تحلیل اقتصادی تولید هیدروژن سبز به روش الکترولیز از منابع انرژی تجدیدپذیر

کشورهای بیشتری شروع به تعیین اهداف استراتژیک برای انرژی هیدروژنی کرده‌اند و برخی از سرمایه‌گذاری‌ها به سمت توسعه فناوری هیدروژن سبز گرایش دارند. اتحادیه اروپا و چین در این توسعه پیشرو هستند و به دنبال مزایای پیشگام در فناوری و زیرساخت‌ها می‌باشند. در همین حال، ژاپن، کره جنوبی، فرانسه، آلمان، هلند، نیوزیلند و استرالیا همگی از سال ۲۰۱۷ استراتژی‌های انرژی هیدروژنی را منتشر کرده و برنامه‌های آزمایشی را توسعه داده‌اند. در سال ۲۰۲۱، اتحادیه اروپا یک الزام استراتژیک برای انرژی هیدروژنی صادر کرد و پیشنهاد داد که ظرفیت عملیاتی تولید هیدروژن در سلول‌های الکترولیتی تا سال ۲۰۲۴ با تکیه بر انرژی باد و خورشید به ۶ گیگاوات و تا سال ۲۰۳۰ به ۴۰ گیگاوات افزایش یابد. ظرفیت تولید هیدروژن در اتحادیه اروپا با ۴۰ گیگاوات اضافی در خارج از اتحادیه اروپا به ۴۰ گیگاوات افزایش خواهد یافت.

همانند تمام فناوری‌های جدید، هیدروژن سبز از تحقیق و توسعه اولیه به توسعه صنعتی اصلی در حال حرکت است که منجر به کاهش هزینه‌های واحد و افزایش بهره‌وری در طراحی، ساخت و نصب می‌شود. هیدروژن سبز LCOH از سه جزء تشکیل شده است: هزینه سلول الکترولیتی، قیمت برق تجدیدپذیر و سایر هزینه‌های عملیاتی. به طور کلی، هزینه سلول الکترولیتی حدود 20٪ تا 25٪ از هیدروژن سبز LCOH و بیشترین سهم برق (70٪ تا 75٪) را تشکیل می‌دهد. هزینه‌های عملیاتی نسبتاً کم، عموماً کمتر از 5٪ هستند.

در سطح بین‌المللی، قیمت انرژی تجدیدپذیر (عمدتاً انرژی خورشیدی و بادی در مقیاس صنعتی) طی 30 سال گذشته به طور قابل توجهی کاهش یافته است و هزینه انرژی برابر شده (LCOE) آن اکنون نزدیک به هزینه انرژی زغال سنگ (30 تا 50 دلار در هر مگاوات ساعت) است که باعث می‌شود انرژی‌های تجدیدپذیر در آینده از نظر هزینه رقابتی‌تر باشند. هزینه‌های انرژی تجدیدپذیر همچنان سالانه 10 درصد کاهش می‌یابد و تا حدود سال 2030 هزینه‌های انرژی تجدیدپذیر به حدود 20 دلار در هر مگاوات ساعت خواهد رسید. هزینه‌های عملیاتی را نمی‌توان به طور قابل توجهی کاهش داد، اما هزینه‌های واحد سلول را می‌توان کاهش داد و منحنی هزینه یادگیری مشابهی برای سلول‌ها مانند انرژی خورشیدی یا بادی انتظار می‌رود.

سلول‌های خورشیدی فتوولتائیک در دهه ۱۹۷۰ توسعه یافتند و قیمت LCoE های خورشیدی فتوولتائیک در سال ۲۰۱۰ حدود ۵۰۰ دلار در هر مگاوات ساعت بود. LCOE خورشیدی فتوولتائیک از سال ۲۰۱۰ به طور قابل توجهی کاهش یافته و در حال حاضر ۳۰ تا ۵۰ دلار در هر مگاوات ساعت است. با توجه به اینکه فناوری سلول الکترولیتی مشابه معیار صنعتی برای تولید سلول‌های فتوولتائیک خورشیدی است، از سال ۲۰۲۰ تا ۲۰۳۰، فناوری سلول الکترولیتی احتمالاً از نظر هزینه واحد، مسیری مشابه سلول‌های فتوولتائیک خورشیدی را طی خواهد کرد. در عین حال، LCOE برای انرژی بادی در طول دهه گذشته به طور قابل توجهی کاهش یافته است، اما با مقدار کمتری (حدود ۵۰ درصد در فراساحل و ۶۰ درصد در خشکی).

کشور ما از منابع انرژی تجدیدپذیر (مانند انرژی باد، فتوولتائیک، برق آبی) برای تولید هیدروژن آب الکترولیتی استفاده می‌کند، هنگامی که قیمت برق در 0.25 یوان بر کیلووات ساعت زیر کنترل باشد، هزینه تولید هیدروژن دارای راندمان اقتصادی نسبی (15.3 ~ 20.9 یوان بر کیلوگرم) است. شاخص‌های فنی و اقتصادی الکترولیز قلیایی و الکترولیز PEM برای تولید هیدروژن در جدول 1 نشان داده شده است.

روش محاسبه هزینه تولید هیدروژن الکترولیتی در معادلات (1) و (2) نشان داده شده است. LCOE = هزینه ثابت / (مقدار تولید هیدروژن x طول عمر) + هزینه عملیاتی (1) هزینه عملیاتی = تولید هیدروژن، مصرف برق x قیمت برق + قیمت آب + هزینه نگهداری تجهیزات (2) با در نظر گرفتن پروژه‌های الکترولیز قلیایی و الکترولیز PEM (1000 Nm3/h) به عنوان مثال، فرض کنید کل چرخه عمر پروژه‌ها 20 سال و طول عمر عملیاتی 9×104 ساعت است. هزینه ثابت بسته سلول الکترولیتی، دستگاه تصفیه هیدروژن، هزینه مواد، هزینه ساخت و ساز عمرانی، هزینه خدمات نصب و سایر موارد برای الکترولیز 0.3 یوان بر کیلووات ساعت محاسبه می‌شود. مقایسه هزینه‌ها در جدول 2 نشان داده شده است.

در مقایسه با سایر روش‌های تولید هیدروژن، اگر قیمت برق انرژی‌های تجدیدپذیر کمتر از 0.25 یوان بر کیلووات ساعت باشد، هزینه هیدروژن سبز می‌تواند به حدود 15 یوان بر کیلوگرم کاهش یابد که این امر مزیت هزینه‌ای را به همراه خواهد داشت. در زمینه خنثی‌سازی کربن، با کاهش هزینه‌های تولید برق از انرژی‌های تجدیدپذیر، توسعه گسترده پروژه‌های تولید هیدروژن، کاهش مصرف انرژی پیل الکترولیتی و هزینه‌های سرمایه‌گذاری و هدایت مالیات کربن و سایر سیاست‌ها، مسیر کاهش هزینه هیدروژن سبز به تدریج هموار خواهد شد. در عین حال، از آنجا که تولید هیدروژن از منابع انرژی سنتی با بسیاری از ناخالصی‌های مرتبط مانند کربن، گوگرد و کلر و هزینه تصفیه اضافی و CCUS مخلوط می‌شود، هزینه واقعی تولید ممکن است از 20 یوان بر کیلوگرم فراتر رود.