Análise econômica da produção de hidrogênio verde por eletrólise a partir de fontes renováveis ​​de energia

Mais e mais países estão começando a definir metas estratégicas para a energia do hidrogênio, e alguns investimentos estão tendendo ao desenvolvimento da tecnologia de hidrogênio verde. A UE e a China estão liderando esse desenvolvimento, buscando vantagens pioneiras em tecnologia e infraestrutura. Enquanto isso, Japão, Coreia do Sul, França, Alemanha, Holanda, Nova Zelândia e Austrália lançaram estratégias de energia de hidrogênio e desenvolveram planos piloto desde 2017. Em 2021, a UE emitiu um requisito estratégico para energia de hidrogênio, propondo aumentar a capacidade operacional da produção de hidrogênio em células eletrolíticas para 6 GW até 2024, dependendo da energia eólica e solar, e para 40 GW até 2030, a capacidade de produção de hidrogênio na UE será aumentada para 40 GW por mais 40 GW fora da UE.

Como acontece com todas as novas tecnologias, o hidrogênio verde está passando da pesquisa e desenvolvimento primários para o desenvolvimento industrial convencional, resultando em custos unitários mais baixos e maior eficiência no projeto, construção e instalação. O LCOH de hidrogênio verde consiste em três componentes: custo da célula eletrolítica, preço da eletricidade renovável e outros custos operacionais. Em geral, o custo da célula eletrolítica representa cerca de 20% ~ 25% do LCOH de hidrogênio verde e a maior parte da eletricidade (70% ~ 75%). Os custos operacionais são relativamente pequenos, geralmente inferiores a 5%.

Internacionalmente, o preço da energia renovável (principalmente energia solar e eólica em escala de utilidade pública) caiu significativamente nos últimos 30 anos, e seu custo de energia equalizado (LCOE) está agora próximo ao da energia a carvão ($ 30-50 /MWh) , tornando as energias renováveis ​​mais competitivas em termos de custos no futuro. Os custos de energia renovável continuam caindo 10% ao ano e, por volta de 2030, os custos de energia renovável chegarão a cerca de US$ 20/MWh. Os custos operacionais não podem ser significativamente reduzidos, mas os custos unitários das células podem ser reduzidos e uma curva de custo de aprendizado semelhante é esperada para células como para energia solar ou eólica.

A energia solar fotovoltaica foi desenvolvida na década de 1970 e o preço dos LCoEs solares fotovoltaicos em 2010 era de cerca de US$ 500/MWh. O LCOE solar fotovoltaico diminuiu significativamente desde 2010 e atualmente é de US$ 30 a US$ 50/MWh. Dado que a tecnologia de células eletrolíticas é semelhante à referência industrial para a produção de células solares fotovoltaicas, de 2020 a 2030, é provável que a tecnologia de células eletrolíticas siga uma trajetória semelhante às células solares fotovoltaicas em termos de custo unitário. Ao mesmo tempo, o LCOE para energia eólica diminuiu significativamente na última década, mas em menor quantidade (cerca de 50% no mar e 60% no mar).

Nosso país usa fontes de energia renováveis ​​(como energia eólica, fotovoltaica, hidrelétrica) para produção de hidrogênio eletrolítico, quando o preço da eletricidade é controlado em 0,25 yuan /kWh abaixo, o custo de produção de hidrogênio tem eficiência econômica relativa (15,3 ~ 20,9 yuan /kg) . Indicadores técnicos e econômicos de eletrólise alcalina e produção de hidrogênio por eletrólise PEM são mostrados na Tabela 1.

O método de cálculo do custo de produção de hidrogênio eletrolítico é mostrado nas equações (1) e (2). LCOE= custo fixo/(quantidade de produção de hidrogênio x vida útil) + custo operacional (1) Custo operacional = produção de hidrogênio consumo de eletricidade x preço da eletricidade + preço da água + custo de manutenção do equipamento (2) Tomando projetos de eletrólise alcalina e eletrólise PEM (1000 Nm3/h ) como exemplo, suponha que todo o ciclo de vida dos projetos seja de 20 anos e a vida operacional seja de 9×104h. O custo fixo do pacote de célula eletrolítica, dispositivo de purificação de hidrogênio, taxa de material, taxa de construção civil, taxa de serviço de instalação e outros itens é calculado em 0,3 yuan/kWh para eletrólise. A comparação de custos é mostrada na Tabela 2.

Comparado com outros métodos de produção de hidrogênio, se o preço da eletricidade da energia renovável for inferior a 0,25 yuan/kWh, o custo do hidrogênio verde pode ser reduzido para cerca de 15 yuan/kg, o que começa a ter uma vantagem de custo. No contexto da neutralidade carbónica, com a redução dos custos de geração de energia renovável, o desenvolvimento em larga escala de projetos de produção de hidrogénio, a redução do consumo de energia das células eletrolíticas e dos custos de investimento, e a orientação do imposto sobre o carbono e outras políticas, o caminho de redução de custos de hidrogênio verde será gradualmente clara. Ao mesmo tempo, como a produção de hidrogênio a partir de fontes de energia tradicionais será misturada com muitas impurezas relacionadas, como carbono, enxofre e cloro, e o custo de purificação e CCUS sobrepostos, o custo real de produção pode exceder 20 yuans/kg.