研究亮點(diǎn)：

1. 動態(tài)模擬了不同電價(jià)結(jié)構(gòu)下的電解制氫成本。

2. 發(fā)現(xiàn)了在20個(gè)州的81種零售電價(jià)運(yùn)營情況下電解裝置已經(jīng)可以提供具有成本競爭力的燃料。
 

研究背景：氫能在未來能源系統(tǒng)中具有重要作用

氫是一種零碳排放的能源載體，可以用于交通運(yùn)輸，作為石油精煉、氨生產(chǎn)的原料，以及金屬精煉和住宅部門的加熱和烹飪等方方面面。而且，氫氣有潛力成為整合不同基礎(chǔ)設(shè)施的能源載體，以提高經(jīng)濟(jì)效率、可靠性、靈活性，而且其中許多用途將有助于減少電力和交通部門的碳排放（2015年，電力和交通部門的碳排放分別占全球能源相關(guān)碳排放的約42%和24%）。氫還可以為電力部門提供大規(guī)模的長期（季節(jié)性）能量存儲。此外，氫能源存儲系統(tǒng)可以提供輔助電網(wǎng)服務(wù)，如應(yīng)急、負(fù)荷跟蹤和調(diào)節(jié)儲備，這些服務(wù)可以提供額外的能量來源，從而降低電解制氫的成本。

氫還可以成為VRE和交通部門之間的另一座橋梁。盡管目前燃料電池汽車在當(dāng)前全球汽車市場中的部署有限（約5000輛，或每100萬輛中5輛），但燃料電池汽車仍可能在未來低碳交通中發(fā)揮重要作用，特別是對于具有長距離或高能量密度要求的應(yīng)用場景，如卡車和公共汽車等重型車輛。

氫技術(shù)在未來能源系統(tǒng)中的作用

氫能廣泛應(yīng)用還需要解決哪些問題？

盡管氫技術(shù)在整合不同的能源系統(tǒng)方面具有巨大的潛力，但研究和開發(fā)方面的進(jìn)一步發(fā)展仍然是加速廣泛應(yīng)用的必要條件，其中最迫切的需求包括：1）開發(fā)高穩(wěn)定性和活性的新材料，用于制備更高性能的電解槽、存儲設(shè)備和燃料電池；2）獲得有關(guān)國家和地區(qū)范圍內(nèi)制氫成本的更多數(shù)據(jù)；3）評估電解槽的操作靈活性。本文討論了后兩個(gè)需求。

多年來，零售電價(jià)的設(shè)計(jì)基于以下假設(shè)：電力需求缺乏彈性，電力消費(fèi)僅因價(jià)格上漲而下降幅度較小，電網(wǎng)供應(yīng)是消費(fèi)者的唯一選擇。然而，消費(fèi)者已經(jīng)表明，他們可以將用電需求從高峰時(shí)段轉(zhuǎn)移到非高峰時(shí)段，根據(jù)價(jià)格信號動態(tài)定價(jià)可以讓終端用戶減少他們的電費(fèi)，同時(shí)提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。此外，先進(jìn)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施（例如智能電表）的最新發(fā)展為終端用戶和能源供應(yīng)商之間的交流提供了可供參考的動態(tài)實(shí)時(shí)信息，因此電力用戶現(xiàn)在可以根據(jù)基本電費(fèi)和高峰用電費(fèi)的價(jià)格做出多種選擇。此外，隨著可變可再生能源發(fā)電的普及率的提高，電價(jià)類型有望增加，由于邊際成本較低，電力市場模式正不斷發(fā)生著巨大的變化。那么，在當(dāng)前的電力市場模式下，電解制氫的成本到底是否有競爭力？

成果簡介

有鑒于此，美國國家再生能源實(shí)驗(yàn)室Omar J. Guerra等人詳細(xì)模擬了美國不同地區(qū)電價(jià)下電解裝置在1年內(nèi)運(yùn)行情況，依靠收益運(yùn)作和設(shè)備優(yōu)化（RODeO）工具估算了全美在各種電價(jià)結(jié)構(gòu)以及不同地理位置下基于電解的制氫成本，發(fā)現(xiàn)了在20個(gè)州的81種零售電價(jià)運(yùn)營情況下電解裝置已經(jīng)可以提供具有成本競爭力的氫燃料。

圖1 全美不同電價(jià)結(jié)構(gòu)模式下的制氫電力成本總和的地理分布

要點(diǎn)1 全美工商業(yè)電費(fèi)分類

以公共可用的電費(fèi)數(shù)據(jù)庫(URDB)作為分析的基礎(chǔ)，對28788個(gè)工商業(yè)電費(fèi)進(jìn)行篩選，得到7295個(gè)可用電費(fèi)。電費(fèi)可以分為基本電費(fèi)（Energy Charge）和高峰用電費(fèi)（demand charge）兩種?；倦娰M(fèi)和高峰用電費(fèi)的價(jià)格制定又被分為三種基本結(jié)構(gòu)NO、Flat和TOU，No意味著不收費(fèi)，F(xiàn)lat表示單一固定電費(fèi)，TOU表示動態(tài)定價(jià)。因此，電費(fèi)被分為六類：對基本電費(fèi)收取固定費(fèi)用而對高峰用電費(fèi)不收取費(fèi)用的電費(fèi)，F(xiàn)lat_NO；對基本電費(fèi)和高峰用電費(fèi)均收取固定費(fèi)用的電費(fèi)，F(xiàn)lat_Flat；Flat_TOU、TOU_NO、TOU_Flat和TOU_TOU以此類推。

