CN115204929A - 电解制氢经济性分析与电-氢价格转换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电解制氢经济性分析与电‑氢价格转换方法，主要包括：考虑制氢站的电化学能效‑功率点及电解槽的成本‑规模统计数据，成本‑运行功率点的理论、试验及统计数据，设备的工程特性等，获取成本‑规模/成本‑运行功率点的确定性关系，获取合理的精确经济性公式，根据经济性评估的平均固定成本‑平均成本‑收益关系，在制氢站当前状况下的可行性进行分析和期望计算，给出具有经济可行性的等效氢价和电价。该方法可以根据输入氢价或电价准确的进行氢价‑电价转换，适用于国内碱性电解液制氢站在不同期望收益率、建设初期的项目投资经济可行性分析的电价‑氢价转换，运行期间的经济性策略制定，还可以辅助氢气定价，适用范围较广。
Description
技术领域
本发明涉及电解制氢经济可行性电-氢价格转换计算方法，属于电解制氢经济可行性电-氢价格转换计算技术。
背景技术
随着全球气候变暖，及化石能源的不可再生性，发掘可再生的清洁能源成为目前各个国家社会的关注重点。而氢能作为燃烧后零碳排放的燃料，由具有高热值，逐渐引起人们的关注，并且逐步推出了燃料电池汽车。为了推广氢燃料电池汽车的使用，制氢站的建设迫在眉睫，目前的国内市场产品最为成熟，效率最高并且产量可以满足加氢要求的仅有碱性电解液制氢技术。碱性电解制氢工艺经历了水平式和立式石墨阳极石棉隔膜电解槽，金属阳极石棉隔膜电解槽，发展到如今的离子交换膜电解槽。目前大部分采用最佳浓度附近为20％-30％间的NaOH或KOH溶液作为电解质，隔膜主要用于分离两级气体，电极如今多采用Raney Ni、Ni-Mo和Ni-Cr-Fe，主要用于电催化分解水，其理论效率可达74％～79％，安全运行功率区间一般为20％～100％。2019年氢能首次写入政府工作报告，全国多省市出台了氢能发展规划，并且出台加氢站、氢燃料电池车等终端应用市场补贴优惠政策，这意味着国家大力发展氢能的应用，氢能将逐渐进入能源市场与石油等化石能源进行竞争。然而，建设碱性电解液制氢站是否具有经济效益，是否具有吸引企业投资的收益率，是目前推广制氢站建设的基础，然而电力、电化学分析均较为复杂且与经济性分析领域跨越较大，一般的企业较难兼具可以进行这三方面分析的人才。是以如何根据碱性电解槽的物理化学特性，对制氢站进行可行性、经济性的电价-氢价转换，以辅助各团体进行准确便捷的经济性分析、决策，有效的进行制氢站投资决策、运行策略制定和定价，进行成为亟需解决的问题。
针对制氢站等电解制氢的经济性评估和可行性研究问题，以往大量研究是针对一定场景下的制氢系统，进行一定的经济性分析，研究如何配置系统的单位制氢成本最低，文献《新能源制氢配置及经济性研究》、《氢综合利用经济性分析》、《绿色氢能在甘肃县域的应用场景探索》、《Research on Integrated System of Non-Grid-Connected Wind Powerand Water-Electrolytic Hydrogen Productionn》考虑了电网约束和经济性，一定程度参考了电解槽效率，给出了很多有益结论，但均只适用于某一类特定制氢系统或配置对象。文献《风电制氢经济性及发展前景分析》考虑了通用的经济性评估模型，但是没有考虑电化学方面的制氢和各个变量的确定性关系，没有考虑具体规模-成本关系，也没有考虑电解槽运行功率点对成本的影响，利用目前的大致价格和应用现状，对制氢系统经济性进行分析。对于电解槽效率，可根据电化学原理进行具体分析。文献《考虑制氢效率特性的风氢系统容量优化》、《Hydrogen Gas Production Using Water Electrolyzer as Hydrogen Power》、《Optimization of physico-chemical parameters of hydrogen production byelectrolysis of water》通进行了较为细致的电化学分析，分别对电解效率受运行功率点变化的影响和物理化学各个参数对效率的影响进行了理论或实验分析，有较好的参考价值；效率方面，采用热中性电压作为基准，并不能代表电解槽的实际效率，所得效率较实际效率而言偏高，并且也没有提出运行功率点及电解槽规模与固定成本准确关系。