Економічний аналіз виробництва зеленого водню шляхом електролізу з відновлюваних джерел енергії

Все більше і більше країн починають встановлювати стратегічні цілі для водневої енергетики, і деякі інвестиції спрямовані на розвиток зелених водневих технологій. ЄС і Китай ведуть цей розвиток, шукаючи першочергових переваг у технологіях та інфраструктурі. Тим часом Японія, Південна Корея, Франція, Німеччина, Нідерланди, Нова Зеландія та Австралія оприлюднили стратегії водневої енергетики та розробили пілотні плани з 2017 року. У 2021 році ЄС опублікував стратегічну вимогу щодо водневої енергетики, пропонуючи збільшити робочу потужність виробництва водню в електролізерах до 6 ГВт до 2024 р. за рахунок енергії вітру та сонця, а до 40 ГВт до 2030 р. потужність виробництва водню в ЄС буде збільшена до 40 ГВт за рахунок додаткових 40 ГВт за межами ЄС.

Як і у випадку з усіма новими технологіями, екологічний водень переходить від первинних досліджень і розробок до основного промислового розвитку, що призводить до зниження собівартості одиниці продукції та підвищення ефективності проектування, будівництва та монтажу. Зелений водень LCOH складається з трьох компонентів: вартість електролізера, ціна відновлюваної електроенергії та інші експлуатаційні витрати. Загалом вартість електролітичної комірки становить близько 20% ~ 25% зеленого водню LCOH і найбільшу частку електроенергії (70% ~ 75%). Операційні витрати відносно невеликі, зазвичай менше 5%.

У міжнародному масштабі ціна на відновлювану енергію (головним чином сонячну та вітрову) значно впала за останні 30 років, а її вирівняна вартість енергії (LCOE) зараз близька до вартості вугільної енергії ($30-50/МВт-год). , що зробить відновлювані джерела енергії більш економічно конкурентоспроможними в майбутньому. Витрати на відновлювану енергію продовжують падати на 10% на рік, і приблизно до 2030 року витрати на відновлювану енергію досягнуть приблизно 20 доларів США за МВт-год. Експлуатаційні витрати не можуть бути суттєво зменшені, але витрати на одиницю клітини можуть бути зменшені, і очікується, що крива витрат на навчання буде аналогічною для елементів сонячної або вітрової енергії.

Сонячні фотоелектричні системи були розроблені в 1970-х роках, і ціна сонячних фотоелектричних LCoE в 2010 році становила близько 500 доларів США за МВт-год. Сонячна PV LCOE значно знизилася з 2010 року і зараз становить від 30 до 50 доларів США за МВт-год. З огляду на те, що технологія електролітичних елементів схожа на промисловий еталон для виробництва сонячних фотоелектричних елементів, у 2020-2030 роках технологія електролітичних елементів, ймовірно, слідуватиме подібній траєкторії, що й сонячні фотоелектричні елементи, з точки зору вартості одиниці. У той же час LCOE для вітру значно знизився за останнє десятиліття, але на меншу суму (приблизно 50 відсотків на морі та 60 відсотків на суші).

Наша країна використовує відновлювані джерела енергії (такі як енергія вітру, фотоелектрична, гідроенергія) для виробництва водню електролітичною водою, коли ціна на електроенергію контролюється на 0,25 юаня / кВт·год нижче, вартість виробництва водню має відносну економічну ефективність (15,3 ~ 20,9 юаня / кг) . Техніко-економічні показники виробництва водню лужним електролізом та електролізом ПЕМ наведені в табл. 1.

Метод розрахунку вартості електролітичного виробництва водню показаний у рівняннях (1) і (2). LCOE= фіксована вартість/(кількість виробництва водню х термін служби) + експлуатаційні витрати (1) Експлуатаційні витрати = споживання електроенергії при виробництві водню х ціна електроенергії + ціна води + вартість обслуговування обладнання (2) Проекти лужного електролізу та електролізу PEM (1000 Нм3/год.) ) як приклад, припустимо, що повний життєвий цикл проектів становить 20 років, а термін експлуатації становить 9×104 год. Фіксована вартість пакетної електролітичної комірки, пристрою для очищення водню, плата за матеріали, плата за цивільне будівництво, плата за монтажні послуги та інші елементи розраховуються на рівні 0,3 юаня за кВт/год для електролізу. Порівняння вартості показано в таблиці 2.

Порівняно з іншими методами виробництва водню, якщо ціна електроенергії з відновлюваних джерел енергії нижча за 0,25 юаня/кВт-год, вартість екологічно чистого водню може бути знижена приблизно до 15 юанів/кг, що починає мати економічну перевагу. У контексті вуглецевої нейтральності, зі скороченням витрат на виробництво електроенергії з відновлюваних джерел енергії, широкомасштабним розвитком проектів виробництва водню, зменшенням споживання енергії електролітичними осередками та інвестиційними витратами, а також керівництвом податку на вуглець та іншими політиками, дорога скорочення вартості зеленого водню буде поступово зрозуміло. У той же час, оскільки виробництво водню з традиційних джерел енергії буде змішано з багатьма спорідненими домішками, такими як вуглець, сірка та хлор, а також витрати на накладене очищення та CCUS, фактична вартість виробництва може перевищувати 20 юанів за кг.