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关于电解槽竞争力的基础知识

　更新时间：2023-03-24 点击量：2564

说明：本内容多数编译自德勤的一份报告，里面有加入自己的一些认知！

开篇前先罗列本文里面的一组关于欧洲电解槽需求的数据吧，仅供参考：

2024年前：大约装机4GW左右。

2030年前：大约装机40GW以上。

2050装机：80~120GW

。。。下面正式开篇。。。

一、电解工艺的选择取决于技术成熟度、规模、H2纯度、工艺灵活性和经济性等。

电解水的方式介绍：

AE(碱性电解)是古老和成熟的技术，已经在工业规模项目(高达150MW)中实施，特别是在氯碱工业中(用盐水代替淡水)。
PEM(质子交换膜)由于其高于平的BOP紧凑性和土地占用小，在见证其快速发展，正在走向成熟。
此外，它具有良好的灵活性和H2纯度参数。
SOEC(固体氧化物电解)是一项仍处于示范阶段的技术，但只要它与高品热源(例如，理论上是核电厂或工业热)和稳定的电源相结合，就有很高的能源效率潜力。

电解工艺的选择应与电源和目标H2利用率相结合。除了成熟度和当前规模外，电解工艺的主要参数还包括H2纯度、工艺灵活性和经济性(电效率和OPEX / CAPEX水平)：

氢气纯度决定了电解槽可能的最终用途。99.95%纯度对于一般工业应用通常是可以接受的(质量验证等级“B")，但对于高级用途，如特殊化学、推进剂或半导体应用，则需要更高的纯度(高达99.999%，对应于“F"、“L"或“A"质量验证等级)。燃料电池电动汽车(FCEV)的出现导致了新的纯度标准的引入，以避免催化剂中毒导致性能下降(特别是PEM燃料电池，因为PAFC等旧技术不太敏感)。包括在ISO 14687-2标准中的技术规范特别对硫(4ppm)和一氧化碳(200ppm)设置了特定的约束，总杂质之和小于300ppm(即H2纯度为99.97%)。

1、不同制氢工艺的纯度:

1.1最近的SMR工艺设计：

加上PSA(变压吸附)，目前可以提供非常高纯度的氢气(高达99.999%)，适用于大多数应用。

1.2、AE（碱性电解））

碱性电解提供纯度在99.7至99.9%范围内，使额外的净化工艺步骤(例如，擦洗，吸附，渗透或阴极清洗)在FCEV或先进的应用。

1.3、PEM电解

PEM电解提供了的纯度水平，达到99.9999%的水平，使其适合FCEV应用。

1.4、SOEC电解

根据最近的研究，SOEC装置的H2输出的纯度为94%，如果需要，可以纯化到>99%。

2、制氢的灵活性（主要决定了电解槽适合的电力供应，因此它能够与电网或间歇性可再生能源(太阳能光伏，陆上或海上风能)相结合）

2.1、AE（碱性电解）

碱性电解提供了平均的灵活性性能，启动或关闭的响应时间可达10分钟，爬坡和爬坡速度在0.2 - 20% /秒的范围内，负载范围为名义容量的10 - 110%。它主要适用于工业环境，因为所需的维护较复杂，因为电解质(KOH)具有腐蚀性，而且难以回收和利用。

2.2、PEM电解

PEM电解是最灵活的过程，因此适合与专有的可再生能源耦合，因为理论上可以在几秒钟内完成升压和降压过程。此外，它还能够在短时间内以其标称功率的160%运行。其有限的占地面积约为0.05平方米/千瓦时，使其更容易集成在非工业环境中，从而使其成为分布式制氢的理想解决方案。

2.3SOEC电解

SOEC电解在高温(高达1000°C)下进行，因此需要与大的高品热源(通常是核电厂或大型工业)和稳定的电力供应相结合。因此，SOEC的使用将被限制在特定的地点和用途。在某些情况下，SOEC也可以是可逆的，并作为燃料电池运行，因此能够解决更广泛的发电应用。

