ניתוח כלכלי של ייצור מימן ירוק על ידי אלקטרוליזה ממקורות אנרגיה מתחדשים

יותר ויותר מדינות מתחילות לקבוע יעדים אסטרטגיים לאנרגיית מימן, וחלק מההשקעות נוטות לפיתוח טכנולוגיית מימן ירוקה. האיחוד האירופי וסין מובילות פיתוח זה, ומחפשות יתרונות של "ראשונים" בטכנולוגיה ובתשתיות. בינתיים, יפן, דרום קוריאה, צרפת, גרמניה, הולנד, ניו זילנד ואוסטרליה פרסמו כולן אסטרטגיות לאנרגיית מימן ופיתחו תוכניות פיילוט מאז 2017. בשנת 2021, האיחוד האירופי פרסם דרישה אסטרטגית לאנרגיית מימן, והציע להגדיל את כושר הייצור התפעולי של מימן בתאים אלקטרוליטיים ל-6 ג'יגה-וואט עד 2024 על ידי הסתמכות על אנרגיית רוח ואנרגיה סולארית, ול-40 ג'יגה-וואט עד 2030, כושר ייצור המימן באיחוד האירופי יוגדל ל-40 ג'יגה-וואט על ידי 40 ג'יגה-וואט נוספים מחוץ לאיחוד האירופי.

כמו בכל הטכנולוגיות החדשות, מימן ירוק עובר ממחקר ופיתוח ראשוניים לפיתוח תעשייתי מיינסטרימי, מה שמביא לעלויות יחידה נמוכות יותר ויעילות מוגברת בתכנון, בנייה והתקנה. עלות תא אלקטרוליטי (LCOH) של מימן ירוק מורכבת משלושה מרכיבים: עלות תא אלקטרוליטי, מחיר חשמל מתחדש ועלויות תפעול אחרות. באופן כללי, עלות התא האלקטרוליטי מהווה כ-20% ~ 25% מכלל תאי המימן הירוק (LCOH), ואת החלק הגדול ביותר של החשמל (70% ~ 75%). עלויות התפעול קטנות יחסית, בדרך כלל פחות מ-5%.

מבחינה בינלאומית, מחיר האנרגיה המתחדשת (בעיקר אנרגיה סולארית ואנרגיית רוח בקנה מידה גדול) ירד משמעותית ב-30 השנים האחרונות, ועלות האנרגיה המשוקללת שלה (LCOE) קרובה כעת לזו של אנרגיה פחמית (30-50 דולר למגה-וואט-שעה), מה שהופך את האנרגיות המתחדשות לתחרותיות יותר מבחינת עלויות בעתיד. עלויות האנרגיה המתחדשת ממשיכות לרדת ב-10% בשנה, ובסביבות שנת 2030 עלויות האנרגיה המתחדשת יגיעו לכ-20 דולר למגה-וואט-שעה. לא ניתן להפחית משמעותית את עלויות התפעול, אך ניתן להפחית את עלויות יחידת התא וצפויה עקומת עלויות למידה דומה לתאים כמו עבור אנרגיית שמש או רוח.

אנרגיה סולארית פוטו-וולטאית פותחה בשנות ה-70 ומחירם של אנרגיה סולארית נמוכה (LCoE) בשנת 2010 עמד על כ-500 דולר ל-MWh. עלות ייצור התאים האלקטרוליטיים (LCoE) של אנרגיה סולארית פוטו-וולטאית (LCoE) ירדה משמעותית מאז 2010 וכיום היא עומדת על 30 עד 50 דולר ל-MWh. בהתחשב בכך שטכנולוגיית התאים האלקטרוליטיים דומה לנקודת ייחוס התעשייתית לייצור תאים פוטו-וולטאיים סולאריים, בין השנים 2020-2030, טכנולוגיית התאים האלקטרוליטיים צפויה לעקוב אחר מסלול דומה לזה של תאים פוטו-וולטאיים סולאריים מבחינת עלות יחידה. במקביל, עלות ייצור התאים האלקטרוליטיים (LCOE) עבור אנרגיה סולארית ירדה משמעותית בעשור האחרון, אך בשיעור קטן יותר (כ-50 אחוז ימיים ו-60 אחוז יבשתיים).

ארצנו משתמשת במקורות אנרגיה מתחדשים (כגון אנרגיית רוח, אנרגיית פוטו-וולטאית, אנרגיה הידרואלקטרית) לייצור מימן אלקטרוליטי במים. כאשר מחיר החשמל נשלט על פחות מ-0.25 יואן/קוט"ש, לעלות ייצור המימן יש יעילות כלכלית יחסית (15.3 ~ 20.9 יואן/ק"ג). אינדיקטורים טכניים וכלכליים של ייצור מימן באלקטרוליזה אלקלית ובאלקטרוליזה של PEM מוצגים בטבלה 1.

שיטת חישוב העלויות של ייצור מימן אלקטרוליטי מוצגת במשוואות (1) ו-(2). LCOE = עלות קבועה/(כמות ייצור מימן x אורך חיים) + עלות תפעול (1) עלות תפעול = צריכת חשמל לייצור מימן x מחיר חשמל + מחיר מים + עלות תחזוקת ציוד (2) ניקח לדוגמה פרויקטים של אלקטרוליזה אלקלית ואלקטרוליזה של PEM (1000 Nm3/h), נניח שמחזור החיים הכולל של הפרויקטים הוא 20 שנים ואורך החיים התפעולי הוא 9×104h. העלות הקבועה של חבילה של תא אלקטרוליטי, התקן טיהור מימן, דמי חומרים, דמי בנייה אזרחית, דמי שירות התקנה ופריטים אחרים מחושבת ב-0.3 יואן/קוט"ש עבור אלקטרוליזה. השוואת העלויות מוצגת בטבלה 2.

בהשוואה לשיטות ייצור מימן אחרות, אם מחיר החשמל של אנרגיה מתחדשת נמוך מ-0.25 יואן/קוט"ש, ניתן להפחית את עלות המימן הירוק לכ-15 יואן/ק"ג, מה שמתחיל להיות בעל יתרון עלות. בהקשר של ניטרליות פחמן, עם הפחתת עלויות ייצור החשמל מאנרגיה מתחדשת, פיתוח בקנה מידה גדול של פרויקטים לייצור מימן, הפחתת צריכת האנרגיה של תאים אלקטרוליטיים ועלויות ההשקעה, והנחיית מס פחמן ומדיניות אחרת, הדרך להפחתת עלויות המימן הירוק תתבהר בהדרגה. יחד עם זאת, מכיוון שייצור מימן ממקורות אנרגיה מסורתיים יהיה מעורבב עם זיהומים קשורים רבים כגון פחמן, גופרית וכלור, ועלות הטיהור וה-CCUS המווספים, עלות הייצור בפועל עשויה לעלות על 20 יואן/ק"ג.