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

بدأت دولٌ متزايدةٌ بوضع أهدافٍ استراتيجيةٍ للطاقة الهيدروجينية، وتتجه بعض الاستثمارات نحو تطوير تكنولوجيا الهيدروجين الأخضر. ويقود الاتحاد الأوروبي والصين هذا التطور، ساعيين إلى تحقيق أفضليةٍ في التكنولوجيا والبنية التحتية. في غضون ذلك، أصدرت اليابان وكوريا الجنوبية وفرنسا وألمانيا وهولندا ونيوزيلندا وأستراليا استراتيجياتٍ للطاقة الهيدروجينية، ووضعت خططًا تجريبية منذ عام ٢٠١٧. في عام ٢٠٢١، أصدر الاتحاد الأوروبي متطلبًا استراتيجيًا للطاقة الهيدروجينية، مقترحًا زيادة القدرة التشغيلية لإنتاج الهيدروجين في الخلايا الكهروليتية إلى ٦ جيجاواط بحلول عام ٢٠٢٤ بالاعتماد على طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وإلى ٤٠ جيجاواط بحلول عام ٢٠٣٠، وستزداد قدرة إنتاج الهيدروجين في الاتحاد الأوروبي إلى ٤٠ جيجاواط بمقدار ٤٠ جيجاواط إضافية خارجه.

كما هو الحال مع جميع التقنيات الجديدة، ينتقل الهيدروجين الأخضر من مرحلة البحث والتطوير الأولية إلى التطوير الصناعي الشامل، مما يؤدي إلى انخفاض تكاليف الوحدة وزيادة الكفاءة في التصميم والبناء والتركيب. يتكون الهيدروجين الأخضر (LCOH) من ثلاثة مكونات: تكلفة الخلية الكهروليتية، وسعر الكهرباء المتجددة، وتكاليف التشغيل الأخرى. بشكل عام، تُمثل تكلفة الخلية الكهروليتية حوالي 20% إلى 25% من إجمالي تكلفة الهيدروجين الأخضر، والحصة الأكبر من الكهرباء (70% إلى 75%). تكاليف التشغيل منخفضة نسبيًا، وعادةً ما تكون أقل من 5%.

على الصعيد الدولي، انخفض سعر الطاقة المتجددة (وخاصةً الطاقة الشمسية وطاقة الرياح على نطاق المرافق) بشكل ملحوظ خلال الثلاثين عامًا الماضية، وأصبحت تكلفة الطاقة المتساوية (LCOE) الخاصة بها الآن قريبة من تكلفة الطاقة المولدة بالفحم (30-50 دولارًا أمريكيًا/ميغاواط/ساعة)، مما يجعل مصادر الطاقة المتجددة أكثر تنافسية من حيث التكلفة في المستقبل. وتستمر تكاليف الطاقة المتجددة في الانخفاض بنسبة 10% سنويًا، وبحلول عام 2030 تقريبًا، ستصل تكاليفها إلى حوالي 20 دولارًا أمريكيًا/ميغاواط/ساعة. لا يمكن خفض تكاليف التشغيل بشكل كبير، ولكن يمكن خفض تكاليف وحدة الخلية، ومن المتوقع أن يكون منحنى تكلفة التعلم للخلايا مشابهًا لما هو عليه في الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح.

طُوّرت الطاقة الشمسية الكهروضوئية في سبعينيات القرن الماضي، وبلغ سعر مُعدّل كفاءة الطاقة (LCoE) حوالي 500 دولار أمريكي/ميغاواط/ساعة في عام 2010. وقد انخفض مُعدّل كفاءة الطاقة (LCOE) للطاقة الشمسية الكهروضوئية بشكل ملحوظ منذ عام 2010، ويتراوح حاليًا بين 30 و50 دولارًا أمريكيًا/ميغاواط/ساعة. ونظرًا لتشابه تقنية الخلايا الكهروليتية مع المعيار الصناعي لإنتاج الخلايا الشمسية الكهروضوئية، فمن المُرجّح أن تتبع تقنية الخلايا الكهروليتية مسارًا مُشابهًا لمسار الخلايا الشمسية الكهروضوئية من حيث تكلفة الوحدة، وذلك خلال الفترة 2020-2030. في الوقت نفسه، انخفض مُعدّل كفاءة الطاقة (LCOE) لطاقة الرياح بشكل ملحوظ خلال العقد الماضي، ولكن بنسبة أقل (حوالي 50% في البحر و60% في البر).

تستخدم بلادنا مصادر الطاقة المتجددة (مثل طاقة الرياح، والطاقة الكهروضوئية، والطاقة الكهرومائية) لإنتاج الهيدروجين المائي الكهربائي. عند تحديد سعر الكهرباء بأقل من 0.25 يوان/كيلوواط ساعة، تكون كفاءة تكلفة إنتاج الهيدروجين الاقتصادية النسبية (15.3 إلى 20.9 يوان/كيلوغرام). يوضح الجدول 1 المؤشرات الفنية والاقتصادية لإنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي القلوي والتحليل الكهربائي لبوليمر البروتون (PEM).

طريقة حساب تكلفة إنتاج الهيدروجين الكهربائي موضحة في المعادلتين (1) و(2). تكلفة الطاقة المولدة = التكلفة الثابتة / (كمية إنتاج الهيدروجين × العمر الافتراضي) + تكلفة التشغيل (1). تكلفة التشغيل = استهلاك الكهرباء لإنتاج الهيدروجين × سعر الكهرباء + سعر المياه + تكلفة صيانة المعدات (2). بأخذ مشاريع التحليل الكهربائي القلوي والتحليل الكهربائي بتقنية غشاء البروتون (PEM) (1000 نيوتن متر مكعب/ساعة) كمثال، نفترض أن دورة حياة المشروعين تبلغ 20 عامًا وعمرهما التشغيلي 9 × 104 ساعة. تُحسب التكلفة الثابتة لخلية التحليل الكهربائي، وجهاز تنقية الهيدروجين، ورسوم المواد، ورسوم الإنشاءات المدنية، ورسوم خدمة التركيب، وغيرها من البنود، بمبلغ 0.3 يوان/كيلوواط ساعة للتحليل الكهربائي. يوضح الجدول 2 مقارنة التكاليف.

بالمقارنة مع طرق إنتاج الهيدروجين الأخرى، إذا كان سعر الكهرباء من الطاقة المتجددة أقل من 0.25 يوان/كيلوواط ساعة، يمكن خفض تكلفة الهيدروجين الأخضر إلى حوالي 15 يوان/كيلوغرام، مما يبدأ في تحقيق ميزة التكلفة. في سياق الحياد الكربوني، ومع انخفاض تكاليف توليد الطاقة من الطاقة المتجددة، والتطوير واسع النطاق لمشاريع إنتاج الهيدروجين، وخفض استهلاك طاقة الخلايا الكهروليتية وتكاليف الاستثمار، وتوجيه ضريبة الكربون والسياسات الأخرى، سيكون طريق خفض تكلفة الهيدروجين الأخضر واضحًا تدريجيًا. في الوقت نفسه، نظرًا لأن إنتاج الهيدروجين من مصادر الطاقة التقليدية سيتم خلطه بالعديد من الشوائب ذات الصلة مثل الكربون والكبريت والكلور، وتكلفة التنقية المتراكبة وCCUS، فقد تتجاوز تكلفة الإنتاج الفعلية 20 يوان/كيلوغرام.