文献《基于动态电价风光电制氢容量配置优化》考虑并了动态电价和控制策略的影响，但是并没有对电解槽进行电化学分析，也没有考虑运行功率点和规模与平均固定成本的影响，不能适用于不同场景配置下的制氢站建设的精确经济性分析。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有分析方法中的不足，提供电解制氢经济可行性分析与电-氢价格转换计算方法，提供功率运行点及电解槽规模与平均成本间的确定性关系，用于碱性电解液制氢站在实际应用中的电-氢价格的经济性转换的精确计算。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
电解制氢经济性分析与电-氢价格转换方法，包括下述步骤：
(1)根据需求确定可行性氢价-电价转换或预期收益的氢价-电价转换，可行性氢价-电价转换取当前的银行基准利率为γ，预期收益的氢价-电价转换则需输入预期内部收益率γ。
(2)选择氢价转电价，并输入氢价PreicemH,单位为元/kg；或者电价转氢价，并输入电价Preiceelec，单位为元/kWh。
(3)确定平均固定成本AFC
其中
其中，CF为碱性电解液电解槽期初的单位产量固定投资单位为万元/(Nm3/h)：
CF＝27.36Q-0.5095-0.5409 (3)
式(3)由统计了国内多家厂家，规模在0-1500Nm3/h的各个规模序列的全套设备工程报价，求取均值，并求取单位产量的价格，然后进行规模-单位成本的曲线拟合而来，式中Q为电解槽规模。
其中，R为电解槽的运行功率点
n为期望的投资回收年限；t为年利用时间按8760h计；γ为期望的内部收益率或者当前的基准收益率，由用户确定或由当时的银行基准利率确定，Q为电解槽规模，P为电解槽当前运行功率，Pn为电解槽满载状况下的额定运行功率。
(4)根据经济性公式(5)，推出式(6)、(7)进行氢价-电价转换：
其中，s1为电价从元/kWh至元/Nm3的转换系数
其中，s2为制取单位Nm3氢气的用水价格与立方米水价的转换系数
其中，s3为氢价元/kg至元/Nm3的转换系数
式(8)中ηe为电解槽效率：
式中，F为法拉第常数96485.338C/mol，Z为单位反应电子转移数为2，HHV为氢气高热值为285.8kJ，ηI为电解槽的电流效率，T为热力学温度，Welec_theory为分解获得1Nm3氢气所需要的理论电能，Pricewater为每立方米水价，Mwater为水的摩尔质量，ρwater为水的密度，v1为标方和立方米的体积换算系数，v2为标况下氢气的摩尔体积，v3为每标方氢气质量，v4为kg与g的质量转换系数。其中q1＝1.252，q2＝2.4516×10-5，r1＝2×10-7，r2＝10-11，c1＝0.0008，c2＝2.378×10-3，c3＝-6×10-6，t1＝9×10-4，t2＝-0.3029×10-2，t3＝0.1913，α＝0.4均为常数，通过实际4Nm3/h设备进行电化学实验测量结合电化学分析拟合而来，极板等效面积Aele＝0.65，In为碱性电解液电解槽的额定电流，R为电解槽的运行功率点；AC为平均单位成本简称平均成本；所得结果返回给用户即可完成经济可行性电-氢价格转换。
与现有技术相比，本发明的优点有：
(1)提出的制氢站经济可行性电-氢价格转换计算，考虑单独制氢站的输入输出价格和电化学和经济性分析；由于计算简便，不需进行专业分析，适用于各专业工程师对项目进行价格转换和评估，适用于制氢站的投资决策，建成后的运行策略确定，以及氢气定价等方面，适用范围广。
(2)该计算方法考虑运行点与效率及成本关系，进行了具体的电化学分析和电化学实验，对效率进行准确的电化学分析，根据实验和拟合得到准确电解槽效率公式，保证了计算结果的准确性。
(3)该计算方法考虑规模对单位成本的影响，对国内市场现有产品规模0-1500Nm3/h和对应厂家报价进行大量统计和处理，并进行拟合，获取明确的规模-单位产量固定投资关系，考虑更为全面，计算结果更具有实际投资的参考意义。
