中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近期，國際可再生能源機(jī)構(gòu)（IRENA）發(fā)布《綠氫成本下降：電解制氫規(guī)?；詫?shí)現(xiàn)1.5℃氣候目標(biāo)》報(bào)告，分析預(yù)測(cè)了到2050年可再生能源電力電解制氫（即綠氫）的成本趨勢(shì)。報(bào)告指出，由于太陽能和風(fēng)能成本下降、電解槽性能提升和規(guī)模擴(kuò)大，預(yù)計(jì)到2030年綠氫成本將能夠與藍(lán)氫（配備碳捕集的化石燃料制氫）競(jìng)爭(zhēng)。電解槽作為綠氫生產(chǎn)的第二大成本構(gòu)成，需加大投入以促進(jìn)其成本下降。通過降低電解槽成本和優(yōu)化性能，結(jié)合低成本可再生能源電力，長(zhǎng)期內(nèi)將使綠氫生產(chǎn)成本最高降低85%。報(bào)告同時(shí)還提出了促進(jìn)綠氫規(guī)模化的階段化發(fā)展路徑及關(guān)鍵里程碑，以及政府推動(dòng)電解槽技術(shù)創(chuàng)新的政策建議。主要內(nèi)容如下：
1、電力是綠氫生產(chǎn)的最大成本，但降低電解槽成本亟需提上日程
隨著越來越多的國家貫徹推行深度脫碳戰(zhàn)略，氫氣（尤其是可再生能源電力電解制取的綠氫）將發(fā)揮關(guān)鍵作用，尤其是在難以實(shí)現(xiàn)直接電氣化的行業(yè)，如鋼鐵、化工、長(zhǎng)途運(yùn)輸、航運(yùn)和航空等。除監(jiān)管法規(guī)和市場(chǎng)設(shè)計(jì)之外，生產(chǎn)成本也是綠氫部署的主要障礙。隨著可再生能源成本下降，綠氫成本正在下降，但仍是藍(lán)氫（化石燃料制取并結(jié)合碳捕集與封存技術(shù)）的2-3倍，需要進(jìn)一步降低成本。綠氫生產(chǎn)的最大成本是可再生能源電力成本，因此，低電力成本是生產(chǎn)有競(jìng)爭(zhēng)力的綠氫必要條件。這為世界各地?fù)碛写罅靠稍偕茉促Y源的地區(qū)生產(chǎn)氫氣創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。然而，要使綠氫具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，僅僅確保低電力成本還不足，還需降低電解設(shè)施成本。電解槽成本是綠氫生產(chǎn)的第二大成本，通過一些降低成本的策略有望將電解制氫工廠的投資成本短期內(nèi)降低40%，長(zhǎng)期內(nèi)降低80%。
2、綠氫生產(chǎn)成本長(zhǎng)期內(nèi)可降低85%，到2030年將在許多市場(chǎng)與藍(lán)氫競(jìng)爭(zhēng)
通過降低電力成本和電解槽資本成本，以及提高電解槽效率和優(yōu)化運(yùn)行，長(zhǎng)期內(nèi)可使綠氫生產(chǎn)成本最高降低85%（如圖1所示）。
圖1 未來制氫成本降低要素分解（單位：美元/kg）
報(bào)告預(yù)測(cè)了2020年至2050年間不同電價(jià)及電解槽成本的綠氫成本下降情景（如圖2所示）。在最佳情景下，通過使用低成本可再生能源電力（20美元/兆瓦時(shí)），目前部分地區(qū)綠氫生產(chǎn)成本已經(jīng)可以與藍(lán)氫競(jìng)爭(zhēng)。低電價(jià)對(duì)于生產(chǎn)具有競(jìng)爭(zhēng)力的綠氫至關(guān)重要，即使電解槽成本降低也無法彌補(bǔ)高電價(jià)帶來的高成本。通過低廉的可再生能源電力和電解槽的積極部署，2040年之前綠氫成本可能低于所有情景下的藍(lán)氫成本。如果在未來十年內(nèi)迅速擴(kuò)大規(guī)模，預(yù)計(jì)到2030年綠氫將在許多國家（例如電價(jià)為30美元/兆瓦時(shí)的國家）和應(yīng)用領(lǐng)域開始具備與藍(lán)氫相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力。
圖2 2020-2050年不同電價(jià)及電解槽成本變化下的綠氫成本預(yù)測(cè)（單位：美元/kg）
3、影響電解槽成本的因素
（1）電解槽設(shè)計(jì)和建造。模塊尺寸增加和電堆制造創(chuàng)新對(duì)電解槽成本有重大影響。電解制氫設(shè)施規(guī)模從目前的1兆瓦提高到20兆瓦可以降低超過1/3的成本。然而，成本并不是影響設(shè)備規(guī)模的唯一因素，因?yàn)槊糠N技術(shù)都有自己的電堆設(shè)計(jì)，不同制造商的電堆設(shè)計(jì)也各不相同。系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)還需考慮效率和靈活性等系統(tǒng)性能。
