研究亮點：

1. 動態模擬了不同電價結構下的電解制氫成本。

2. 發現了在20個州的81種零售電價運營情況下電解裝置已經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，可以用于交通運輸，作為石油精煉、氨生產的原料，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設施的能源載體，以提高經濟效率、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碳排放的約42%和24%）。氫還可以為電力部門提供大規模的長期（季節性）能量存儲。此外，氫能源存儲系統可以提供輔助電網服務，如應急、負荷跟蹤和調節儲備，這些服務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用場景，如卡車和公共汽車等重型車輛。

氫技術在未來能源系統中的作用

氫能廣泛應用還需要解決哪些問題？

盡管氫技術在整合不同的能源系統方面具有巨大的潛力，但研究和開發方面的進一步發展仍然是加速廣泛應用的必要條件，其中最迫切的需求包括：1）開發高穩定性和活性的新材料，用于制備更高性能的電解槽、存儲設備和燃料電池；2）獲得有關國家和地區范圍內制氫成本的更多數據；3）評估電解槽的操作靈活性。本文討論了后兩個需求。

多年來，零售電價的設計基于以下假設：電力需求缺乏彈性，電力消費僅因價格上漲而下降幅度較小，電網供應是消費者的唯一選擇。然而，消費者已經表明，他們可以將用電需求從高峰時段轉移到非高峰時段，根據價格信號動態定價可以讓終端用戶減少他們的電費，同時提高電網的穩定性。此外，先進計量基礎設施（例如智能電表）的最新發展為終端用戶和能源供應商之間的交流提供了可供參考的動態實時信息，因此電力用戶現在可以根據基本電費和高峰用電費的價格做出多種選擇。此外，隨著可變可再生能源發電的普及率的提高，電價類型有望增加，由于邊際成本較低，電力市場模式正不斷發生著巨大的變化。那么，在當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驗室Omar J. Guerra等人詳細模擬了美國不同地區電價下電解裝置在1年內運行情況，依靠收益運作和設備優化（RODeO）工具估算了全美在各種電價結構以及不同地理位置下基于電解的制氫成本，發現了在20個州的81種零售電價運營情況下電解裝置已經可以提供具有成本競爭力的氫燃料。

圖1 全美不同電價結構模式下的制氫電力成本總和的地理分布

要點1 全美工商業電費分類

以公共可用的電費數據庫(URDB)作為分析的基礎，對28788個工商業電費進行篩選，得到7295個可用電費。電費可以分為基本電費（Energy Charge）和高峰用電費（demand charge）兩種。基本電費和高峰用電費的價格制定又被分為三種基本結構NO、Flat和TOU，No意味著不收費，Flat表示單一固定電費，TOU表示動態定價。因此，電費被分為六類：對基本電費收取固定費用而對高峰用電費不收取費用的電費，Flat_NO；對基本電費和高峰用電費均收取固定費用的電費，Flat_Flat；Flat_TOU、TOU_NO、TOU_Flat和TOU_TOU以此類推。

研究發現，單一固定電費覆蓋面更廣，這意味著與分時電費相比，它們在美國更易獲得。高峰時段的電費較高，而在非高峰時段的電費相對較低。電費結構的差異在很大程度上取決于每個電費的設計過程以及電費的回收成本，例如輸配電網絡的安裝和維護。

圖2 全美工商業基本電費和高峰用電費的范圍和地理分布圖

要點2 評估電解制氫成本

本研究中采用RODeO實驗程序結合要點1分析的電費對電解槽的基本負荷和靈活運行模式的制氫成本進行估算。美國能源部（DOE）電解制氫的技術目標分別是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。成本估算發現，Flat_Flat，Flat_NO，Flat_TOU和TOU_TOU四種類型的電價結構下電解制氫成本已經實現了美國能源部2011年的氫氣生產目標。此外，全美81個商業和工業電費，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。

圖3 不同電費結構下的制氫成本

要點3 電費動態定價模式的重要性

通常，Flat_NO型電費的氫氣生產成本比Flat_Flat和Flat_TOU型電費昂貴。使用動態定價費可將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％。靈活的電費動態定價模式的結果說明了在合適的地點和合適的時間運行電解槽的重要性。

圖4 利用動態定價降低氫電成本

要點4 產能因子對平均制氫成本的影響

產能因子是實際氫產量與全年最大氫產量的比值。

1）對于不對基本電費或峰值電費使用動態定價的模式，總氫生產成本（每種類別的電費的平均成本）隨著產能因子的降低而單調增加。這是因為對于Flat_NO和Flat_Flat電費，電力成本是恒定的，而設備，固定操作和維護（FOM）和存儲成本隨產能因子的降低而按比例增加。

2）相反，隨著產能因子的降低，對基本電費或峰值電費使用動態定價的模式，總氫生產成本相較其他定價模式變得更有優勢。因此，對于這種類型的電費結構，在電費和設備，FOM和存儲成本之間要進行權衡，對于動態電費結構，最佳產能因子約為95％。

圖5 產能因子對每種電價的平均制氫成本的影響

要點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、柴油車在區域范圍內的成本競爭力。

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種電費下估計在每百公里4.9-6.3美元之間。在柴油應用方面，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在每百公里12.6-16.0美元之間，而相應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）這些發現表明，在美國的幾個地方，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，而且風能和太陽能的普及有望進一步降低批發電價。因此考慮到這些綜合因素，在不久的將來，基于電網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

對于美國的20個州的81種公用事業單位的制氫成本已經低于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為基礎，因此允許兆瓦級電解槽參與批發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管措施。因此，在適當的條件下，氫燃料已經在美國能源領域具有成本競爭力，并且在未來的能源和運輸系統中可能會扮演重要的角色。