深度分析丨氢能源的成本有竞争力吗

研究亮点：

1. 动态模拟了不同电价结构下的电解制氢成本。

2. 发现了在20个州的81种零售电价运营情况下电解装置已经可以提供具有成本竞争力的燃料。
 

研究背景：氢能在未来能源系统中具有重要作用

氢是一种零碳排放的能源载体，可以用于交通运输，作为石油精炼、氨生产的原料，以及金属精炼和住宅部门的加热和烹饪等方方面面。而且，氢气有潜力成为整合不同基础设施的能源载体，以提高经济效率、可靠性、灵活性，而且其中许多用途将有助于减少电力和交通部门的碳排放（2015年，电力和交通部门的碳排放分别占全球能源相关碳排放的约42%和24%）。氢还可以为电力部门提供大规模的长期（季节性）能量存储。此外，氢能源存储系统可以提供辅助电网服务，如应急、负荷跟踪和调节储备，这些服务可以提供额外的能量来源，从而降低电解制氢的成本。

氢还可以成为VRE和交通部门之间的另一座桥梁。尽管目前燃料电池汽车在当前全球汽车市场中的部署有限（约5000辆，或每100万辆中5辆），但燃料电池汽车仍可能在未来低碳交通中发挥重要作用，特别是对于具有长距离或高能量密度要求的应用场景，如卡车和公共汽车等重型车辆。

氢技术在未来能源系统中的作用

氢能广泛应用还需要解决哪些问题？

尽管氢技术在整合不同的能源系统方面具有巨大的潜力，但研究和开发方面的进一步发展仍然是加速广泛应用的必要条件，其中最迫切的需求包括：1）开发高稳定性和活性的新材料，用于制备更高性能的电解槽、存储设备和燃料电池；2）获得有关国家和地区范围内制氢成本的更多数据；3）评估电解槽的操作灵活性。本文讨论了后两个需求。

多年来，零售电价的设计基于以下假设：电力需求缺乏弹性，电力消费仅因价格上涨而下降幅度较小，电网供应是消费者的唯一选择。然而，消费者已经表明，他们可以将用电需求从高峰时段转移到非高峰时段，根据价格信号动态定价可以让终端用户减少他们的电费，同时提高电网的稳定性。此外，先进计量基础设施（例如智能电表）的最新发展为终端用户和能源供应商之间的交流提供了可供参考的动态实时信息，因此电力用户现在可以根据基本电费和高峰用电费的价格做出多种选择。此外，随着可变可再生能源发电的普及率的提高，电价类型有望增加，由于边际成本较低，电力市场模式正不断发生着巨大的变化。那么，在当前的电力市场模式下，电解制氢的成本到底是否有竞争力？

成果简介

有鉴于此，美国国家再生能源实验室Omar J. Guerra等人详细模拟了美国不同地区电价下电解装置在1年内运行情况，依靠收益运作和设备优化（RODeO）工具估算了全美在各种电价结构以及不同地理位置下基于电解的制氢成本，发现了在20个州的81种零售电价运营情况下电解装置已经可以提供具有成本竞争力的氢燃料。

图1 全美不同电价结构模式下的制氢电力成本总和的地理分布

要点1 全美工商业电费分类

以公共可用的电费数据库(URDB)作为分析的基础，对28788个工商业电费进行筛选，得到7295个可用电费。电费可以分为基本电费（Energy Charge）和高峰用电费（demand charge）两种。基本电费和高峰用电费的价格制定又被分为三种基本结构NO、Flat和TOU，No意味着不收费，Flat表示单一固定电费，TOU表示动态定价。因此，电费被分为六类：对基本电费收取固定费用而对高峰用电费不收取费用的电费，Flat_NO；对基本电费和高峰用电费均收取固定费用的电费，Flat_Flat；Flat_TOU、TOU_NO、TOU_Flat和TOU_TOU以此类推。

