解析电解水制氢成本

质子交换膜电解槽( PEM)制氢成本分析碱性电解槽电解效率低，需要使用强腐蚀性碱液，氢气需要脱除水和碱，难快速启动和变载，同时无法快速调节制氢的速度，因而与可再生能源发电的适配性较差，在碱性电解槽的技术方向，以上缺点难以克服，所以近年来质子交换 膜电解槽( PEM) 日益受到人们的重视。图表 4 PEM电解槽的截面示意图

1-质子交换膜，2/2’-催化层，3/3’-多孔传递层，4/4’-隔板和流道，5/5’-端板质子交换膜电解槽采用高分子聚合物质子交换膜替代了碱性电解槽中的隔膜和液态电解质，具有离子传导和隔离气体的双重作用 。PEM 电解槽结构与燃料电池类似，由膜电极、双极板等部件组成。膜电极提供反应场所，由质子交换膜和阴阳极催化剂组成。图表5 PEM 电解槽的成本组成

来源：“双碳”目标下电解制氢关键技术及其应用进展相比于碱性电解槽，PEM 电解槽具有反应无污染、氢气无需分离碱液、转化效率高、能耗低、槽体结构紧凑、运行更加灵活( 负荷范围 0～150%) 、更适合可再生能源的波动性等优点，很多新建电解制氢项目开始选择PEM电解槽技术。但由于 PEM电解技术商业化时间不长，质子交换膜和铂电极催化剂等关键组件成本较高，导致 PEM 电解槽制造成本较高，为相同规模碱性电解槽的 3～5 倍。为计算 PEM 电解槽制氢成本，做出如下假设:（1）1000 Nm3 / h 的 PEM 电解槽成本 3 000 万元，不 含土地费用，土建和设备安装 200 万元;（2）每 1 m3氢气消耗原料水0. 001 t，冷却水0. 001 t，水费5 元/ t;（3）设备折旧期 10 a，土建及安装折旧期 20 a，采用直 线折旧，无残值，设备每年折旧 10%，土建和安装每 年折旧 5%;（4）工业用电价格 0. 4 元/ kWh，每 1 m3氢气耗电 4. 5 kWh;（5）每年工作 2 000 h，每年制氢 200 万 m3 ;（6）人工成本和维护成本每年 40 万元。图表 6 PEM 电解槽的制氢成本分析 元/Nm3

数据来源：电解水制氢成本分析从图表6 可知，按照相同的计算原则，PEM电解槽制氢成本高于碱性电解槽，主要是 PEM 电解槽 采购成本太高，每年的折旧成本太高。设备折旧成本占到总成本的 44%，电耗成本占到 50%，所以降低成本还是要从这两方面入手。随着电费的下降，电力成本在总成 本中的比重逐渐下降，氢气成本也逐渐降低。当电费分别为 0.13 元/ kWh 和 0.2元/ kWh 时，氢气成 本分别为2.4元/Nm3和2. 71元/Nm3，成本占比分别为 24%和 33% 。与碱性电解槽制氢成本相比，仍有一定差距，主要在于PEM电解槽价格太贵，折旧成本太高。通过对过去几十年 PEM 电解槽的成本分析，PEM电解槽的平均学习率 为 13%，至 2030 年1000 Nm3 / h的PEM电解槽价格预计为1500万元，至2050 年约为500万元。随着电解槽成本的下降，氢气成本和折旧在成本的占比也同步下降，如果其他条件不变，至 2030年和2050年，PEM电解槽设备成本为1600万元和500万元，氢气成本分别为 2.86 元/Nm3和 2.31 元/Nm3，设备折旧在成本中的占比分别为30%和13% 。虽然相比目前价格基准大幅降低，但与碱性电解槽相比仍不具有价格优势。在不同电价和不同电解槽成本的组合条件下，即电价0.4元/ kWh、电 解槽成本 3000 万元，电价0.3 元/ kWh、电解槽成本2000万元，电价 0 2 元/ kWh、电解槽成本 1500 万元， 电价 0.13元/ kWh、电解槽成本 500 万元，运行时间对制氢成本的影响，详见图 7。图表 7不同条件下制氢成本与电解槽工作时间的关系

1—0. 13 元/ kWh－500 万; 2—0. 2 元/ kWh－1 500 万;3—0. 3 元/ kWh－2 000 万; 4—0. 4 元/ kWh－3 000 万来源：电解水制氢成本分析从图表7 可以看出，随着电解槽工作时间的延长，氢气产量的增加，氢气成本逐渐下降。其中，电力成本和固定成本越高，下降趋势越明显。到 2030年和2050年，预计电费分别为0.2元/ kWh和 0.13元/ kWh，工作时间分别为 4 000 h / a 和 8 000 h / a， 对应 PEM 电解槽成本分别为1 500万元和500万元，则对应的制氢成本分别为1.41元/Nm3和0. 72元/Nm3，对比目前制氢成本大大降低。

相比碱性电解槽 PEM 电解的氢气成本仍然偏高，但随着 PEM 电解槽采购成本的降低，预计会在 2030年后逐渐低于碱性电解槽的制氢成本，并在 2040 年后低于化石燃料制氢。

通过上述分析可知，相比于碱性电解槽，PEM电解槽由于设备成本过高，制氢成本相对较高，但随着氢气需求增加，以及技术的进步会带来 PEM 电解槽成本的下降，叠加可再生能源电力成本的下降和产氢数量的增加，最终 PEM 电解槽制氢成本会低于碱性电解槽。如果考虑用地面积，即土地成本，PEM 电解槽更加紧凑，同等规模下PEM 占地面积几乎为碱性装置的一半，在土地昂贵的地区 PEM 电解槽优势更加明显，结合其效率高、能耗少、响应快、负载高等优势，PEM 电解槽有望成为未来电解制氢的主流方向。

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……（持续更新中）

主办单位

气体科技智库

气体圈子（Gas Ecosphere）