根據(jù)美國能源部（DOE）設定的目標，到2030年，可再生氫的生產成本需要降至每千克1美元。電解水制氫有四種主要技術路線：ALK、PEM、SOEC和AEM。其中，ALK和PEM已經(jīng)進入了商業(yè)化應用階段。那么，這兩者的制氫成本是多少？成本構成又是怎樣的？1美元/千克的氫氣目標能否實現(xiàn)？這些問題的答案將為降低綠氫成本和提高效率指明方向。
一、ALK和PEM水電解制氫系統(tǒng)基準數(shù)據(jù)
以裝機20MW、年有效運行時間4000h的電解水制氫廠為基礎進行測算（不含土建）。電解水設備參數(shù)取目前市場水平：ALK水電解系統(tǒng)150萬元/MW、制氫能耗5kWh/Nm3、使用壽命80000h、維護費用每年為設備成本的5%；PEM水電解系統(tǒng)700萬元/MW、制氫能耗5kWh/Nm3、使用壽命40000h、維護費用每年為設備成本的1%。
表 1：ALK和PEM水電解制氫系統(tǒng)基準數(shù)據(jù)
二、ALK和PEM水電解制氫系統(tǒng)制氫成本
基于一個裝機20MW、年有效運行時間4000小時的電解水制氫廠進行測算（不包括土建費用）。在電解水設備參數(shù)方面，我們參考目前的市場水平：ALK水電解系統(tǒng)每兆瓦（MW）150萬元，制氫能耗為5千瓦時（kWh）/標準立方米（Nm³），使用壽命為80,000小時，維護費用為每年設備成本的5%；PEM水電解系統(tǒng)每兆瓦（MW）700萬元，制氫能耗為5千瓦時（kWh）/標準立方米（Nm³），使用壽命為40,000小時，維護費用為每年設備成本的1%。
表 2：ALK和PEM水電解制氫成本
根據(jù)以上基準數(shù)據(jù)，我們計算得出ALK和PEM制氫成本分別為21.55元/kg和29.89元/kg。具體到電解水設備的各個細分環(huán)節(jié)，我們發(fā)現(xiàn)以下幾點：
電解水設備是導致ALK和PEM制氫成本差距較大的主要原因。PEM制氫成本是ALK的4.7倍。這種差距主要來源于設備價格和維護費用的差異。
PEM產氫壓力高，使用維護方便，因此在儲氫設施和維護費用上低于ALK。這進一步縮小了考慮土建后的成本劣勢。
PEM占地面積小，與ALK相比，其成本劣勢將進一步縮小。
綜上所述，電解水設備的選擇對制氫成本具有重要影響。在制定降低綠氫成本和提高效率的策略時，需要綜合考慮設備價格、使用壽命、維護費用以及儲氫設施等因素。
圖 1：ALK和PEM各環(huán)節(jié)制氫成本占比
三、單因素敏感性分析
對ALK和PEM電解水制氫成本主要影響因素進行單因素敏感性分析。分析結果顯示，系統(tǒng)能耗和電價對制氫成本的影響最大。其中，能耗直接影響用電量的多少，與定性分析中兩者具有較大相關性的結論相符。在ALK中，設備成本對制氫成本的影響最低；而在PEM中，設備成本對制氫成本的影響仍然較大。這可能與PEM設備通常比ALK設備更昂貴有關。此外，系統(tǒng)年生產時間的敏感系數(shù)大于單因素變化率。這意味著，即使某個因素的變化率較小，它對制氫成本的影響也可能較大。因此，在制定降低綠氫成本和提高效率的策略時，需要綜合考慮各種因素，并找出對成本影響最大的因素進行重點優(yōu)化。
表 3：ALK和PEM水電解制氫成本敏感因素分析
資料來源：香橙會研究院
四、ALK水電解系統(tǒng)不同因素下的制氫成本
2021年中國堿性電解槽出貨量占比高達97%，2022年占比95%，預計2023年全年占比93%。由于具有較大的成本優(yōu)勢和技術成熟度，ALK水電解制氫系統(tǒng)在市場上占據(jù)主導地位。結合先前的成本構成、敏感性分析和現(xiàn)實應用場景，電力價格和年生產時間被視為影響未來制氫成本的主要因素。當電價低于0.1元/kWh時，制氫成本均在15元/kg以內。而當電價低于0.2元/kWh且年運行時間超過4000小時時，制氫成本將控制在20元/kg以內。這些數(shù)據(jù)為降低綠氫成本和提高效率提供了方向，并強調了電力價格和年生產時間在其中的關鍵作用。
表 4：不同電價和年生產時間場景下制氫成本（元/kg）
資料來源：香橙會研究院
五、結論與討論
1、目前，ALK制氫系統(tǒng)在成本上相較于PEM具有明顯優(yōu)勢。這主要歸功于PEM設備成本比ALK高出4-5倍，同時在使用壽命上也存在較大差距。
2、不論是ALK還是PEM制氫系統(tǒng)，電力成本都占據(jù)了主要部分，占比在50-80%之間。因此，降低綠氫成本的關鍵因素之一是降低綠色電力成本。這需要依賴我國西部、北部風光資源豐富地區(qū)以及東部海上風電地區(qū)的支持。
3、在敏感性分析中，年運行時間、設備成本、系統(tǒng)能耗和電價等都是降低綠氫成本的有效途徑。其中，降低系統(tǒng)能耗和電價對綠氫成本的降低最為有效。
4、在ALK制氫系統(tǒng)中，當電價低于0.1元/kWh時，制氫成本在15元/kg以內；若電價低于0.2元/kWh且年運營時間達到4000小時以上時，制氫成本同樣在15元/kg以內。而當年運營時間達到8000小時時，制氫成本則可降低至8.52元/kg。
5、預計未來綠氫成本的降低將是技術進步、效率提高、規(guī)模化生產等多因素共同作用的結果。然而，根據(jù)事物發(fā)展規(guī)律，綠氫平價的到來并非是按部就班的發(fā)展，而是需要某些因素的突破來迎接這個時間節(jié)點。因此，行業(yè)內的相關人士需要時刻關注這些因素的發(fā)展，隨時準備迎接平價時代的到來。