研究发现，单一固定电费覆盖面更广，这意味着与分时电费相比，它们在美国更易获得。高峰时段的电费较高，而在非高峰时段的电费相对较低。电费结构的差异在很大程度上取决于每个电费的设计过程以及电费的回收成本，例如输配电网络的安装和维护。

图2 全美工商业基本电费和高峰用电费的范围和地理分布图

要点2 评估电解制氢成本

本研究中采用RODeO实验程序结合要点1分析的电费对电解槽的基本负荷和灵活运行模式的制氢成本进行估算。美国能源部（DOE）电解制氢的技术目标分别是2011年，2015年和2020年分别为4.2千克/美元，3.9千克/美元和2.3千克/美元。成本估算发现，Flat_Flat，Flat_NO，Flat_TOU和TOU_TOU四种类型的电价结构下电解制氢成本已经实现了美国能源部2011年的氢气生产目标。此外，全美81个商业和工业电费，可以使得电解制氢成本（包括存储成本）控制在4千克/美元以内。

图3 不同电费结构下的制氢成本

要点3 电费动态定价模式的重要性

通常，Flat_NO型电费的氢气生产成本比Flat_Flat和Flat_TOU型电费昂贵。使用动态定价费可将TOU_NO，TOU_Flat和TOU_TOU的制氢电力成本分别降低2.4％，1.2％和2.6％。灵活的电费动态定价模式的结果说明了在合适的地点和合适的时间运行电解槽的重要性。

图4 利用动态定价降低氢电成本

要点4 产能因子对平均制氢成本的影响

产能因子是实际氢产量与全年最大氢产量的比值。

1）对于不对基本电费或峰值电费使用动态定价的模式，总氢生产成本（每种类别的电费的平均成本）随着产能因子的降低而单调增加。这是因为对于Flat_NO和Flat_Flat电费，电力成本是恒定的，而设备，固定操作和维护（FOM）和存储成本随产能因子的降低而按比例增加。

2）相反，随着产能因子的降低，对基本电费或峰值电费使用动态定价的模式，总氢生产成本相较其他定价模式变得更有优势。因此，对于这种类型的电费结构，在电费和设备，FOM和存储成本之间要进行权衡，对于动态电费结构，最佳产能因子约为95％。

图5 产能因子对每种电价的平均制氢成本的影响

要点5 燃料成本评估：氢气与汽油和柴油

除制氢的电力成本外，通过比较不同类型燃料的成本，探讨氢燃料电池电动车与汽油车、柴油车在区域范围内的成本竞争力。

1）汽油车的燃料成本为每百公里5.0-8.6美元，而燃料电池汽车的氢气成本在81种电费下估计在每百公里4.9-6.3美元之间。在柴油应用方面，与重型车辆相比，中型车辆的氢成本更有竞争力。中型车辆的氢气成本估计在每百公里12.6-16.0美元之间，而相应的柴油成本则为每百公里11.5-16.9美元。对于重型车辆，氢气和柴油的成本分别为每百公里27.4-34.6美元和22.4-32.9美元。

2）这些发现表明，在美国的几个地方，氢气的成本可以与汽油和柴油车辆的燃料成本相比。另外，传统的汽油和柴油汽车的温室气体(GHG)排放量明显高于氢燃料汽车，而且风能和太阳能的普及有望进一步降低批发电价。因此考虑到这些综合因素，在不久的将来，基于电网的电解氢可能成为美国一种更清洁、更有成本竞争力的能源载体。

图6 氢气、汽油和柴油的燃料成本比较

小结

对于美国的20个州的81种公用事业单位的制氢成本已经低于4.0美元/kg，与汽油车的燃料成本相比具有竞争力。由于本研究中提出的所有分析均以零售电价为基础，因此允许兆瓦级电解槽参与批发电市场可以显着降低电解制氢的成本，但为此需要采取更多的政策和监管措施。因此，在适当的条件下，氢燃料已经在美国能源领域具有成本竞争力，并且在未来的能源和运输系统中可能会扮演重要的角色。