综上，使用本发明提出的电-氢价格的快速经济性转换计算方法，可较为准确的进行项目的可行性或经济性需求下的氢-电价格转换，为制氢站投资决策、运行策略确定和氢气定价提供参考和建议。
附图说明
图1是不同温度下的实测效率-电流(功率点)曲线。
图2是单位成本与规模关系曲线。
图3是统计实际碱性电解液电解槽单位规模固定成本均值与规模关系图。
图4是功率点与平均成本关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
根据用户需求确定可行性氢价-电价转换或预期收益的氢价-电价转换，前者γ取值为近年的银行基准利率，后者的价格转换则需输入预期内部收益率γ。
选择氢价转电价，并输入氢价；或者电价转氢价，并输入电价。
确定平均固定成本
γ取值为0.05，略微大于近年的基准利率4.9％，按15年无大修的投资回收年限，计算平均固定成本AFC：
其中
其中，CF为期初50Nm3/h规模碱性电解液电解槽的单位产量固定投资，按式(3)计算
CF＝27.36Q-0.5095-0.5409＝3.187 (3)
为3.187万元/(Nm3/h)，单位为万元，n为预计投资回收年限，按15年无需大修计；R为电解槽的运行功率点，按80％功率点考虑；t为年利用时间按8760h计；γ为期望的内部收益率，由用户确定。
①进行电价-氢价转换,设电价为工业电度电价0.639元/kWh，水价为工业用水价41元/m3：
这意味着电价在0.639元/kWh，水价41元/m3，在15年的运行年限，5％的收益率，年平均功率在80％左右时，规模50Nm3/h制氢站，氢价或其定价需大于42.7元/kg方具有经济可行性。
②若进行氢价-电价转换，水价为工业水价41元/m3，氢价为48元/kg较燃油用车有竞争力，则电价为：
这意味着氢价在48元/kg，水价41元/m3，在15年的运行年限，5％的收益率，年平均功率在80％左右时，规模50Nm3/h制氢站，电价需低于0.729元/Kwh，方具有经济可行性。
其中，s1为电价从元/kWh至元/Nm3的转换系数，s2为制取单位Nm3氢气的用水价格与立方米水价的转换系数，s3为氢价元/kg至元/Nm3的转换系数。计算如式(8)(9)(10)
其中，ηe按70摄氏度，1atm，运行功率点为80％，电流效率ηI按统计取0.85，按式(11)计算
结果返回给用户即可完成经济可行性电-氢价格转换。
根据上述技术方案，综上：
1、本方法进行氢-电价格转化时，R为功率点，成本考虑了效率与功率点的关系，功率点与效率的关系如式(11)，由图1实测效率曲线结合电化学分析拟合而来；从而获取功率点与平均成本关系式(5)绘制附图4，可见成本随功率点升高而下降，期望功率点尽量接近1，考虑到实际情况下波动，成本随功率点波动，在0.6-1间的成本波动相对较小小于0.2元/Nm3，选取均值为0.8较为合理
其中设置计算情况在70摄氏度，压力为1atm，额定电流密度为500A条件下的电解槽效率ηe可简化如下：
式中F为法拉第常数，Z为电子转移数为2，HHV为氢气高热值，ηI为电流效率，根据目前国内厂家碱性电解液实际效率统计均值可取0.85。t1，t2，t3，t4为常数，其中t1为计算状况下的单位电解槽可逆电压，为1.244；t2为极板等效面积及温度压强的函数，在计算状况下为9.74307×10-5，t3为温度的函数0.125716，t4为温度压强及极板面积的函数在计算状况下为308.38。实测效率如附图1，考虑到电解槽温度、压力可控且不会频繁调整，且实测的效率随温度的变化量不大，可以选择70摄氏度作为计算基准，以简化计算。
2、式(3)为式(2)中的期初单位产量固定投资公式，来源于对国内多家碱性电解液电解槽厂家的规模为0-1500Nm3/h的整体报价拟合而来，式(3)中Q为电解槽规模，根据式(1)可绘制附图2，可见Q在50-1500Nm3/h容量间，制氢成本下降不超过0.422元/Nm3，而2-50Nm3/h制氢成本下降2.13元/Nm3，考虑到制氢站规模过小不经济，是以选择Q为50Nm3/h的规模代替50-1500Nm3/h的电解槽，即可以充分保证经济性可行，也不会产生过大的误差。同时统计获取的多家单位各规格序列的单位产量固定投资关系见附图3，由该部分数据拟合获取式(3)。
CF＝27.36Q-0.5059-0.5409＝3.187 (3)