（2）規(guī)模經(jīng)濟(jì)。在吉瓦規(guī)模設(shè)備的生產(chǎn)設(shè)施中，電堆生產(chǎn)的自動(dòng)化可以實(shí)現(xiàn)成本的逐步降低。在較低產(chǎn)量下，電堆約占總成本的45%；而在較高產(chǎn)量下，電堆成本占比可降至30%。對(duì)于質(zhì)子交換膜電解槽，實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)的臨界點(diǎn)約為1000臺(tái)/年（設(shè)備規(guī)模為1兆瓦），在這種情況下，規(guī)?；梢允闺姸阎圃斐杀窘档徒?0%。除了電解槽之外的其他輔助系統(tǒng)組件成本與電解槽成本同樣重要，可通過系統(tǒng)組件和電解廠設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化來降低成本。
（3）材料成本。稀有材料可能成為降低電解槽成本和擴(kuò)大規(guī)模的障礙。用于質(zhì)子交換膜電解槽的銥和鉑原料當(dāng)前產(chǎn)量?jī)H可支持3-7.5吉瓦/年的制造能力，而到2030年預(yù)計(jì)產(chǎn)量需求約為100吉瓦/年。然而，堿性電解槽制造商已經(jīng)在開發(fā)避免使用此類材料的解決方案，并且已有技術(shù)能夠顯著降低質(zhì)子交換膜電解槽對(duì)上述材料的需求。陰離子交換膜電解槽技術(shù)不需要稀有材料。
（4）運(yùn)行效率和靈活性。從經(jīng)濟(jì)角度來看，電力供應(yīng)負(fù)荷較低時(shí)效率損失大，限制了系統(tǒng)的靈活性。具有多個(gè)電堆和電源單元的模塊化工廠設(shè)計(jì)可以解決這個(gè)問題。此外，壓縮機(jī)也會(huì)是影響靈活性的一個(gè)障礙，因其可能無法像電堆那樣快速地改變生產(chǎn)率。一個(gè)替代方案是采用一體化設(shè)計(jì)，通過優(yōu)化和集成儲(chǔ)電和儲(chǔ)氫設(shè)備，使制氫工廠具備足夠容量應(yīng)對(duì)需求變化。如果這些服務(wù)的價(jià)值得到充分認(rèn)可和變現(xiàn)，綠氫生產(chǎn)將為電力系統(tǒng)提供極大的靈活性。氫氣將在靈活性方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，因?yàn)闅錃饪捎糜诳稍偕茉吹募竟?jié)性存儲(chǔ)，沒有任何重要的替代能源可與之競(jìng)爭(zhēng)。盡管將帶來巨大的效率損失，但這是在嚴(yán)重依賴波動(dòng)性能源資源的電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)100%可再生能源發(fā)電的必要基礎(chǔ)。
（5）工業(yè)應(yīng)用。電解系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行可以針對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，包括：需要穩(wěn)定供應(yīng)且低物流成本的大型行業(yè)用戶；可獲得低成本可再生能源的大規(guī)模離網(wǎng)設(shè)施，但為終端用戶輸送氫氣會(huì)產(chǎn)生大量費(fèi)用；分散的小規(guī)模生產(chǎn)需要小型模塊以提高靈活性，同時(shí)降低物流成本，從而補(bǔ)償電解槽較高的單位容量投資成本。
（6）學(xué)習(xí)率。一些研究表明，燃料電池和電解槽的學(xué)習(xí)率與光伏類似，可以達(dá)到16%-21%，大大低于過去10年光伏36%的學(xué)習(xí)率。基于這一學(xué)習(xí)率水平并考慮到實(shí)現(xiàn)1.5℃氣候目標(biāo)需要采取的部署路徑，到2030年電解槽成本可降低40%以上。
4、降低電解槽成本的策略
當(dāng)前各類電解槽技術(shù)的成本和性能不盡相同，堿性電解槽和質(zhì)子交換膜電解槽技術(shù)最為成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。每種技術(shù)都有自己的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)：堿性電解槽的安裝成本最低；質(zhì)子交換膜電解槽占地面積較小，并具有更高的電流密度和輸出壓力；固體氧化物電解槽的電耗率最高。隨著技術(shù)創(chuàng)新和大規(guī)模部署的發(fā)展，不同電解技術(shù)成本和性能的差距將會(huì)逐漸縮小。然而，由于規(guī)模、應(yīng)用和交付距離不同，預(yù)計(jì)系統(tǒng)成本仍將處于很大范圍內(nèi)。通常，系統(tǒng)成本不僅包括電堆，還包括輔助系統(tǒng)、電源整流器、氫氣凈化系統(tǒng)、水供應(yīng)和凈化、冷卻和調(diào)試，但不包括運(yùn)輸、土建工程和場(chǎng)地整備等。
