元/Nm3，设施折旧正在老本中的占比不同为30%以及13%。虽然比拟今朝代价基准大幅升高，但与碱性电解槽比拟仍没有拥有代价劣势。

正在分歧电价以及分歧电解槽老本的配合条件下，即电价0.4元/kWh、电解槽老本3000 万元，电价0.3元/kWh、电解槽老本2000万元，电价0.2元/kWh、电解槽老本1500万元，电价0.13元/kWh、电解槽老本500万元，运行时光对于制氢老本的作用，详见图7。

图表7分歧条件下制氢老本与电解槽处事时光的联系

1—0.13元/kWh－500万;2—0.2元/kWh－1500万

3—0.3元/kWh－2000万;4—0.4元/kWh－3000万

起因：电解水制氢老本分解

从图表7也许看出，随着电解槽处事时光的缩短，氢气鼓鼓产量的推广，氢气鼓鼓老本逐渐下降。个中，电力老本以及流动老本越高，下降趋势越分明。到2030年以及2050年，瞻望电费不同为0.2元/kWh以及0.13元/kWh，处事时光不同为4000h/a以及8000h/a，对于应PEM电解槽老本不同为1500万元以及500万元，则对于应的制氢老本不同为1.41元/Nm3以及0.72元/Nm3，对于比今朝制氢老本大大升高。

比拟碱性电解槽PEM电解的氢气鼓鼓老本仍然偏高，但随着PEM电解槽洽购老本的升高，瞻望会正在2030年后逐渐低于碱性电解槽的制氢老本，并正在2040年后低于化石燃料制氢。

经过上述分解可知，比拟于碱性电解槽，PEM电解槽因为设施老本过高，制氢老本相对于较高，但随着氢气鼓鼓须要推广，和本领的前进会带来PEM电解槽老本的下降，叠加可更生能源电力老本的下降以及产氢数目的推广，最终PEM电解槽制氢老本会低于碱性电解槽。

假设思虑用大地积，即土地老本，PEM电解槽尤其紧凑，整齐领域下PEM占大地积多少乎为碱性安设的一半，正在土地低廉的地带PEM电解槽劣势尤其分明，贯串其效用高、能耗少、反映快、负载低等劣势，PEM电解槽有望成为他日电解制氢的主流方向。

三、制氢老本分解结论以及繁华方向

PEM水电解制氢已步入商业化早期，局部本领大领域繁华的瓶颈正在于膜电极选用被小量厂家垄断的质子调换膜，阴、阳极催化剂质料需选择贵金属和电解能耗仍然偏高。束缚上述难题是PEM水电解制氢本领进一步繁华与扩张的枢纽。

不过从投资老本以及运行老本来看，与传统化石能源制氢（灰氢、蓝氢）比拟，不管是碱性电解槽依然PEM电解槽仍然有很大的老本下降空间。PEM电解槽更是比碱性电解槽贵逾越50-60%以上，给这些非化石能源制氢本领的墟市渗出形成了很大的闭塞。当思虑到经济领域，主动化，零零件供应商推广，大领域墟市须要，能源保存的大度摆设利用等这些因素，碱性电解槽以及凯丽钻石团队PEM电解槽都被以为还有很大的老本下降空间。个中，电解槽的设施折旧以及电费两全体总计到达老本的 90% 以上。但从产物以及经营层面议论，他日降本空间正在于升高电价，推广电解槽的处事时光，升高设施洽购老本，以摊薄折旧以及其他流动付出老本；经过本领前进以及领域化损耗，也也许升高电解槽的投资老本( 尤为对付PEM 电解槽) 等。

根据业内反应，正在研发方向方面，他日，随着质料以及零件制备、系统集成等本领的攻破，绿氢制备本领将朝着缩短运行寿命、选拔单体功率、升高安全告急以及老本等方向繁华。比如，完结枢纽零件质料完结国产化，制氢单体功率将选拔至10 MW级，系统单元能耗没有高于4 kWh/m3等目的。其余，业内以为，完结氢能的领域化利用，还需正在以下方面施行深切争论：1）争论新能源输入对于电解槽及制氢系统作用，束缚可更生能源高比率并网课题；2）进步电解槽以及系统切实性与持久性；3）选拔电解槽枢纽质料与当中零件自主化研发水平。

参照文献

赵雪莹等，“双碳”目的下电解制氢枢纽本领及其利用掘起、［J］．寰球能源互联网，2021，4(5)．

张轩，王凯，电解水制氢老本分解［J］．今生化工，2021，41(12)

苗军，郭卫军．氢能的损耗工艺及经济性分解［J］．能源化工，2020，41(6)

2023天下氢能本领大会