新能源风光发电制氢成本动态测算分析

中海油能源发展装备技术有限公司 孟庆莹

目前以化石能源为主的制氢技术发展的愈加成熟，且成本较低，但却存在严重的污染问题，无法满足能源绿色低碳发展要求。新能源风光发电制氢技术逐渐成为大众关注的焦点，以新能源发电技术为依托，通过电解水制氢，不仅可以做到绿色制氢，也能助力“双碳”目标早日实现。由于受到风、光资源条件分布、不同项目技术工艺等因素制约，致使制氢成本难以把控。基于此，本文提出一种按照年度估算新能源风光发电制氢成本的方法，运用组合方案测算成本，为后期制定降低制氢成本策略提供科学依据。

1 新能源风光发电制氢成本研究现状

氢能环保低碳的二次能源，是我国现阶段逐步推进多元化综合能源供应体系构建所需的重要能源之一。其中煤制氢、焦炉煤气制氢是较常的利用化石能源进行制氢的技术手段，随着科学技术进步，该项制氢技术得到成熟化、规模化发展，且制氢成本较低，但存在极为严重的污染问题，尤其是CO2排放未达到国家规定标准，与我国当前提出的能源绿色低碳发展战略目标不一致。

丰富的可再生能源资源是我国新能源产业发展的重要基础，风能与太阳能仍有极大的开发空间，因新能源发电极易受到多方面因素，致使发电不稳定；其中电解水技术与新能源风光发电相结合，可以解决可再生能源无法被稳定转化为氢能的问题，满足季节性、大规模储存氢能的需求。以可再生能源发电为支撑，运用电解水制氢技术基本可以做到CO2“零排放”，促进我国绿色制氢产业发展。以风电制氢技术为例，即是通过风轮转子将丰富的风力资源转化为机械能，再将机械能转换为电能，并向电解水制氢设备传输，实现电—氢转换，再经由压缩机压缩存入储氢罐中，经过运输在应用终端。按照与电网连接情况，可以将风力发电制氢系统划分为两种类型，分别是并网型风电制氢系统和离网型风电制氢系统。

从现阶段我国离网条件下的风电耦合制氢技术发展情况来看，仍处于起步阶段，普遍以并网型风电耦合制氢系统为主，由风力发电机组、储能变流器能量转换及控制系统、电解槽制氢模块、氢气压缩机等其他重要装置设备组成。在风力发电制氢系统运行状态，风力发电机设备与电网接入时也要同步接入电解槽，当电网电力供应不稳定情况出现时，风力发电机组将暂停电网供电以及停止制氢；当电网电力有富余时，电解槽可将从风机获得的电力加以利用，最大程度减少能源浪费，有效提高风电制氢经济性，由此可见该项技术具有很好的应用前景。

为了验证新能源风光发电制氢全面推广的可行性，仍需要进一步研究新能源风光发电制氢成本，本单位通过调研国内现有制氢项目以及搜集相关文献资料，得知诸多学者和专业人员均对新能源风光发电制氢的成本问题展开可深入研究，同时也对影响新能源风光发电制氢成本各方面因素进行了分析，制氢成本趋势变化逐渐成为国内外氢能研究组织所关注的焦点。

风能、太阳能分布、不同项目投入的技术工艺以及企业运营管理成本等方面均有着明显差异，仅结合单个项目数据对制氢成本或风光发电成本进行估算，并不能确保可以将整个行业或国家层面所对应的成本水平进行体现；因此，需要重新选择新能源风光发电制氢成本估算标准，选择行业内具有一定代表性的上市企业获取其年度成本数据，在此基础上对发电成本进行估算，既能保证最终结果具有参考性和准确性，又能将近期制氢成本变化趋势真实呈现[1]。

2 动态测算新能源风光发电制氢成本的方法

2.1 按照年度估算行业整体成本的研究思路

本单位提出的按照年度估算行业整体成本的研究思路和方法，不考虑单一项目现金流量成本估算；结合现有制氢评估方法研究情况，进一步明确了针对制氢成本测算，必须转变原有特定分析某一项目成本的思维，应向行业整体视角延伸，目的是将存在的个体差异影响因素消除，又能迎合发电－制氢的一体化应用发展趋势，加强新能源风光发电产业发电成本与电解水制氢成本之间的密切联系，提取风、光产业的发电成本数据，测算电解水制氢成本。再将不同新能源与电解槽技术组合多个方案，站在风光发电-制氢一体化角度，以上市企业数据为参照动态测算产业发电成本，真实展现新能源风光发电制氢成本变化趋势，探究未来利用新能源发电制氢其成本是否仍有较大降低空间的可能性，有利于增强我国新能源风光发电制氢竞争优势。

2.2 按照年度估算行业发电成本的方法

本单位通过开展调研工作，获取某企业所公布的年度发电成本、发电量等相关数据，在此基础上对企业发电成本进行估算，以掌握发电年度生产成本。在估算发电成本过程中，扣除总体建设投资部分，并保留年度折旧。同时以行业内已经上市企业发电成本为参考依据，估算行业年度发电平均成本，综合考虑不同企业各自发电成本之间的不同，本单位在研究过程中，提出运用加权平均法，以保证行业年度发电成本估算准确性。通过公式（1）获取行业年度加权发电成本，式中：Dij表示第i年第j个企业的度电成本；fij表示企业在行业内所占比的发电量；Cij表示企业发电总成本；Wij表示企业新能源发电量。

