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關于電解槽競爭力的基礎知識

 更新時間:2023-03-24    點擊量:2353

說明:本內容多數編譯自德勤的一份報告,里面有加入自己的一些認知!


開篇前先羅列本文里面的一組關于歐洲電解槽需求的數據吧,僅供參考:

2024年前:大約裝機4GW左右。

2030年前:大約裝機40GW以上。

2050裝機:80~120GW

。。。下面正式開篇 。。。

一、電解工藝的選擇取決于技術成熟度、規模、H2純度、工藝靈活性和經濟性等。

電解水的方式介紹:

  • AE(堿性電解)是古老和成熟的技術,已經在工業規模項目(高達150MW)中實施,特別是在氯堿工業中(用鹽水代替淡水)。

  • PEM(質子交換膜)由于其高于平的BOP緊湊性和土地占用小,在見證其快速發展,正在走向成熟。

    此外,它具有良好的靈活性和H2純度參數。

  • SOEC(固體氧化物電解)是一項仍處于示范階段的技術,但只要它與高品熱源(例如,理論上是核電廠或工業熱)和穩定的電源相結合,就有很高的能源效率潛力。


電解工藝的選擇應與電源和目標H2利用率相結合。除了成熟度和當前規模外,電解工藝的主要參數還包括H2純度、工藝靈活性和經濟性(電效率和OPEX / CAPEX水平):

氫氣純度決定了電解槽可能的最終用途。99.95%純度對于一般工業應用通常是可以接受的(質量驗證等級“B"),但對于高級用途,如特殊化學、推進劑或半導體應用,則需要更高的純度(高達99.999%,對應于“F"、“L"或“A"質量驗證等級)。燃料電池電動汽車(FCEV)的出現導致了新的純度標準的引入,以避免催化劑中毒導致性能下降(特別是PEM燃料電池,因為PAFC等舊技術不太敏感)。包括在ISO 14687-2標準中的技術規范特別對硫(4ppm)和一氧化碳(200ppm)設置了特定的約束,總雜質之和小于300ppm(即H2純度為99.97%)。
1、不同制氫工藝的純度:
1.1最近的SMR工藝設計:
加上PSA(變壓吸附),目前可以提供非常高純度的氫氣(高達99.999%),適用于大多數應用。
1.2、AE(堿性電解))
堿性電解提供純度在99.7至99.9%范圍內,使額外的凈化工藝步驟(例如,擦洗,吸附,滲透或陰極清洗)在FCEV或先進的應用。
1.3、PEM電解
PEM電解提供了的純度水平,達到99.9999%的水平,使其適合FCEV應用。
1.4、SOEC電解
根據最近的研究,SOEC裝置的H2輸出的純度為94%,如果需要,可以純化到>99%。
2、制氫的靈活性(主要決定了電解槽適合的電力供應,因此它能夠與電網或間歇性可再生能源(太陽能光伏,陸上或海上風能)相結合)
2.1、AE(堿性電解)
堿性電解提供了平均的靈活性性能,啟動或關閉的響應時間可達10分鐘,爬坡和爬坡速度在0.2 - 20% /秒的范圍內,負載范圍為名義容量的10 - 110%。它主要適用于工業環境,因為所需的維護較復雜,因為電解質(KOH)具有腐蝕性,而且難以回收和利用。
2.2、PEM電解
PEM電解是最靈活的過程,因此適合與專有的可再生能源耦合,因為理論上可以在幾秒鐘內完成升壓和降壓過程。此外,它還能夠在短時間內以其標稱功率的160%運行。其有限的占地面積約為0.05平方米/千瓦時,使其更容易集成在非工業環境中,從而使其成為分布式制氫的理想解決方案。
2.3SOEC電解
SOEC電解在高溫(高達1000°C)下進行,因此需要與大的高品熱源(通常是核電廠或大型工業)和穩定的電力供應相結合。因此,SOEC的使用將被限制在特定的地點和用途。在某些情況下,SOEC也可以是可逆的,并作為燃料電池運行,因此能夠解決更廣泛的發電應用。

