绿电制氢技术路线分析与经济性评价

绿电制氢作为我国氢能产业的重要发展方向，一方面满足了国家对氢能产业“清洁低碳”的要求，另一方面氢能在大规模储能、灵活功率调节等方面具有巨大优势，促进了新能源发展。由于我国绿电制氢仍处于“先行先试”阶段，部分示范性工程在我国有零星分布，不同技术路线还未完全成熟、规模效益尚未显现。

对不同绿电制氢路线进行深入分析评价，因地制宜找准发展方向，对我国集中突破氢能产业技术瓶颈至关重要。本文分析绿电制氢不同技术路线特点，选择我国风电、光伏较丰富地区开展绿电制氢工程进行经济性分析。为我国绿电制氢产业快速发展和大规模产业落地提供建议和参考。

1 制氢基本技术路线

1.1 PEM制氢

PEM是质子交换膜电解水技术的简称。不同于传统碱性水制氢技术，PEM电解制氢技术是使用质子交换膜作为固体电解质，不同于碱性电解水制氢，其以纯水作为电解制氢的原料，避免了潜在的碱液污染和腐蚀问题。PEM制氢技术具有产氢纯度高、输出氢气压力高、运行电流密度高、负荷范围广、动态响应速度快等优势。

PEM制氢系统主要由纯水电解制氢单元、电解电源单元、冷却单元、控制单元、储氢罐及氢气储存系统等组成，如图1所示。

1.2 碱性水制氢

高纯度的氢气是通过电解纯水而获得的，但是由于纯水的导电性能较差，需加入碱性电解质溶液，故成为碱性电解水制氢，也是目前应用较大的一种制氢方式。将直流电通入加入碱性水溶液（如KOH）的电解槽中，使水电解成为氢气和氧气。工艺流程如图2所示。

1.3 AEM制氢设备

阴离子交换膜（AEM）电解水制氢技术，是利用阴离子交换膜作为电解质，以纯水或低浓度碱性溶液作为电解液，以过渡金属催化剂作为阴阳极催化剂的一种电解水制氢技术，其工作原理与其他电解水制氢原理类似，涉及析氧反应和析氢反应两个半反应。在AEM电解槽中，水或低浓度碱性溶液由阳极进入，并通过AEM膜扩散至阴极，在1.8～2.5V电压驱动下，以电化学方式在阴极发生析氢反应，分解水并产生H2和OH-，OH-在浓度及电压梯度作用下，扩散至阳极发生析氧反应，析出氧气。

1.4 SOEC制氢设备

固体氧化物电解槽制氢（Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC）工作原理是在高温下（一般为600～900℃）利用固体氧化物电解质的离子导电性，将水分子电解成氢气和氧气。SOEC主要由电解质、燃料极、氧气极以及相应的支撑体、连接体和密封材料所组成。燃料极和氧气极一般为金属陶瓷材料，多孔结构，有利于气体的良好流动性；电解质层一般为氧离子或质子传导材料，结构致密可将阴阳极上的气体隔开并传导离子。

2 制氢基本技术路线对比

四种主要电解水制氢技术方案对比如表1所示。

由上表可知，由于AEM制氢、SOEC制氢整体技术不够成熟、氢能产量不足，对环境要求相对苛刻。PEM制氢、碱性水制氢技术相对成熟，PEM制氢可以适应新能源波动性，且环保但是造价高，产量略低；碱性水制氢产量大、造价低，但是有污染隐患、需要电源稳定。PEM制氢、碱性水制氢技术整体技术一定互补，在一些制氢场景下二者混合使用。

3 绿电制氢经济性分析

3.1 新能源规模化制氢工程案例经济性分析

参考新疆维吾尔自治区发布的《关于加快推进新能源及关联产业协同发展的通知》（新发改规[2023]2号）年产1万kW·h制氢配置15万kW光伏或者等电量的风电（约9万kW），并运行配置同样规模的新能源并网发电；分别按照风电制氢、光伏制氢，进行分析测算。

案例基本情况：以建设1万t/a制氢装置，采用风力发电、余电上网的运营模式。制氢装置采用碱性水电解制氢技术，测算边界条件取值表和投资估算指标表如表2所示。

按上表数据为基础分别测算出，①当制氢成本20元/kg、上网电价0.262元/kW·h时，保证项目盈利，反推出需要建设300MW风电才能满足项目资本金内部收益8%正常运行。②按照自治区文件要求，建设1万t/a制氢，配套新能源风电装机9万kW为例，在相同条件下，反算出氢气33.5元/t时可以满足项目资本金内部收益率8%实施的经济性。

案例基本情况：以建设1万t/a电解水制氢，采用光伏发电、余电上网的运行模式。制氢装置采用碱性水电解制氢技术，测算边界条件取值表和投资估算指标表如表3所示。按上表数据为基础分别测算出，①当制氢成本18元/kg、上网电价0.262元/kW·h时，保证项目盈利，反推出需要建设300MW光伏才能满足项目资本金内部收益8%正常运行。②按照自治区文件要求，建设1万t/a制氢，配套新能源光伏装机15万kW为例，在相同条件下，反算出氢气35元/t时可以满足项目资本金内部收益率8%实施的经济性。

3.2 绿电制氢价格与传统化工制氢价格对比

与传统化工相比，电价对制氢成本影响较大。绿电制氢与传统制氢对比表如表4所示。

3.3 绿电制氢产品价格影响因素

以建设1万t/a电解水制氢，配套新能源总装机规模9万风电千瓦为例选择产品价格、产量、电量、建设投资等，对项目效益影响较大且重要的不确定性因素进行单因素敏感性分析，判断最大影响因素。绿电制氢影响因素分析图如图3所示。

由图3数据可以看出，产品价格（电价）对项目的经济效益敏感性较强，产品产量、电量次之，因此，产品价格的波动及产量的波动对项目将产生巨大的影响。

4 结语

通过本文分析可知，目前常见的四种电解水制氢方式：PEM制氢、碱性水制氢、AEM制氢设备、SOEC制氢设备，PEM制氢、碱性水制氢技术相对成熟，获得了规模化应用。未来发展趋势是PEM电解水制氢与碱液制氢的优势形成互补，搭配使用。与传统的化工制氢，绿电制氢成本仍然较高，随着新能源发电规模不断扩大、电价下降，绿电制氢成本有较大下降空间。目前，为了保证绿电制氢可持续性，建议增加绿电制氢配套新能源规模，可以上网消纳或给予一定的价格补偿。

文章来源：公众号碳中和与可持续发展

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