研究發(fā)現(xiàn)，單一固定電費(fèi)覆蓋面更廣，這意味著與分時(shí)電費(fèi)相比，它們在美國更易獲得。高峰時(shí)段的電費(fèi)較高，而在非高峰時(shí)段的電費(fèi)相對較低。電費(fèi)結(jié)構(gòu)的差異在很大程度上取決于每個(gè)電費(fèi)的設(shè)計(jì)過程以及電費(fèi)的回收成本，例如輸配電網(wǎng)絡(luò)的安裝和維護(hù)。

圖2 全美工商業(yè)基本電費(fèi)和高峰用電費(fèi)的范圍和地理分布圖

要點(diǎn)2 評估電解制氫成本

本研究中采用RODeO實(shí)驗(yàn)程序結(jié)合要點(diǎn)1分析的電費(fèi)對電解槽的基本負(fù)荷和靈活運(yùn)行模式的制氫成本進(jìn)行估算。美國能源部（DOE）電解制氫的技術(shù)目標(biāo)分別是2011年，2015年和2020年分別為4.2千克/美元，3.9千克/美元和2.3千克/美元。成本估算發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)lat_Flat，F(xiàn)lat_NO，F(xiàn)lat_TOU和TOU_TOU四種類型的電價(jià)結(jié)構(gòu)下電解制氫成本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了美國能源部2011年的氫氣生產(chǎn)目標(biāo)。此外，全美81個(gè)商業(yè)和工業(yè)電費(fèi)，可以使得電解制氫成本（包括存儲成本）控制在4千克/美元以內(nèi)。

圖3 不同電費(fèi)結(jié)構(gòu)下的制氫成本

要點(diǎn)3 電費(fèi)動態(tài)定價(jià)模式的重要性

通常，F(xiàn)lat_NO型電費(fèi)的氫氣生產(chǎn)成本比Flat_Flat和Flat_TOU型電費(fèi)昂貴。使用動態(tài)定價(jià)費(fèi)可將TOU_NO，TOU_Flat和TOU_TOU的制氫電力成本分別降低2.4％，1.2％和2.6％。靈活的電費(fèi)動態(tài)定價(jià)模式的結(jié)果說明了在合適的地點(diǎn)和合適的時(shí)間運(yùn)行電解槽的重要性。

圖4 利用動態(tài)定價(jià)降低氫電成本

要點(diǎn)4 產(chǎn)能因子對平均制氫成本的影響

產(chǎn)能因子是實(shí)際氫產(chǎn)量與全年最大氫產(chǎn)量的比值。

1）對于不對基本電費(fèi)或峰值電費(fèi)使用動態(tài)定價(jià)的模式，總氫生產(chǎn)成本（每種類別的電費(fèi)的平均成本）隨著產(chǎn)能因子的降低而單調(diào)增加。這是因?yàn)閷τ贔lat_NO和Flat_Flat電費(fèi)，電力成本是恒定的，而設(shè)備，固定操作和維護(hù)（FOM）和存儲成本隨產(chǎn)能因子的降低而按比例增加。

2）相反，隨著產(chǎn)能因子的降低，對基本電費(fèi)或峰值電費(fèi)使用動態(tài)定價(jià)的模式，總氫生產(chǎn)成本相較其他定價(jià)模式變得更有優(yōu)勢。因此，對于這種類型的電費(fèi)結(jié)構(gòu)，在電費(fèi)和設(shè)備，F(xiàn)OM和存儲成本之間要進(jìn)行權(quán)衡，對于動態(tài)電費(fèi)結(jié)構(gòu)，最佳產(chǎn)能因子約為95％。

圖5 產(chǎn)能因子對每種電價(jià)的平均制氫成本的影響

要點(diǎn)5 燃料成本評估：氫氣與汽油和柴油

除制氫的電力成本外，通過比較不同類型燃料的成本，探討氫燃料電池電動車與汽油車、柴油車在區(qū)域范圍內(nèi)的成本競爭力。

1）汽油車的燃料成本為每百公里5.0-8.6美元，而燃料電池汽車的氫氣成本在81種電費(fèi)下估計(jì)在每百公里4.9-6.3美元之間。在柴油應(yīng)用方面，與重型車輛相比，中型車輛的氫成本更有競爭力。中型車輛的氫氣成本估計(jì)在每百公里12.6-16.0美元之間，而相應(yīng)的柴油成本則為每百公里11.5-16.9美元。對于重型車輛，氫氣和柴油的成本分別為每百公里27.4-34.6美元和22.4-32.9美元。

2）這些發(fā)現(xiàn)表明，在美國的幾個(gè)地方，氫氣的成本可以與汽油和柴油車輛的燃料成本相比。另外，傳統(tǒng)的汽油和柴油汽車的溫室氣體(GHG)排放量明顯高于氫燃料汽車，而且風(fēng)能和太陽能的普及有望進(jìn)一步降低批發(fā)電價(jià)。因此考慮到這些綜合因素，在不久的將來，基于電網(wǎng)的電解氫可能成為美國一種更清潔、更有成本競爭力的能源載體。

圖6 氫氣、汽油和柴油的燃料成本比較

小結(jié)

對于美國的20個(gè)州的81種公用事業(yè)單位的制氫成本已經(jīng)低于4.0美元/kg，與汽油車的燃料成本相比具有競爭力。由于本研究中提出的所有分析均以零售電價(jià)為基礎(chǔ)，因此允許兆瓦級電解槽參與批發(fā)電市場可以顯著降低電解制氫的成本，但為此需要采取更多的政策和監(jiān)管措施。因此，在適當(dāng)?shù)臈l件下，氫燃料已經(jīng)在美國能源領(lǐng)域具有成本競爭力，并且在未來的能源和運(yùn)輸系統(tǒng)中可能會扮演重要的角色。