《International Journal of Hydrogen Energy》：Historical and future trends in water electrolysis investment cost and technical performance: A literature review
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《巴黎协定》旨在将全球变暖限制在2℃以下，并努力将其控制在工业化前水平以上1.5℃以内。实现这些目标需要从化石能源体系向基于可再生能源的体系转型，同时提高能效并推动交通、供暖和制冷等高耗能行业的电气化。在此背景下，氢气（H2）被视为未来低碳能源系统的关键能量载
《巴黎协定》旨在将全球变暖限制在2℃以下，并努力将其控制在工业化前水平以上1.5℃以内。实现这些目标需要从化石能源体系向基于可再生能源的体系转型，同时提高能效并推动交通、供暖和制冷等高耗能行业的电气化。在此背景下，氢气（H2）被视为未来低碳能源系统的关键能量载体之一。尽管具有诸多优势，但由于成本相对较低且基础设施完善，氢气生产仍主要依赖化石燃料。为实现《巴黎协定》目标，必须越来越多地采用低排放或零CO2排放的方式生产氢气，而水电解是最重要的生产途径。本项系统性文献综述对四种主流水电解技术——碱性电解（AEL）、质子交换膜电解（PEMEL）、固体氧化物电解（SOEL）和阴离子交换膜电解（AEMEL）——的投资成本和技术性能进行了全面评估。研究人员整合了来自同行评议文献、组织报告、制造商数据及专家访谈的调和数据集，重点分析了五个关键绩效指标（KPI）：资本支出（CAPEX）、比能耗（SEC）、系统效率、降解率和堆栈寿命。结果表明，AEL是目前最成熟且最具成本竞争力的技术，而PEMEL和SOEL的成本正在快速下降。尽管各技术的CAPEX均呈下降趋势，但文献报道值之间存在显著差异，这凸显了提高数据透明度和标准化方法的必要性。本研究为能源系统建模、技术经济评估和政策制定提供了最新的基准数据。
论文解读文章
研究背景与现存问题
在全球应对气候变化的背景下，《巴黎协定》设定了将温升控制在2℃甚至1.5℃以内的目标。实现这一目标的核心路径是从化石能源转向可再生能源体系，并对交通、工业等难以直接电气化的行业进行深度脱碳。氢气作为关键的能源载体和化工原料，在合成燃料、储能和工业脱碳中扮演着不可替代的角色。然而，截至2024年，全球约100 Mt的氢气产量中超过60%来自天然气重整，煤制氢约占20 Mt，而低排放路径生产的氢气占比不足1%（约0.8 Mt）。化石基制氢在2024年排放了约980 Mt CO2，减排潜力巨大。水电解被认为是实现绿氢生产的最重要技术路线，其性能直接决定了“电转X”（PtX）全链条的经济性和可行性。
尽管水电解技术的重要性日益凸显，学术界和产业界却面临一个关键障碍：缺乏一套统一、更新至当前状态的关键绩效指标（KPI）数据库。早期经典研究（如Proost、Saba、Schmidt等人的工作）虽提供了重要参考，但其数据已部分过时。制造商规格书虽然提供最新信息，但系统边界和运行条件往往不透明。不同来源（学术文献、机构报告、制造商数据）之间的数据差异显著，且缺乏统一的调和与对比框架，导致在能源系统建模、技术经济评估（TEA）和政策制定中存在巨大的不确定性。因此，亟需一项系统性的文献综述，对AEL、PEMEL、SOEL和AEMEL四种技术的历史、现状和未来趋势进行全面的KPI梳理与对比。
研究方法概述
本研究遵循Carrera-Rivera等人提出的结构化文献检索与数据提取方法学，并扩展纳入非同行评议来源。文献检索于2026年1月至2月在Scopus数据库中进行，辅以引文追踪（滚雪球法）获取组织报告和制造商技术规格。筛选标准聚焦于2020年后发表、定量报告至少一项选定KPI的英文或德文出版物，排除纯实验室条件下的材料/催化剂研究。数据来源分为四类：同行评议文献、组织报告（如IEA、IRENA、DOE）、制造商数据和专家访谈。所有数据点均被赋予包括技术类型、KPI、参考年份、来源类别、数值类型、场景、系统规模、堆栈或系统层级、能量输入基础及单位在内的元数据。随后，所有数值被统一转换为一致的单位和参考条件：CAPEX统一为欧元2026·kW-1（使用CEPCI指数进行货币转换和通胀调整），SEC统一为kWh·kg-1，效率统一为低位热值百分比（%LHV），降解率统一为%·kh-1，寿命统一为小时（h）。
研究结果
3.1 CAPEX
