利用可再生能源的电解氢的经济性——日本国内外成本比较和抑制电解设备容量的效果

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摘   要：氢气是加速实现低碳社会和行业整合的最有潜力的元素之一，为了确定可再生能源氢气的低成本化方案和前景，日本电力中央研究所根据近期可再生能源电价估算结果对氢气成本进行了分析。

关键字：氢气成本评估、Power to Gas、可再生能源、水电解和水蒸气电解、输出控制

氢气是加速实现低碳社会和行业整合的最有潜力的元素之一。可再生能源比化石燃料成本高，因此，一般来说，通过水或水蒸气电解（power to gas）从可再生能源生成的氢气成本较高。但是，引入的可再生能源越多，电力成本就越低，从而可以大幅降低从可再生能源生成的氢气成本。本文的主要目的之一是根据近期可再生能源电价估算结果来分析氢气成本。为此，文中计算了日本和澳大利亚等国家的氢气平准化成本（LCOH），并对计算结果进行了比较。

尽管日本（陆上风电8~9日元（约0.5~0.57元）/kWh，太阳能光伏发电7.0日元（约0.44元）/kWh）的电力成本是其他国家（陆上风电3.3日元（约0.2元）/kWh，太阳能光伏发电2.2日元（约0.14元）/kWh）的两倍多，但是，日本国内外的氢气LCOH大约都是50~60日元（约3.14~3.77元）/Nm³，这是因为在日本国外的情况下，增加了从国外到日本的氢运输成本。除此之外，本文还对东京地区2018年太阳能光伏发电的实际数据进行了评估，得出了LCOH与电解负荷系数和输出缩减之间的关系。当水电解或蒸汽电解的设备容量降低时，其负荷系数增加，从而降低电解成本。但是，电力成本会随着输出的减少而增加。

结果表明，当电解相对于太阳能光伏的容量为0.59，太阳能光伏的输出减少约4.5%时，LCOH达到最小值45.7日元（约2.87元）/Nm³，比输出未减少时的值小7.2日元（约0.45元）/Nm³。

背景

氢气是使用时不排放CO₂的能源介质，因此，除了发电以外，还有望用于工业、运输和家庭。利用可再生能源产生的电力进行水电解而生成的氢气（可再生能源氢气）与利用化石燃料生成的氢气相比，环境价值更高。然而，可再生能源电力和水电解的成本较高，因此缺乏经济性。但是，随着可再生能源引入的迅速发展，可再生能源电力的价格显著下降，为了确定可再生能源氢气的低成本化方案和前景，基于最新的可再生能源预测价格进行成本评估是必不可少的。

目的

根据最新的可再生能源预测价格，估算2030年及2030年以后日本国内外可再生能源氢气的成本。此外，将着眼于在日本国内设备容量较大，且作为可再生能源电源的太阳能发电，并阐明通过降低水电解的设备容量来降低可再生能源氢气成本的效果。

主要成果

1、2030年日本国内外可再生能源氢气的LCOH估算

根据日本政府的能源基本计划^注1）和国际可再生能源机构^注2）于2019年发布的可再生能源发电价格，并基于一般均等化发电原价的考虑，估算了2030年的氢气平准化成本（LCOH）。结果表明，日本国内外的LCOH都在50~60日元（约3.14~3.77元）/Nm³的范围内。此外，与日本国外相比，日本国内的水电解设备成本和运行维护成本占LCOH的比率较高（图1）。

图1 2030年日本国内外可再生氢能LCOH的比较*

^*关于日本国外生产的可再生能源氢气，加上了液化、装货基地储藏、国际运输、卸货基地储藏、气化的各成本。此外，水电解设备设定为碱型，并将注3）所示文献中的2030目标值用于估算。

^**关于成本低于可再生能源氢气的来自褐煤的氢气，参照水野等^注4）发表的制氢成本对LCOH进行了估算。

2、2030年以后日本国外可再生能源氢气的LCOH预测

如果日本国外可再生能源电力的价格和水电解成本如长期预测^{注2）注5）}的那样降低，则可再生能源氢气的生产成本将变成8~10日元（约0.51~0.63元）/Nm³。而且，为了实现政府关于LCOH的2030年目标^注3）——30日元（约1.89元）/Nm³，有必要将液化和国际运输的设备成本减半。

3、通过抑制日本国内可再生能源氢气的水电解设备容量来降低LCOH的效果

由于未来可再生能源电力的价格有望降低，因此，如果抑制水电解相对于可再生能源发电的设备容量，则水电解设备的利用率将会提高，并且有望进一步降低LCOH。因此，在改变水电解相对于日本国内太阳能发电的设备容量比的同时，估算LCOH的结果表明，通过将设备容量比从1降低到0.59，可以将LCOH最大降低约7.2日元（约0.45元）/Nm³（图2）。

图2 LCOH与水电解和太阳能发电的设备容量比的关系^*

*此估算使用了东京电力服务区2018年的太阳能发电供求实绩。

注释：

注1）经济产业省资源能源厅，第五次能源基本计划（2018）

注2）国际可再生能源机构，Future of Wind（2019）和Future of Solar Photovoltaic（2019）

注3）经济产业省资源能源厅，氢·燃料电池战略路线图（2019）

注4）水野有智等，Journal of Japan Society of Energy and Resources，Vol.38，No.3，pp.11-17（2017）

注5）国际能源机构，The Future of Hydrogen（2019）

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翻译：李释云

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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