3、γ取值的确定可参考银行贷款的基准利率作为社会收益率，可以保证成本回收。氢价高于转换值时经济可行，电价低于转换值时经济可行。
Claims (3)
1.电解制氢经济性分析与电-氢价格转换方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)根据需求确定可行性氢价-电价转换或预期收益的氢价-电价转换，可行性氢价-电价转换取当前的银行基准利率为γ，预期收益的氢价-电价转换则需输入预期内部收益率γ；
(2)选择氢价转电价，并输入氢价PricemH,单位为元/kg；或者电价转氢价，并输入电价Priceelec，单位为元/kWh；
(3)计算平均固定成本AFC：
其中
其中，CF为碱性电解液电解槽期初的单位产量固定投资单位为万元/(Nm3/h)：
CF＝27.36Q-0.5095-0.5409 (3)
其中，R为电解槽的运行功率点
n为期望的投资回收年限；t为年利用时间按8760h计；γ为期望的内部收益率或者当前的基准收益率，由用户确定或由当时的银行基准利率确定，Q为电解槽规模，P为电解槽当前运行功率，Pn为电解槽满载状况下的额定运行功率；
(4)根据经济性成本公式(5)，推出式(6)、(7)进行氢价-电价转换：
其中，s1为电价从元/kWh至元/Nm3的转换系数
其中，s2为制取单位Nm3氢气的用水价格与每m3水价的转换系数
其中，s3为氢价元/kg至元/Nm3的转换系数
式(8)中ηe为电解槽效率：
式中，F为法拉第常数96485.338C/mol，Z为单位反应电子转移数为2，HHV为氢气高热值为285.8kJ，ηI为电解槽的电流效率，T为热力学温度，Welec_theory为分解获得1Nm3氢气所需要的理论电能，Pricewater为每立方米水价，Mwater为水的摩尔质量，ρwater为水的密度，v1为标方和立方米的体积换算系数，v2为标况下氢气的摩尔体积，v3为每标方氢气质量，v4为kg与g的质量转换系数。其中q1＝1.252，q2＝2.4516×10-5，r1＝2×10-7，r2＝10-11，c1＝0.0008，c2＝2.378×10-3，c3＝-6×10-6，t1＝9×10-4，t2＝-0.3029×10-2，t3＝0.1913，α＝0.4均为常数，通过实际4Nm3/h设备进行电化学实验测量结合电化学分析拟合而来，极板等效面积Aele＝0.65，In为碱性电解液电解槽的额定电流，R为电解槽的运行功率点，AC为平均单位成本简称平均成本；所得结果返回给用户即可完成经济可行性电-氢价格转换。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的经济性成本公式(5)，考虑了AC受运行功率点的影响，并且获取了确定性的关系：
进行氢-电价格转化时，式(1)所述的平均固定成本；考虑了运行功率点降低造成的平均固定成本增加；
进行氢-电价格转化时，式(5)所述的AC，考虑了运行功率点对电解槽效率的影响，根据电化学分析和实验的方法，测试并拟合了效率-电解槽功率运行点关系式，并带入至经济成本公式(5)，考虑变化的电解槽运行点对于AC的影响。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的单位产量的固定投资计算公式考虑了电解槽规模的影响，并获取其确定关系。式(3)所述的单位产量的固定投资；式通过收集统计了国内多家单位，在0-1500Nm3/h间序列的工程报价，求取均值并均摊至单位产量造价，通过产量-单位产量固定投资进行拟合而获取。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023205139A1 (en) * | 2022-04-18 | 2023-10-26 | Ohmium International, Inc. | System and method for efficiently generating hydrogen using multiple available power sources |
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