圖1:不同電解工藝在幾個關鍵參數上有所不同

資料來源:IEA、IRENA、ICCT、坦佩雷大學、DOE氫與燃料電池計劃、儲存和使用計劃;Flex CHX計劃,海上風能產業委員會,燃料電池能源,倫敦帝國理工學院,氫能委員會,NREL,德勤分析。

3、制氫的經濟性:LCOH由3個關鍵因素驅動

3.1除了電力成本之外——可變成本主要取決于電力效率。由于熱提供了能量,SOEC預計在電力消耗方面比AE和PEM顯著更好(到2030年,SOEC將達到37- 43 kWh / kg H2 ,根據專家的意見,可行的熱力學極限已經可以在電堆水平實現,改進重點是將其過渡到系統水平)。到2030年達到49-53 kWh / kg H2)。到2030年,電力消耗改善的主要驅動力將是更薄的膜(用于PEM)、略高的工作溫度和更高效的輔助系統(例如氫氣凈化效率)。

3.2電解槽利用率也是電解槽經濟性的關鍵驅動因素。的確,UF低于30%,資本支出和固定成本吸收則不足。另一方面,運行在90%以上UF水平可能需要高邊際成本供電(即優序效應),阻礙了電解槽的競爭力。

以下:以在網連接的堿性(AE)工藝實例來說明電解槽成本(LCOH)受三個主要參數的影響:資本支出、電力成本和利用系數。$ / kg H2。

圖2:連接在網的堿性工藝實例

資料來源:IEA、IRENA、ICCT、坦佩雷大學、DOE氫與燃料電池計劃、儲存和使用計劃;Flex CHX計劃,海上風能產業委員會,燃料電池能源,倫敦帝國理工學院,氫能委員會,NREL,德勤分析

3.3在持續的研發計劃和規模化的推動下,預計到2030年,資本支出(CAPEX)水平將大幅下降,降至400 - 600€/kW范圍。

到2030年,在技術進步和規模經濟的推動下,所有流程的資本支出都應大幅下降,如下圖所示:

圖3:電解工藝資本支出趨勢

1)過程強化

增加的工藝壓力和電流密度(AE高達0.6A/cm2, PEM高達>3A/cm2),允許相對于電堆大小的比例更高的產氫。
2)更好的工藝設計:
零間隙設計(AE)、更薄的膜(PEM)、改進的材料微結構集成以獲得更好的氧導電性(SOEC)、堿性聚合物系統、更好的組件集成、優化的系統設置和BOP組件,以及低成本的電堆設計。
3)減少昂貴材料的使用
通過引入新材料(碲化物、納米催化劑、混合金屬氧化物)減少貴金屬(鉑)基催化劑,減少雙極性板中的鈦,降低SOEC系統的工作溫度,允許使用低成本材料,如不銹鋼。
4)組件標準化,再加上生產規模擴大,使得向大批量生產方法(激光切割、塑料注射成型)的轉變有望產生重大影響,特別是對不太成熟的技術(PEM和SOEC)。
5)電堆(其購置成本約占整個系統資本支出的30 - 40%)的壽命預計到2030年,也將顯著增加,AE將達到95000小時。PEM為75 000小時,SOEC為60 000小時),由更好的催化劑耐久性,對雜質的高耐受性,電極結構的改進和膜的穩定性(PEM)來驅動。

到2030年,由于電力消耗和資本支出降低,以及堆疊壽命延長,電解過程的成本預計將下降,如下圖:

圖4:電解過程成本下降:2020年vs2030年(在網)。

最后,運維成本與資本支出水平直接相關。到2030年,AE和PEM流程的運維成本預計將占資本支出的2 - 4%,也主要取決于項目規模,而SOEC的運維成本則在5%以上。

因此,即使假設在目前的成本和技術參數(即,大規模系統)和在恒定電力供應成本下的推理,僅由于內部因素,預計到2030年,LCOH將大幅下降約20%。在可能布置SOEC的位置(即,核電站,工業高品熱的來源地),額外的下降15%可以實現。


文章來源:氫眼所見  作者:馬震

注:本文已經獲得轉載權 

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