Analisi economica della produzione di idrogeno verde per elettrolisi da fonti energetiche rinnovabili

Sempre più paesi stanno iniziando a fissare obiettivi strategici per l'energia dell'idrogeno e alcuni investimenti tendono allo sviluppo della tecnologia dell'idrogeno verde. L'UE e la Cina stanno guidando questo sviluppo, alla ricerca di vantaggi di prima mossa nella tecnologia e nelle infrastrutture. Nel frattempo, Giappone, Corea del Sud, Francia, Germania, Paesi Bassi, Nuova Zelanda e Australia hanno tutti rilasciato strategie per l'energia dell'idrogeno e sviluppato piani pilota dal 2017. Nel 2021, l'UE ha emesso un requisito strategico per l'energia dell'idrogeno, proponendo di aumentare la capacità operativa della produzione di idrogeno nelle celle elettrolitiche a 6 GW entro il 2024 facendo affidamento sull'energia eolica e solare, e a 40 GW entro il 2030, la capacità di produzione di idrogeno nell'UE sarà aumentata a 40 GW di ulteriori 40 GW al di fuori dell'UE.

Come per tutte le nuove tecnologie, l'idrogeno verde si sta spostando dalla ricerca e sviluppo primario allo sviluppo industriale tradizionale, con conseguenti costi unitari inferiori e maggiore efficienza nella progettazione, costruzione e installazione. L'idrogeno verde LCOH è costituito da tre componenti: costo della cella elettrolitica, prezzo dell'elettricità rinnovabile e altri costi operativi. In generale, il costo della cella elettrolitica rappresenta circa il 20% ~ 25% dell'idrogeno verde LCOH e la quota maggiore dell'elettricità (70% ~ 75%). I costi operativi sono relativamente contenuti, generalmente inferiori al 5%.

A livello internazionale, il prezzo dell'energia rinnovabile (principalmente solare ed eolica su larga scala) è diminuito in modo significativo negli ultimi 30 anni e il suo costo energetico equalizzato (LCOE) è ora vicino a quello dell'energia a carbone ($ 30-50 / MWh) , rendendo le energie rinnovabili più competitive in futuro. I costi delle energie rinnovabili continuano a diminuire del 10% all'anno e intorno al 2030 i costi delle energie rinnovabili raggiungeranno circa $ 20 / MWh. I costi operativi non possono essere ridotti in modo significativo, ma i costi unitari delle celle possono essere ridotti e per le celle è prevista una curva di costo di apprendimento simile a quella per l'energia solare o eolica.

Il solare fotovoltaico è stato sviluppato negli anni '70 e il prezzo degli LCoE solari fotovoltaici nel 2010 era di circa $ 500 / MWh. L'LCOE solare fotovoltaico è diminuito in modo significativo dal 2010 e attualmente è compreso tra $ 30 e $ 50 / MWh. Dato che la tecnologia delle celle elettrolitiche è simile al benchmark industriale per la produzione di celle solari fotovoltaiche, dal 2020 al 2030 è probabile che la tecnologia delle celle elettrolitiche segua una traiettoria simile a quella delle celle solari fotovoltaiche in termini di costo unitario. Allo stesso tempo, il LCOE per l'energia eolica è diminuito significativamente nell'ultimo decennio, ma in misura minore (circa il 50% offshore e il 60% onshore).

Il nostro paese utilizza fonti di energia rinnovabile (come l'energia eolica, fotovoltaica, idroelettrica) per la produzione di idrogeno acqueo elettrolitico, quando il prezzo dell'elettricità è controllato in 0,25 yuan /kWh al di sotto, il costo di produzione dell'idrogeno ha un'efficienza economica relativa (15,3 ~ 20,9 yuan / kg) . Gli indicatori tecnici ed economici dell'elettrolisi alcalina e della produzione di idrogeno per elettrolisi PEM sono riportati nella Tabella 1.

Il metodo di calcolo del costo della produzione di idrogeno elettrolitico è mostrato nelle equazioni (1) e (2). LCOE= costo fisso/(quantità di produzione di idrogeno x durata) + costo operativo (1) Costo operativo = consumo di elettricità per la produzione di idrogeno x prezzo dell'elettricità + prezzo dell'acqua + costo di manutenzione delle apparecchiature (2) Considerando i progetti di elettrolisi alcalina ed elettrolisi PEM (1000 Nm3/h ) ad esempio, supponiamo che l'intero ciclo di vita dei progetti sia di 20 anni e la vita operativa sia di 9×104h. Il costo fisso del pacchetto cella elettrolitica, dispositivo di purificazione dell'idrogeno, tassa materiale, tassa di costruzione civile, tassa di servizio di installazione e altri elementi è calcolato a 0,3 yuan / kWh per l'elettrolisi. Il confronto dei costi è mostrato nella Tabella 2.

Rispetto ad altri metodi di produzione dell'idrogeno, se il prezzo dell'elettricità dell'energia rinnovabile è inferiore a 0,25 yuan/kWh, il costo dell'idrogeno verde può essere ridotto a circa 15 yuan/kg, il che inizia ad avere un vantaggio in termini di costi. Nel contesto della neutralità del carbonio, con la riduzione dei costi di generazione di energia da fonti rinnovabili, lo sviluppo su larga scala di progetti di produzione di idrogeno, la riduzione del consumo di energia delle celle elettrolitiche e dei costi di investimento e l'orientamento della tassa sul carbonio e di altre politiche, la strada della riduzione del costo dell'idrogeno verde sarà gradualmente chiaro. Allo stesso tempo, poiché la produzione di idrogeno da fonti energetiche tradizionali sarà mescolata con molte impurità correlate come carbonio, zolfo e cloro e il costo della purificazione e del CCUS sovrapposti, il costo di produzione effettivo potrebbe superare i 20 yuan / kg.