（1）降低電解槽電堆成本的主要策略。在電堆級(jí)別，主要有兩種策略可以降低成本：①電堆設(shè)計(jì)和單元組成，包括使用非關(guān)鍵材料，重新設(shè)計(jì)電堆以實(shí)現(xiàn)更高效率、更高的耐用性（更長(zhǎng)壽命）以及增加電流密度（更高的生產(chǎn)率）；②增大模塊尺寸，這可以使部分輔助系統(tǒng)組件達(dá)到規(guī)模經(jīng)濟(jì)，應(yīng)在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造、標(biāo)準(zhǔn)化和可復(fù)制的小模塊尺寸與實(shí)現(xiàn)大幅降低輔助系統(tǒng)組件成本的大模塊尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡，同時(shí)盡量減少部署組件數(shù)量并加快部署時(shí)間。
（2）降低電解槽系統(tǒng)成本的主要策略。在系統(tǒng)級(jí)別，主要有兩種策略可以降低成本：①擴(kuò)大制造規(guī)模，需要通過高通量、自動(dòng)化制造來減少各組件成本，如催化劑涂覆膜的卷對(duì)卷工藝、金屬板的先進(jìn)涂覆工藝等；②邊做邊學(xué)（Learning-by-doing），涉及標(biāo)準(zhǔn)化、應(yīng)用部署中學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)以及執(zhí)行多個(gè)項(xiàng)目來優(yōu)化設(shè)備安裝。
（3）電解槽技術(shù)性能現(xiàn)狀及2050年目標(biāo)
對(duì)于質(zhì)子交換膜電解槽（PEME）、堿性電解槽（AE）、陰離子交換膜電解槽（AEME）和固體氧化物電解槽（SOE），報(bào)告給出了各技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)現(xiàn)狀及2050年目標(biāo)供參考，如表1所示。
5、擴(kuò)大綠氫規(guī)模的發(fā)展路徑及關(guān)鍵里程碑
報(bào)告認(rèn)為，向低成本綠氫發(fā)展并非遵循固定時(shí)間，而在于達(dá)到一些關(guān)鍵里程碑，其實(shí)現(xiàn)速度取決于政府的目標(biāo)和實(shí)施舉措，反過來將促進(jìn)電解槽制造和部署的規(guī)模擴(kuò)大和競(jìng)爭(zhēng)加劇。具體而言，實(shí)現(xiàn)綠氫成本降低的長(zhǎng)期目標(biāo)將經(jīng)過三個(gè)階段，即市場(chǎng)建立（階段1）、規(guī)模擴(kuò)大和改進(jìn)設(shè)計(jì)（階段2）、全球市場(chǎng)（階段3），各階段將需要實(shí)現(xiàn)一些里程碑進(jìn)展，如圖3所示。
圖3 電解槽規(guī)?；渴鹑A段降低成本策略的里程碑
6、政府應(yīng)通過長(zhǎng)期政策支持技術(shù)創(chuàng)新以促進(jìn)綠氫規(guī)?；l(fā)展
創(chuàng)新對(duì)于降低成本和提高電解槽的性能至關(guān)重要，應(yīng)通過創(chuàng)新達(dá)到如下目標(biāo)：①通過標(biāo)準(zhǔn)化和簡(jiǎn)化制造和設(shè)計(jì)來降低成本，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和規(guī)?；?；②提高效率，以減少制氫所需的電量；③提高耐用性，以延長(zhǎng)設(shè)備壽命，并通過提高產(chǎn)量分?jǐn)傠娊獠墼O(shè)施成本。政府可以發(fā)布明確的長(zhǎng)期信號(hào)來支持電解槽創(chuàng)新，包括：
（1）推動(dòng)對(duì)綠氫生產(chǎn)、運(yùn)輸和利用的投資，包括有助于提高其競(jìng)爭(zhēng)力的所有領(lǐng)域。降低技術(shù)成本和改進(jìn)性能，在材料供應(yīng)、商業(yè)模式和貿(mào)易中使用通用標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證。
（2）建立監(jiān)管法規(guī)并進(jìn)行市場(chǎng)設(shè)計(jì)，以支持創(chuàng)新投資并擴(kuò)大綠氫生產(chǎn)。包括設(shè)定制造或部署目標(biāo)，實(shí)行稅收優(yōu)惠，在難以脫碳行業(yè)進(jìn)行強(qiáng)制性配額，以及實(shí)行其他降低風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)制等方法，同時(shí)使新的商業(yè)模式能夠保證私營部門大規(guī)模投資時(shí)可預(yù)測(cè)的盈利。
（3）支持研究、開發(fā)和示范，以減少質(zhì)子交換膜電解槽制造中銥和鉑稀有金屬的使用；將所有堿性電解槽轉(zhuǎn)變?yōu)闊o鉑和無鈷技術(shù)；強(qiáng)制性減少稀有材料的使用，作為擴(kuò)大制造規(guī)模的一個(gè)條件。
（4）推動(dòng)整個(gè)氫能價(jià)值鏈跨區(qū)域、跨部門和利益相關(guān)方之間的協(xié)調(diào)，設(shè)定共同目標(biāo)。
