Phân tích kinh tế sản xuất hydro xanh bằng điện phân từ các nguồn năng lượng tái tạo

Ngày càng có nhiều quốc gia bắt đầu đặt ra các mục tiêu chiến lược cho năng lượng hydro và một số khoản đầu tư đang có xu hướng phát triển công nghệ hydro xanh. EU và Trung Quốc đang dẫn đầu sự phát triển này, tìm kiếm những lợi thế của người đi trước về công nghệ và cơ sở hạ tầng. Trong khi đó, Nhật Bản, Hàn Quốc, Pháp, Đức, Hà Lan, New Zealand và Australia đều đã đưa ra chiến lược năng lượng hydro và xây dựng kế hoạch thí điểm từ năm 2017. Năm 2021, EU ban hành yêu cầu chiến lược về năng lượng hydro, đề xuất tăng công suất vận hành sản xuất hydro trong các tế bào điện phân lên 6GW vào năm 2024 bằng cách dựa vào năng lượng gió và mặt trời, và lên 40GW vào năm 2030, công suất sản xuất hydro ở EU sẽ tăng lên 40GW nhờ thêm 40GW bên ngoài EU.

Như với tất cả các công nghệ mới, hydro xanh đang chuyển từ nghiên cứu và phát triển sơ cấp sang phát triển công nghiệp chủ đạo, dẫn đến chi phí đơn vị thấp hơn và tăng hiệu quả trong thiết kế, xây dựng và lắp đặt. Hydro xanh LCOH bao gồm ba thành phần: chi phí pin điện phân, giá điện tái tạo và các chi phí vận hành khác. Nhìn chung, chi phí của tế bào điện phân chiếm khoảng 20% ​​~ 25% hydro xanh LCOH và phần điện năng lớn nhất (70% ~ 75%). Chi phí vận hành tương đối nhỏ, thường dưới 5%.

Trên bình diện quốc tế, giá năng lượng tái tạo (chủ yếu là năng lượng mặt trời và gió quy mô tiện ích) đã giảm đáng kể trong 30 năm qua và chi phí năng lượng cân bằng (LCOE) của nó hiện gần bằng giá của năng lượng đốt than ($30-50/MWh) , làm cho năng lượng tái tạo có chi phí cạnh tranh hơn trong tương lai. Chi phí năng lượng tái tạo tiếp tục giảm 10% mỗi năm và đến khoảng năm 2030, chi phí năng lượng tái tạo sẽ đạt khoảng 20 USD/MWh. Chi phí vận hành không thể giảm đáng kể, nhưng chi phí đơn vị tế bào có thể giảm và đường cong chi phí học tập tương tự được mong đợi đối với tế bào như đối với năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió.

Điện mặt trời được phát triển vào những năm 1970 và giá của các LCoE điện mặt trời vào năm 2010 là khoảng 500 USD/MWh. LCOE năng lượng mặt trời đã giảm đáng kể kể từ năm 2010 và hiện ở mức $30 đến $50 /MWh. Cho rằng công nghệ tế bào điện phân tương tự như tiêu chuẩn công nghiệp để sản xuất tế bào quang điện mặt trời, từ năm 2020-2030, công nghệ tế bào điện phân có thể sẽ đi theo quỹ đạo tương tự như tế bào quang điện mặt trời xét về đơn giá. Đồng thời, LCOE cho gió đã giảm đáng kể trong thập kỷ qua, nhưng với một lượng nhỏ hơn (khoảng 50% ngoài khơi và 60% trên đất liền).

Nước ta sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo (như năng lượng gió, quang điện, thủy điện) để sản xuất nước điện phân hydro, khi giá điện được kiểm soát ở mức dưới 0,25 nhân dân tệ/kWh, chi phí sản xuất hydro có hiệu quả kinh tế tương đối (15,3 ~ 20,9 nhân dân tệ /kg) . Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của sản xuất hydro điện phân kiềm và điện phân PEM được trình bày trong Bảng 1.

Phương pháp tính toán chi phí sản xuất hydro điện phân được thể hiện trong phương trình (1) và (2). LCOE= chi phí cố định/(số lượng hydro sản xuất x tuổi thọ) + chi phí vận hành (1) Chi phí vận hành = điện năng tiêu thụ sản xuất hydro x giá điện + giá nước + chi phí bảo trì thiết bị (2) Tham gia các dự án điện phân kiềm và điện phân PEM (1000 Nm3/h ) làm ví dụ, giả sử rằng toàn bộ vòng đời của dự án là 20 năm và thời gian hoạt động là 9×104h. Chi phí cố định của pin điện phân trọn gói, thiết bị lọc hydro, phí vật liệu, phí xây dựng dân dụng, phí dịch vụ lắp đặt và các hạng mục khác được tính ở mức 0,3 nhân dân tệ / kWh đối với điện phân. So sánh chi phí được thể hiện trong Bảng 2.

So với các phương pháp sản xuất hydro khác, nếu giá điện của năng lượng tái tạo thấp hơn 0,25 nhân dân tệ / kWh, thì chi phí hydro xanh có thể giảm xuống còn khoảng 15 nhân dân tệ / kg, bắt đầu có lợi thế về chi phí. Trong bối cảnh trung hòa carbon, với việc giảm chi phí sản xuất điện năng lượng tái tạo, phát triển quy mô lớn các dự án sản xuất hydro, giảm tiêu thụ năng lượng tế bào điện phân và chi phí đầu tư, và hướng dẫn về thuế carbon và các chính sách khác, con đường việc giảm chi phí hydro xanh sẽ dần rõ ràng. Đồng thời, do sản xuất hydro từ các nguồn năng lượng truyền thống sẽ được trộn lẫn với nhiều tạp chất liên quan như carbon, lưu huỳnh và clo, và chi phí thanh lọc chồng chất và CCUS, chi phí sản xuất thực tế có thể vượt quá 20 nhân dân tệ / kg.