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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:1095

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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