图1：不同电解工艺在几个关键参数上有所不同

资料来源:IEA、IRENA、ICCT、坦佩雷大学、DOE氢与燃料电池计划、储存和使用计划;Flex CHX计划，海上风能产业委员会，燃料电池能源，伦敦帝国理工学院，氢能委员会，NREL，德勤分析。

3、制氢的经济性：LCOH由3个关键因素驱动

3.1除了电力成本之外——可变成本主要取决于电力效率。由于热提供了能量，SOEC预计在电力消耗方面比AE和PEM显著更好(到2030年，SOEC将达到37- 43 kWh / kg H2 ，根据专家的意见，可行的热力学极限已经可以在电堆水平实现，改进重点是将其过渡到系统水平)。到2030年达到49-53 kWh / kg H2)。到2030年，电力消耗改善的主要驱动力将是更薄的膜(用于PEM)、略高的工作温度和更高效的辅助系统(例如氢气净化效率)。

3.2电解槽利用率也是电解槽经济性的关键驱动因素。的确，UF低于30%，资本支出和固定成本吸收则不足。另一方面，运行在90%以上UF水平可能需要高边际成本供电(即优序效应)，阻碍了电解槽的竞争力。

以下：以在网连接的碱性(AE)工艺实例来说明电解槽成本(LCOH)受三个主要参数的影响:资本支出、电力成本和利用系数。$ / kg H2。

图2：连接在网的碱性工艺实例

资料来源:IEA、IRENA、ICCT、坦佩雷大学、DOE氢与燃料电池计划、储存和使用计划;Flex CHX计划，海上风能产业委员会，燃料电池能源，伦敦帝国理工学院，氢能委员会，NREL，德勤分析

3.3在持续的研发计划和规模化的推动下，预计到2030年，资本支出（CAPEX）水平将大幅下降，降至400 - 600€/kW范围。

到2030年，在技术进步和规模经济的推动下，所有流程的资本支出都应大幅下降，如下图所示：

图3：电解工艺资本支出趋势

1）过程强化

增加的工艺压力和电流密度(AE高达0.6A/cm2, PEM高达>3A/cm2)，允许相对于电堆大小的比例更高的产氢。

2）更好的工艺设计：

零间隙设计(AE)、更薄的膜(PEM)、改进的材料微结构集成以获得更好的氧导电性(SOEC)、碱性聚合物系统、更好的组件集成、优化的系统设置和BOP组件，以及低成本的电堆设计。

3）减少昂贵材料的使用

通过引入新材料(碲化物、纳米催化剂、混合金属氧化物)减少贵金属(铂)基催化剂，减少双极性板中的钛，降低SOEC系统的工作温度，允许使用低成本材料，如不锈钢。

4）组件标准化，再加上生产规模扩大，使得向大批量生产方法(激光切割、塑料注射成型)的转变有望产生重大影响，特别是对不太成熟的技术(PEM和SOEC)。

5）电堆(其购置成本约占整个系统资本支出的30 - 40%)的寿命，预计到2030年，也将显著增加，AE将达到95000小时。PEM为75 000小时，SOEC为60 000小时)，由更好的催化剂耐久性，对杂质的高耐受性，电极结构的改进和膜的稳定性(PEM)来驱动。

到2030年，由于电力消耗和资本支出降低，以及堆叠寿命延长，电解过程的成本预计将下降，如下图：

图4：电解过程成本下降:2020年vs2030年（在网）。

最后，运维成本与资本支出水平直接相关。到2030年，AE和PEM流程的运维成本预计将占资本支出的2 - 4%，也主要取决于项目规模，而SOEC的运维成本则在5%以上。

因此，即使假设在目前的成本和技术参数(即，大规模系统)和在恒定电力供应成本下的推理，仅由于内部因素，预计到2030年，LCOH将大幅下降约20%。在可能布置SOEC的位置(即，核电站，工业高品热的来源地)，额外的下降15%可以实现。

文章来源：氢眼所见作者：马震

注：本文已经获得转载权

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