新能源-PEM电解制氢全寿命经济性评估｜《中国电力》

来源：《中国电力》2023年第3期

引文：袁铁江, 张红, 杨洋, 等. 新能源-PEM电解制氢全寿命经济性评估[J]. 中国电力, 2023, 56(3): 30-35, 46.

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编者按

习近平总书记在2020年联合国大会一般性辩论和气候雄心峰会等重要会议上提出中国争取2030年前碳达峰、2060年实现碳中和，这一目标对中国能源系统绿色发展提出了更高要求。“绿电制氢”被认为是支撑高比例新能源为主要特征的“碳中和”能源系统的关键技术之一。

《中国电力》2023年第3期刊发了袁铁江等人撰写的《新能源-PEM电解制氢全寿命经济性评估》一文。文章根据电解槽的衰减原理，面向风电、光伏制氢场景，提出了PEM电解槽变功率运行效率与寿命计算模型。考虑新能源-PEM电解槽全寿命周期成本模型以及售氢收入与等效环境收入等，建立其全寿命周期收入模型，进而建立全寿命周期经济评估模型。最后，结合具体算例验证了所提模型与方法的有效性，以及PEM电解槽制氢的经济可行性。

摘要

一次性投资成本、运行成本高且随机功率输入对其制氢效率与耐久性负面影响制约质子交换膜电解槽规模化应用。首先，考虑质子交换膜（proton exchange membrane，PEM）电解制氢系统长时运行效率衰减及其输入功率波动对电解槽耐久性的影响，建立新能源-PEM电解槽全寿命周期成本模型；然后考虑售氢收入与等效环境收入等，建立其全寿命周期收入模型，进而建立全寿命周期经济评估模型；最后结合某区域实际数据，通过算例仿真，验证所提模型与方法的有效性及PEM电解槽制氢系统的经济可行性，为PEM电解制氢技术的规模化应用提供理论依据。

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PEM电解制氢全寿命周期经济性分析

1.1  PEM电解槽电压效率与寿命衰减原理

PEM电解槽电压效率的定义为热中性电压与电解槽实际工作电压的比值，且效率损失主要由电解过程中的热损耗导致，其表达式为

式中：η_v为电解槽电压效率；V_th为热中性电压，在标准状态下，V_th=1.48 V；V_cell为电解槽实际工作电压。

PEM电解槽连续不间断的运行，催化层会发生不可逆损失、膜内阻变大，电解槽过电势增加，使工作电压上升，导致电压效率降低。当电解槽初始工作电压上升至最大工作电压时，为保证系统效率需要更换电解槽。根据现有的变功率运行耐久性试验可知，变功率运行的PEM电解槽效率与寿命衰减速度更快，且其衰减速度受电源的变化频率、变化幅度影响，频率与变化幅度越大衰减速度越快，呈非线性关系。这里忽略变功率运行时段输入功率变化频率与变化幅度的影响，假设PEM电解槽变功率运行时段均匀衰减。

1.2  考虑衰减的PEM电解槽电压效率与寿命模型

依据上述变功率运行PEM电解槽电压效率与寿命衰减原理，面向风电、光伏制氢场景，考虑电解槽间歇波动运行对衰减的影响，假设电解槽全寿命周期的衰减量是关于其额定寿命周期T_cell内额定功率P_cell运行时间的函数，其表达式为

式中：Δη_T为电解槽时段T内的效率衰退量；为以额定功率运行1 h电解槽电压效率衰减量；J为时段T内的等效运行小时数，其具体表达式为

式中：p_cell(t)为t时刻运行功率，此时段T的末尾时刻效率即为初始时刻减去效率衰退量。

PEM电解槽额定工况运行的寿命为T_cell小时，然而新能源电站的出力变化较大，例如光伏一般只在07:00—18:00时段内出力，且运行时段PEM电解槽不完全处于额定功率运行状态，若再以相同的时间周期更换电解槽，则会导致系统投资与利用率更低。因此，以等效额定运行小时数推导电解槽更换时间更为合理，与新能源电站匹配的PEM电解制氢系统中电解槽与其他元件使用的数量分别为

式中：T_pv/wind为光伏或风电电源的规划周期；T_{a_cell}为PEM电解槽实际寿命；T_other为PEM电解制氢系统其他子系统实际寿命，其寿命不受功率波动影响，可达8万h；N₁与N₂分别为规划周期内电解槽与制氢其他子系统的更换次数，在规划周期和单个设备寿命期间不是整数倍情况下，单个设备更换次数向上取整，以确保规划周期内系统的正常运行。

02

制氢系统全寿命周期经济评估模型

1）投资维护成本模型。规划周期内PEM电解槽制氢系统投资成本C₁为

式中：c_cell为电解槽系统的投资单价；c_other为电解槽辅机系统的投资单价。维护成本一般为总投资成本的2%~5%。

2）制氢系统全寿命周期内的运行成本模型为

式中：C₂为制氢过程消耗的物料（水）与能量（电）成本；H_i(t)为t时刻第i种物料/能量的成本，i为物料/能量的种类。其中，消耗的水成本H_w(t)与电成本 H_e(t)分别为