3.1.1 AEL系统级CAPEX：2020年前AEL系统CAPEX范围为812~3980 �2026·kW-1。2020年算术均值和单位数分别为964和891 �2026·kW-1，2030年降至746和504 �2026·kW-1，2050年进一步降至309和190 �2026·kW-1。同行评议文献的报告范围通常比组织机构的估计更宽且更高。
3.1.2 PEMEL系统级CAPEX：2020年PEMEL系统CAPEX均值为1212 �2026·kW-1（单位数1137），2030年降至655（单位数618），2050年降至282。范围从2020年的568~2032收窄至2050年的130~434 �2026·kW-1。
3.1.3 SOEL系统级CAPEX：2020年均值为1775 �2026·kW-1（单位数2044），含一个5818的异常值。2030年均值降至955（单位数828），2050年预计在220~763之间。
3.1.4 AEMEL系统级CAPEX：可用数据有限，从2020年代初高于980降至2030年低于503、2050年低于191 �2026·kW-1。
3.1.5 堆栈级CAPEX：AEL堆栈CAPEX从2020年的149~389降至2030年的52~124 �2026·kW-1。PEMEL堆栈从2020年的212~1262降至2030年的143~551。SOEL堆栈数据波动极大，2020年代前半段为279~2328，后半段为47~466 �2026·kW-1。
3.1.6 技术间CAPEX比较：AEL因技术成熟度最高而拥有最低CAPEX。PEMEL的高成本源于铱阳极催化剂、PFSA膜和钛基镀铂组件。SOEL因高温运行所需的耐热材料和复杂热管理而成本较高。未来所有技术CAPEX均预期下降，但AEL因接近成熟极限，降幅可能小于其他技术。
3.2 比能耗（SEC）与效率
AEL系统SEC在2020年为50~78 kWh·kg-1，2030年预计降至47~49，2050年低于45。PEMEL的SEC范围与AEL相似，2020~2026年为50~83，未来降至43~50（2030）和低于45（2050）。SOEL的SEC最低（多数仅计电输入），2020年为40~50，2030年降至34~40，不含热集成时可达69.7。AEMEL的SEC与AEL相当，2020年代初为53.4~76.8，2030年预计为48。
效率方面，AEL从2020年的59%~68%LHV提升至2050年的69%~70%LHV。PEMEL在2020~2026年间维持在50%~68%LHV，无明显上升趋势，但2050年预测高达69%~80%LHV。SOEL效率最高（60%~96%LHV），但依赖于外部热源。AEMEL效率为50.5%~72%LHV。
3.3 降解率与寿命
AEL降解率从2014年的0.01%~0.17% kh-1降至2025年后的0.1%~0.13% kh-1。PEMEL从2012~2017年的0.25%~0.375%降至2020~2026年的0.11%~0.19%。SOEL降解率较高，从2012年的5%降至2020~2026年的0.2%~1.9%。AEMEL降解率为0.7%~1% kh-1（2020~2024）。
寿命方面，AEL为60,000~100,000 h（2020年后），PEMEL为20,000~85,000 h，SOEL为20,000~45,000 h（2020~2030），AEMEL仅为5,000~60,000 h。未来预测显示所有技术寿命均有提升空间，SOEL和AEMEL有望达到80,000~100,000 h。
讨论与结论
本研究的局限性包括：文献检索仅限于单一数据库（Scopus）；SEC和效率数据主要通过交叉引用获得，可能遗漏专门研究；单审稿人筛选可能存在偏倚；不同来源（学术、机构、制造商）的方法论和透明度差异显著，无法进行统一质量评估；CAPEX的调和仅考虑了货币和价格基年，未考虑成本范围、电力基础、工厂规模和地理因素；SEC和效率的系统边界（是否包含BOP组件）大多未明确，尤其SOEL的电热区分问题使得技术间直接比较受限。
研究结论：本研究对AEL、PEMEL、SOEL和AEMEL四种水电解技术的五个关键绩效指标进行了系统性文献综述和数据集整合。数据显示，AEL凭借其技术成熟度和广泛工业应用，目前仍是成本最低的技术选项。PEMEL和SOEL的成本正在快速下降，但前者受限于贵金属催化剂成本，后者则面临高温降解挑战。AEMEL作为新兴技术，其CAPEX有望接近AEL水平，但目前寿命和降解率数据仍十分有限。总体而言，所有技术的CAPEX均呈下降趋势，SEC逐步降低，效率稳步提升，降解率下降而寿命延长。然而，文献报道值之间存在巨大差异，这主要源于系统边界定义不清、数据来源多样以及调和方法的缺失。研究人员呼吁未来研究应提高数据报告的透明度和标准化程度，以支撑更可靠的能源系统建模、技术经济评估和氢能政策制定。