2.3 运用成本分解法测算电解水制氢成本

电解水单位制氢成本分别由初期阶段投资成本与单位运营成本两部分组成。其中初期阶段投资成本主要涉及土建工程单位成本、电解装置总系统单位成本等；单位运营成本则是涉及耗水成本、人工及管理成本、财务费用、装备维修费用、电费以及财务费用等[2]。

电解制氢的单位运营成本由每千克氢耗水成本、每千克氢的人工及管理成本、每千克氢电解装置运维成本组成。可通过下述公式计算单位制氢的电池组更换成本：A1+A2=A，A3+A4+A5=A1，A6+A7+A8+A9+A10+A11=A2，A4×13%=A3，（T1W1）/h=A4，P∂/h'V=A5，（T2W1）/h=A8，（T3W1）/h=A9，D1W1=A10，D2W2=A11。

式中：A1、A2…A11分别表示电解水单位制氢成本、初始投资成本、单位运营成本等；T1表示电解装置总系统成本，元/kW；W1表示制取氢的电耗,kWh/kg；P表示储氢设备单价，元；h'表示储氢设备使用周期，即设备折旧年限与年运行时间乘积，h；V表示压缩机压缩排量，m3/h；∂表示氢摩尔体积，m3/kg；T2表示电解装置运维成本，元/kW；h表示电池组使用寿命，h；T3表示电池组更换成本，元/kW；D1表示制氢期间所需光伏或风电对应的电价，元/kWh；D2表示压缩氢所需普通市电价格，元/kWh；W2表示压缩每千克氢的电耗，kWh/kg[3]。其中，13%是土建工程单位成本占比电解制氢装备总系统单位成本的比例。

3 研究结果及现有制氢技术的制氢成本敏感性分析

首先，结合风电企业、光伏发电企业相关数据，进一步估算风电与光伏发电成本，通过运用按照年度估算行业发电成本的方法，分析2019—2022年我国风电与光伏发电产业成本变化，从总体来看，发电成本呈持续降低趋势。风、光发电产业规模、企业技术、资源以及运营条件等是影响发电成本的关键因素，且各方面存在明确差异。本单位整合所掌握的数据，以2022年行业发电成本为例，该期间内光伏产业发电规模明显低于风电产业，二者发电量差距较为明显；由此说明，风电行业内各企业之间的发电成本差异相对较小，且远胜于光伏发电行业。

其次，利用电解水技术制氢的成本组成来看，本单位通过对风力与光伏发电产业发电成本进行测算，即制氢环节所投入的物成本，以呈现风力与光伏行业发电-制氢一体化的制氢成本实际情况，计算碱性(ALK)和质子交换膜(PEM)电解槽制氢技术对应的制氢成本。分析成本变化趋势，本单位发现电解槽技术及制造工艺水平不断提高，使新能源发电成本逐渐呈不断下降趋势，碱性风电制氢成本于2022年降至13.87%；质子交换膜电解槽制氢成本下降尤为明显，于2022年降至28.75%。虽然两项制氢技术对应制氢成本均有所降低，但风电发电成本远低于光伏发电成本，所以在同一制氢技术应用前提下，风电制氢成本也要低于光伏制氢成本[4]。

最后，本单位通过对比不同类型的制氢工艺成本，得知不同制氢工艺对应的制氢项目均拥有自备电源，若从发电-制氢一体化角度估算直接制氢成本，需要考虑目前我国可再生能源消纳速度缓慢以及发电供应不稳定等因素；因此，在对比分析不同类型的制氢工艺成本时，参照上网电价，将其作为发电成本价格。

结合所掌握相关数据，得知不同时段内上网电价差异较为明显，通过综合比较，以加权平均方法对波峰、波谷及平段三个时期全国范围内的平均电价、制氢成本进行计算。从最终计算结果来看，可以基本确定碱性电解水制氢工艺在谷电时段制氢时具有明显价格优势[5]，可将其作为后续低成本新能源发电制氢技术研究的新思路。

为确认现有制氢技术应用以及投入物对制氢成本所带来的影响，主要围绕碱性（ALK）和质子交换膜（PEM）电解槽制氢技术进行分析，得知影响制氢成本因素涉及多方面，如风、光发电成本、电解装置总系统成本、电耗、电池组更换成本等。全年度不同技术的制氢成本对比如图1所示。

图1 全年度不同技术的制氢成本对比示意

本单位相关人员选取电耗与电池组使用寿命两个影响因素，进一步探究对碱性（ALK）和质子交换膜（PEM）电解槽制氢成本的影响；随着科学技术水平不断提高，各种新材料、新工艺在电池组制作环节应用，某种程度上有效延长了电池组使用寿命，但仍处于研究阶段；相较于前者，电耗技术发展潜力较为明显，是降低碱性（ALK）和质子交换膜（PEM）电解槽制氢成本的关键，也是后期的研究重点[6]。通过对比其他影响因素，本单位发现电耗与电池组使用寿命对上述两项制氢技术的制氢成本影响最为敏感，其次是新能源风光发电成本、电解装置总系统成本。电解装置也会随着能耗、材料以及制造工艺等方面进步和发展，逐渐降低成本，并反馈作用于制氢成本压缩，可将其作为后期电解水制氢成本降低研究的新思路。

综上所述，本文提出方法可将整个行业的风光发电成本变化真实呈现，且测算结果具有一定代表性。其中碱性电解水制氢技术发展接近成熟化，可压缩成本空间相对较小；质子交换膜电解槽制氢技术因处于正在进入成熟阶段，与光伏产业相融合能够进一步降低光伏制氢成本。从总体上来看，新能源风光发电制氢成本虽然高于煤、天然气等能源制氢成本，但随着风光发电成本、电解装备制造成本等仍有较大压缩空间。