التحليل الاقتصادي لإنتاج الهيدروجين الأخضر عن طريق التحليل الكهربائي من مصادر الطاقة المتجددة

بدأت المزيد والمزيد من البلدان في تحديد أهداف استراتيجية للطاقة الهيدروجينية ، وتميل بعض الاستثمارات إلى تطوير تكنولوجيا الهيدروجين الخضراء. يقود الاتحاد الأوروبي والصين هذا التطور ، ويبحثان عن مزايا المحرك الأول في التكنولوجيا والبنية التحتية. وفي الوقت نفسه ، أصدرت اليابان وكوريا الجنوبية وفرنسا وألمانيا وهولندا ونيوزيلندا وأستراليا استراتيجيات للطاقة الهيدروجينية ووضعت خططًا تجريبية منذ عام 2017. في عام 2021 ، أصدر الاتحاد الأوروبي مطلبًا استراتيجيًا للطاقة الهيدروجينية ، مقترحًا زيادة القدرة التشغيلية من إنتاج الهيدروجين في الخلايا الإلكتروليتية إلى 6 جيجاواط بحلول عام 2024 من خلال الاعتماد على طاقة الرياح والطاقة الشمسية ، وإلى 40 جيجاوات بحلول عام 2030 ، ستزداد قدرة إنتاج الهيدروجين في الاتحاد الأوروبي إلى 40 جيجاوات بمقدار 40 جيجاواط إضافية خارج الاتحاد الأوروبي.

كما هو الحال مع جميع التقنيات الجديدة ، ينتقل الهيدروجين الأخضر من البحث والتطوير الأولي إلى التنمية الصناعية السائدة ، مما يؤدي إلى انخفاض تكاليف الوحدة وزيادة الكفاءة في التصميم والبناء والتركيب. يتكون LCOH للهيدروجين الأخضر من ثلاثة مكونات: تكلفة الخلية الإلكتروليتية وسعر الكهرباء المتجددة وتكاليف التشغيل الأخرى. بشكل عام ، تمثل تكلفة الخلية الإلكتروليتية حوالي 20٪ ~ 25٪ من LCOH الأخضر للهيدروجين ، والحصة الأكبر من الكهرباء (70٪ ~ 75٪). تكاليف التشغيل صغيرة نسبيًا ، بشكل عام أقل من 5٪.

على الصعيد الدولي ، انخفض سعر الطاقة المتجددة (بشكل أساسي الطاقة الشمسية وطاقة الرياح) بشكل كبير خلال الثلاثين عامًا الماضية ، وتكلفة الطاقة المتكافئة (LCOE) الآن قريبة من الطاقة التي تعمل بالفحم (30-50 دولارًا / ميجاوات ساعة) ، مما يجعل مصادر الطاقة المتجددة أكثر تنافسية من حيث التكلفة في المستقبل. تستمر تكاليف الطاقة المتجددة في الانخفاض بنسبة 10٪ سنويًا ، وبحلول عام 2030 تقريبًا ستصل تكاليف الطاقة المتجددة إلى حوالي 20 دولارًا أمريكيًا / ميجاوات ساعة. لا يمكن تخفيض تكاليف التشغيل بشكل كبير ، ولكن يمكن تخفيض تكاليف الوحدة الخلوية ومن المتوقع أن يكون منحنى تكلفة التعلم مماثلًا للخلايا كما هو الحال بالنسبة للطاقة الشمسية أو طاقة الرياح.

تم تطوير الطاقة الشمسية الكهروضوئية في السبعينيات وكان سعر LCoEs للطاقة الشمسية الكهروضوئية في عام 2010 حوالي 500 دولار / ميجاوات ساعة. انخفض LCOE للطاقة الشمسية الكهروضوئية بشكل ملحوظ منذ عام 2010 ويتراوح حاليًا بين 30 دولارًا و 50 دولارًا / ميجاوات ساعة. بالنظر إلى أن تقنية الخلايا الإلكتروليتية تشبه المعيار الصناعي لإنتاج الخلايا الكهروضوئية الشمسية ، من 2020-2030 ، فمن المرجح أن تتبع تقنية الخلايا الكهروضوئية مسارًا مشابهًا للخلايا الكهروضوئية الشمسية من حيث تكلفة الوحدة. في الوقت نفسه ، انخفض LCOE للرياح بشكل كبير خلال العقد الماضي ، ولكن بنسبة أقل (حوالي 50 في المائة في الخارج و 60 في المائة على الشاطئ).

يستخدم بلدنا مصادر الطاقة المتجددة (مثل طاقة الرياح ، والطاقة الكهروضوئية ، والطاقة الكهرومائية) لإنتاج هيدروجين الماء الكهربائي ، عندما يتم التحكم في سعر الكهرباء في 0.25 يوان / كيلو وات ساعة أدناه ، فإن تكلفة إنتاج الهيدروجين لها كفاءة اقتصادية نسبية (15.3 ~ 20.9 يوان / كجم) . المؤشرات الفنية والاقتصادية للتحليل الكهربائي القلوي وإنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي PEM موضحة في الجدول 1.

تظهر طريقة حساب التكلفة لإنتاج الهيدروجين الإلكتروليتي في المعادلتين (1) و (2). LCOE = التكلفة الثابتة / (كمية إنتاج الهيدروجين × العمر الافتراضي) + تكلفة التشغيل (1) تكلفة التشغيل = استهلاك الكهرباء لإنتاج الهيدروجين × سعر الكهرباء + سعر المياه + تكلفة صيانة المعدات (2) أخذ مشاريع التحليل الكهربائي القلوية والتحليل الكهربائي PEM (1000 نيوتن متر مكعب / ساعة ) كمثال ، افترض أن دورة الحياة الكاملة للمشاريع هي 20 سنة وأن عمر التشغيل 9 × 104 ساعات. يتم حساب التكلفة الثابتة لخلية التحليل الكهربائي للحزمة ، وجهاز تنقية الهيدروجين ، ورسوم المواد ، ورسوم البناء المدني ، ورسوم خدمة التركيب ، وعناصر أخرى بـ 0.3 يوان / كيلو وات ساعة للتحليل الكهربائي. يتم عرض مقارنة التكلفة في الجدول 2.

بالمقارنة مع طرق إنتاج الهيدروجين الأخرى ، إذا كان سعر الكهرباء للطاقة المتجددة أقل من 0.25 يوان / كيلوواط ساعة ، يمكن تخفيض تكلفة الهيدروجين الأخضر إلى حوالي 15 يوانًا / كجم ، والتي تبدأ في الحصول على ميزة التكلفة. في سياق حيادية الكربون ، مع خفض تكاليف توليد الطاقة المتجددة ، والتطوير واسع النطاق لمشاريع إنتاج الهيدروجين ، وتقليل استهلاك طاقة الخلايا الكهربية وتكاليف الاستثمار ، وتوجيه ضريبة الكربون والسياسات الأخرى ، الطريق سيكون تخفيض تكلفة الهيدروجين الأخضر واضحًا بشكل تدريجي. في الوقت نفسه ، نظرًا لأنه سيتم خلط إنتاج الهيدروجين من مصادر الطاقة التقليدية بالعديد من الشوائب ذات الصلة مثل الكربون والكبريت والكلور ، وتكلفة التنقية المتراكبة و CCUS ، فقد تتجاوز تكلفة الإنتاج الفعلية 20 يوانًا / كجم.