式中：h_w与h_e分别为水价格与电价；k_w与k_e分别为水转氢与电制氢的效率系数。

3）收入模型。PEM制氢系统利用电能制氢，带来的环境效益不言而喻，在其发展初期，考虑其环境效益，可给予政策补贴促进其推广。因此，PEM电解制氢全寿命收入含售氢与补贴两部分，可以表示为

式中：S₁为全寿命周期的售氢收入；c_h(t)为t时刻氢气价格；h_h(t)为t时刻制氢量；S₂为全寿命周期的政府补贴收入；为1 kW·h燃煤发电的二氧化碳排放量价格；P₁为新能源消纳量，具体表达式为

式中：k_p2g为电制氢转换系数。

本文选取静态投资回收期与项目的内部投资收益率作为PEM电解制氢全寿命经济性评估指标。

03

算例分析

本文以甘肃某区域风电场（装机容量为200 MW，寿命周期为20年）为例，评估PEM电解槽制氢系统全寿命周期经济性。按以下流程计算不同弃电率下电制氢系统的额定功率与运行方案：①设置电解槽初始功率，电解槽追踪风电/光伏出力，当其额定功率小于风光实际出力时，弃电产生；②判断是否满足弃电要求，若满足，则输出PEM制氢系统的额定功率与运行方案，若不满足，则增加电解额定功率至弃电率满足要求。当弃电率为0%、5%和10%时，计算出电制氢系统的额定功率为76.7 MW、28.4 MW和10.9 MW，不同弃电率下的电解槽典型日运行功率如图1所示。按式（3）计算出电解槽等效利用小时数分别为1899 h/年、3253.6 h/年与3592.6 h/年。

图1  不同弃电率下PEM电解槽运行功率曲线

Fig.1  PEM electrolyzer operating power curve with different power abandonment rates

PEM制氢经济评估参数如下。制氢系统投资成本、氢气售价、制氢电价和水价格上限分别为8000元/kW、20元/kg、0.25元/(kW·h)和5元/吨；初始PEM的制氢效率为5.4 kW·h/Nm³，PEM制氢系统效率允许的最大效率衰减为10%；PEM电解槽寿命及其他子系统寿命分别为8万h与25年；政府补贴上限为0.25元/(kW·h)。评估计算结果如表1和图2所示。对比分析不同方案下的成本与收益可知，考虑电解槽衰减建立的全寿命周期经济性分析模型具有更好的内部收益率（均大于电力项目一般基准收益率8%），弃电率为5%时经济性最优，投资回报年限为5年，内部收益率为14.6%。不考虑效率衰减的经济性模型，评估出的全寿命周期氢气生产量（17404 Nm³）比考虑衰减的产氢量略高（16627 Nm³），但未考虑电解槽等效利用小时数导致全寿命周期内电解槽更换1次，一次性投资成本更高（139520元），导致投资回报期更长（7年），内部收益率也低于8%。上述分析表明，所提的电制氢经济评估模型能精确反映出可再生能源电解氢在投资、运行和收益等环节的经济可行性。

表1  PEM电制氢系统经济评估结果

Table 1  Parameters for economic calculation of PEM electric hydrogen production system

图2  不同情境下PEM电解槽产氢量对比

Fig.2  Comparison of electrolyzer hydrogen production under different situations

经济评估参数不适用于其他区域，图3～图5分别表示在5%的弃电率下，PEM电解槽投资成本、制氢电价、售氢电价对静态投资回报期与内部收益率的影响。

图3  PEM电解槽投资单价与内部收益率及投资回报年限的关系

Fig.3  The relationship between the PEMEC price and internal rate of return and payback period

图4  制氢电价与内部收益率及投资回报年限的关系

Fig.4  The relationship between hydrogen production electricity price and internal rate of return and payback period

图5  氢气价格与内部收益率及投资回报年限的关系

Fig.5  The hydrogen production price and internal rate of return and payback period

可以看出，当电解槽投资单价约为15000元时，制氢系统内部收益率将小于8%，投资回报年限更长达8年，投资风险较大。在PEM电解槽投资成本为8000元时，制氢电价从1元/(kW·h)降至0元/(kW·h)，售氢价格从20元/kg降至10元/kg，制氢系统的内部收益率不小于8%，因此一次性投资成本是制约PEM电解槽经济性的最主要因素之一。过高的投资成本虽制约电解槽的经济性，通过补贴制氢电价降低运行成本，考虑设备运行特性，合理利用设备降低维护成本，附加“绿氢”的环境价值提升“绿氢”售价，均是短期内使其具有经济可行性的重要策略。

04

结语

本文分析了电制氢系统全寿命周期内制氢效率衰减机理，考虑PEM电解制氢系统长时运行效率衰减与及其输入功率波动对电解槽耐久性的影响，面向风电、光伏制氢场景，提出了PEM电解槽变功率运行效率与寿命计算模型，并建立了其全寿命周期成本与收入模型。以静态资本回收期与内部收益率为评估指标，建立了PEM制氢系统全寿命周期经济评估模型。以甘肃某区域风电场为例，讨论了PEM制氢系统投资单价、制氢电价、售氢价格与PEM电解槽利用对其经济性的影响，验证了新能源耦合PEM电解制氢的经济可行性。

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编辑：于静茹

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