3)高溫固態(tài)氧化物電解水制氫(SOEC)
高溫使得制氫過程電化學(xué)性能提升，效率更高。高溫固態(tài)氧化物電解水制氫簡稱為 SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell)，采用固體氧化物為電解質(zhì)材料，工作溫度 800-1000℃， 制氫過程電化學(xué)性能顯著提升，效率更高。在高溫下，SOEC 電解設(shè)備會(huì)減少對(duì)電能的需 求，轉(zhuǎn)而提升對(duì)廢熱的利用率，因此熱能資源豐富的地區(qū)或廢熱較多的額工業(yè)區(qū)是 SOEC 示范項(xiàng)目的理想場地，未來當(dāng)可再生能源或先進(jìn)核能供應(yīng)充足時(shí)，SOEC 可能成為大規(guī)模 制氫的路線之一。
固態(tài)氧化物電解具有高效、環(huán)境友好、可與可再生能源結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，但也面臨著制備工藝、 材料穩(wěn)定性等挑戰(zhàn)。SOEC 電解槽電極采用非貴金屬催化劑，陰極材料選用多孔金屬陶瓷 Ni/YSZ，陽極材料選用鈣鈦礦氧化物，電解質(zhì)采用 YSZ 氧離子導(dǎo)體，全陶瓷材料結(jié)構(gòu)避 免了材料腐蝕問題。高溫高濕的工作環(huán)境使電解槽選擇穩(wěn)定性高、持久性好、耐衰減的材 料受到限制，也制約 SOEC 制氫技術(shù)應(yīng)用場景的選擇與大規(guī)模推廣。
4)固體聚合物陰離子交換膜電解水制氫(AEM)
AEM(Anion Exchange Membrane)是固體聚合物陰離子交換膜水電解的簡稱。AEM 電解水設(shè)備運(yùn)行時(shí)，水從陰極參與還原反應(yīng)生成氫氣和氫氧根離子，氫氧根離子通過聚合 物陰離子交換膜到達(dá)陽極參與氧化反應(yīng)生成氧氣和水。AEM 綜合了堿性電解水技術(shù)和 PEM 電解水技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，較堿性電解水技術(shù)響應(yīng)速度更快、電流密度更高，較 PEM 電解 水技術(shù)制造成本更低。
AEM 電解水技術(shù)研發(fā)示范項(xiàng)目較少。AEM 電解水技術(shù)是目前較為前沿的電解水技術(shù)之一， 在世界范圍內(nèi)僅有少數(shù)公司在嘗試將其商業(yè)化，相關(guān)應(yīng)用及示范項(xiàng)目也極少。Enapter 公 司是少數(shù)生產(chǎn)出商業(yè)化 AEM 制氫設(shè)備的企業(yè)，2021 年推出 AEM 電解水制氫系統(tǒng)，系統(tǒng) 由 420 個(gè)制氫模塊組成，制氫規(guī)模達(dá)到 0.5 Nm3/h，同年開始 AEM 產(chǎn)線建設(shè)，每月可產(chǎn) 1 萬臺(tái) AEM 水電解標(biāo)準(zhǔn)化模塊。2023 年初，國內(nèi)臥龍集團(tuán)與 Enapter 公司在意大利簽署 合作備忘錄，將在中國同步開展氫電解槽及相關(guān)業(yè)務(wù)。國內(nèi)在 AEM 制氫領(lǐng)域布局的公司 相對(duì)較少，北京未來氫能科技和穩(wěn)石氫能是其中比較有代表性的企業(yè)。
2.1.5 不同技術(shù)制氫技術(shù)路線成本對(duì)比
1)煤制氫的成本測(cè)算——單位成本約 11 元/kg,考慮碳捕集 20 元/kg
煤制氫的主要影響因素為煤炭的價(jià)格，當(dāng)褐煤價(jià)格為 600 元/噸時(shí)，煤制氫的成本約為 11 元/kg，此時(shí)煤炭成本約占總成本 41%。煤制氫成本測(cè)算的關(guān)鍵假設(shè)如下： 1. 制氫規(guī)模：假設(shè)制氫裝置規(guī)模為 90000m³/h。 2. 總投資：建設(shè)投資共 13.5 億元，折舊年限 10 年，折現(xiàn)率 0%，年修理費(fèi) 3%，采用線 性折舊。 3. 煤炭成本：煤炭不含稅價(jià)格為 600 元/噸，假設(shè)每立方米氫氣所需煤炭為 0.67kg。 4. 其他原料成本：假設(shè)氧氣外購價(jià)格 0.6239 元/m³，電價(jià) 0.5 元/度;假設(shè)每立方米氫氣 所需氧氣 0.42m³，電 0.048 度。 5. 人工費(fèi)用：10 人，每人每年工資費(fèi)用 12 萬元。
經(jīng)測(cè)算：在煤炭價(jià)格為 600 元/噸的情況下，煤制氫成本約為 10.94 元/kg，此時(shí)煤炭成本 約占總成本 41%。煤炭價(jià)格區(qū)間 450-700 元/噸時(shí)，煤制氫成本變化區(qū)間 9.81-11.69 元 /kg。CCUS 碳捕集成本為 375 元/噸，制備 1kg 氫氣對(duì)應(yīng)約 24kg 二氧化碳排放，增加成 本 9 元/kg?？紤] CCUS 碳捕集成本后，成本變化區(qū)間為 18.81-20.69 元/kg。
2)天然氣制氫成本測(cè)算——單位成本約 15 元/kg，考慮碳捕集 19 元/kg
天然氣制氫的主要影響因素為天然氣的價(jià)格。當(dāng)天然氣價(jià)格為 2.5 元/ m³時(shí)，天然氣制氫 的成本約為 15 元/kg，此時(shí)天然氣成本約占總成本的 74%。天然氣制氫成本測(cè)算的關(guān)鍵假 設(shè)如下： 1. 制氫規(guī)模：假設(shè)制氫裝置規(guī)模為 3000m³/h。 2. 總投資：建設(shè)總投資共 2400 萬元，折舊年限 20 年，殘值率 5%，年修理費(fèi) 3%，采用 線性折舊。 3. 天然氣成本：假設(shè)天然氣不含稅價(jià)格 2.5 元/m³，假設(shè)每立方米氫氣所需天然氣為 0.4m³， 對(duì)應(yīng)每千克氫氣生產(chǎn)需要天然氣成本 11.2 元。 4. 其他原料成本：假設(shè)去離子水價(jià)格 0.04 元/kg，電價(jià) 0.5 元/度，冷卻水價(jià)格為 0.003 元 /kg;假設(shè)每立方米氫氣所需去離子水 1.3kg，電 0.35 度。 5. 人工費(fèi)用：10 人，每人每年工資費(fèi)用 12 萬元。
經(jīng)測(cè)算：在天然氣價(jià)格為 2.5 元/m³的情況下，天然氣制氫成本約為 15.21 元/kg，此時(shí)天 然氣成本約占總成本 74%。天然氣價(jià)格區(qū)間為 1.5-4 元/m³時(shí)，天然氣制氫成本變化區(qū)間 10.73-21.93 元/m³。CCUS 碳捕集成本為 375 元/噸，制備 1kg 氫氣對(duì)應(yīng)約 11.675kg 二氧 化碳排放，增加成本 4.38 元/kg;考慮 CCUS 碳捕集成本后，成本變化區(qū)間為 14.13-25.33 元/kg。
評(píng)論