تحليل اقتصادي لإنتاج الهيدروجين الأخضر عن طريق التحليل الكهربائي من مصادر الطاقة المتجددة

بدأت دول عديدة بوضع أهداف استراتيجية للطاقة الهيدروجينية، وتتجه بعض الاستثمارات نحو تطوير تقنيات الهيدروجين الأخضر. ويقود الاتحاد الأوروبي والصين هذا التطور، ساعيين إلى تحقيق الريادة في مجال التكنولوجيا والبنية التحتية. في الوقت نفسه، أصدرت كل من اليابان وكوريا الجنوبية وفرنسا وألمانيا وهولندا ونيوزيلندا وأستراليا استراتيجيات للطاقة الهيدروجينية، ووضعت خططًا تجريبية منذ عام 2017. وفي عام 2021، أصدر الاتحاد الأوروبي متطلبات استراتيجية للطاقة الهيدروجينية، مقترحًا زيادة الطاقة التشغيلية لإنتاج الهيدروجين في الخلايا الإلكتروليتية إلى 6 جيجاواط بحلول عام 2024 بالاعتماد على طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وإلى 40 جيجاواط بحلول عام 2030، على أن تُزاد طاقة إنتاج الهيدروجين في الاتحاد الأوروبي إلى 40 جيجاواط من خلال إضافة 40 جيجاواط أخرى خارج الاتحاد.

كما هو الحال مع جميع التقنيات الجديدة، ينتقل الهيدروجين الأخضر من مرحلة البحث والتطوير الأولية إلى مرحلة التطوير الصناعي الرئيسي، مما يؤدي إلى انخفاض تكاليف الوحدة وزيادة الكفاءة في التصميم والبناء والتركيب. تتكون تكلفة الهيدروجين الأخضر (LCOH) من ثلاثة عناصر: تكلفة الخلية الإلكتروليتية، وسعر الكهرباء المتجددة، وتكاليف التشغيل الأخرى. بشكل عام، تمثل تكلفة الخلية الإلكتروليتية حوالي 20% إلى 25% من تكلفة الهيدروجين الأخضر (LCOH)، بينما تمثل تكلفة الكهرباء النسبة الأكبر (70% إلى 75%). أما تكاليف التشغيل فهي منخفضة نسبيًا، وعادةً ما تقل عن 5%.

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

طُوّرت تقنية الطاقة الشمسية الكهروضوئية في سبعينيات القرن الماضي، وبلغ سعر تكلفة إنتاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية (LCoE) حوالي 500 دولار أمريكي/ميغاواط ساعة في عام 2010. وقد انخفضت تكلفة إنتاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية بشكل ملحوظ منذ ذلك الحين، لتتراوح حاليًا بين 30 و50 دولارًا أمريكيًا/ميغاواط ساعة. وبالنظر إلى أن تقنية الخلايا الإلكتروليتية تُشابه المعيار الصناعي لإنتاج الخلايا الكهروضوئية الشمسية، فمن المرجح أن تسلك تقنية الخلايا الإلكتروليتية مسارًا مشابهًا لمسار الخلايا الكهروضوئية الشمسية من حيث تكلفة الوحدة خلال الفترة من 2020 إلى 2030. وفي الوقت نفسه، انخفضت تكلفة إنتاج الطاقة من طاقة الرياح بشكل ملحوظ خلال العقد الماضي، ولكن بنسبة أقل (حوالي 50% في طاقة الرياح البحرية و60% في طاقة الرياح البرية).

تستخدم بلادنا مصادر الطاقة المتجددة (مثل طاقة الرياح، والطاقة الشمسية الكهروضوئية، والطاقة الكهرومائية) لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء. وعندما يكون سعر الكهرباء أقل من 0.25 يوان/كيلوواط ساعة، تكون تكلفة إنتاج الهيدروجين ذات كفاءة اقتصادية نسبية (15.3 ~ 20.9 يوان/كيلوغرام). يوضح الجدول 1 المؤشرات الفنية والاقتصادية لإنتاج الهيدروجين باستخدام التحليل الكهربائي القلوي والتحليل الكهربائي باستخدام غشاء تبادل البروتونات (PEM).

تُوضح المعادلتان (1) و(2) طريقة حساب تكلفة إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي. تكلفة إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي = التكلفة الثابتة / (كمية إنتاج الهيدروجين × العمر الافتراضي) + تكلفة التشغيل (1). تكلفة التشغيل = إنتاج الهيدروجين × استهلاك الكهرباء × سعر الكهرباء + سعر الماء + تكلفة صيانة المعدات (2). كمثال، نأخذ مشاريع التحليل الكهربائي القلوي والتحليل الكهربائي باستخدام غشاء تبادل البروتونات (PEM) (1000 متر مكعب قياسي/ساعة)، ونفترض أن العمر الافتراضي الكامل للمشاريع هو 20 عامًا، وأن العمر التشغيلي هو 9 × 10⁴ ساعة. تُحسب التكلفة الثابتة لخلية التحليل الكهربائي، وجهاز تنقية الهيدروجين، ورسوم المواد، ورسوم الإنشاءات المدنية، ورسوم خدمة التركيب، وغيرها من البنود، بمعدل 0.3 يوان/كيلوواط ساعة للتحليل الكهربائي. يُبين الجدول 2 مقارنة التكاليف.

بالمقارنة مع طرق إنتاج الهيدروجين الأخرى، إذا كان سعر الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة أقل من 0.25 يوان/كيلوواط ساعة، يمكن خفض تكلفة الهيدروجين الأخضر إلى حوالي 15 يوان/كيلوغرام، مما يجعله منافسًا اقتصاديًا. وفي سياق الحياد الكربوني، ومع انخفاض تكاليف توليد الطاقة من مصادر الطاقة المتجددة، والتوسع الكبير في مشاريع إنتاج الهيدروجين، وانخفاض استهلاك الطاقة وتكاليف الاستثمار في خلايا التحليل الكهربائي، وتوجيهات ضريبة الكربون وغيرها من السياسات، سيتضح تدريجيًا مسار خفض تكلفة الهيدروجين الأخضر. في الوقت نفسه، نظرًا لأن إنتاج الهيدروجين من مصادر الطاقة التقليدية سيختلط بالعديد من الشوائب مثل الكربون والكبريت والكلور، بالإضافة إلى تكلفة التنقية الإضافية واحتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه، فقد تتجاوز تكلفة الإنتاج الفعلية 20 يوان/كيلوغرام.