用于绿色氢气生产的综合可再生能源路径：技术、挑战与经济视角

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Integrated renewable energy pathways for green hydrogen production: Technologies, challenges, and economic perspectives

　　

摘要

全球向可持续能源系统的转型迫切需要开发高效且经济可行的绿色氢气生产方法。本综述系统地研究了以可再生能源为驱动的水电解技术，包括太阳能光伏、风能、水力发电、地热能、海浪能、潮汐能以及生物气系统。研究分析了四种主要的电解槽技术——质子交换膜电解槽（PEMEL）、碱性电解槽（AEL）、阴离子交换膜电解槽（AEMEL）和固体氧化物电解槽（SOEL），探讨了它们51%至102%不等的运行效率、资本成本以及与可变可再生能源整合时面临的挑战。通过氢气平准化成本（LCOH）和电力平准化成本（LCOE）框架进行的经济评估显示，以水力发电为驱动的电解槽具有最低的生产成本，为0.22美元至2.78美元/千克，其次是地热能驱动的系统，为2.77美元至3.37美元/千克，风能驱动的系统则为3.20美元至9.80美元/千克。综述指出了商业化进程中的关键障碍，包括氢气储存基础设施、运输物流、电网整合的复杂性以及电解槽的耐用性限制。此外，分析还表明，若要与灰色氢气在成本上竞争，就需要大幅降低可再生能源的电价以及电解槽的资本支出。这些研究结果为政策制定者和行业相关方提供了宝贵建议，有助于加速在全球能源转型背景下推广绿色氢气技术。

引言

日益严重的全球能源危机，再加上缓解气候变化的紧迫需求，使得寻找可持续且碳中性的能源替代品成为科学和政策讨论的重点。氢气被誉为“未来的燃料”，因其120-142兆焦/千克的极高能量密度——约为传统化石燃料的三倍——以及其在重工业、长途运输和化工制造等难以实现脱碳的领域中的应用潜力，而成为一种极具吸引力的解决方案[1]。与目前全球约95%的氢气产量以及由此产生的大量二氧化碳排放相关的化石燃料衍生灰色氢气不同，通过可再生能源驱动的水电解法生产的绿色氢气则为实现《巴黎协定》设定的净零排放目标提供了一条真正可持续的路径[2]。国际能源署预测，到2050年全球氢气需求可能达到5.3亿吨/年，其中绿色氢气将占60%以上，这充分体现了该技术在重塑全球能源格局方面的巨大潜力。

水电解是一种利用电能将水分子电化学分解为氢气和氧气的过程，这一过程最早由威廉·尼科尔森和安东尼·卡莱尔在1800年实现。如今的电解技术已经有了显著发展，主要分为四种类型：质子交换膜电解槽（PEMEL）、碱性电解槽（AEL）、阴离子交换膜电解槽（AEMEL）和固体氧化物电解槽（SOEL），每种类型都具有不同的运行特性、效率范围以及技术成熟度[3]。将这些电解槽系统与太阳能光伏、风能、水力发电、地热能、海洋能（海浪能和潮汐能）以及生物气等可再生能源相结合，已成为生产零排放氢气的核心策略。最近的技术进步表明，碱性电解槽和PEM电解槽的效率已可超过65%，预计到2030年其成本还将降至1.5至2.0美元/千克，从而接近化石燃料衍生氢气的成本水平[4]。

尽管关于绿色氢气生产的文献日益增多，但仍然存在一些重要的知识空白，这些空白阻碍了对可再生能源驱动的电解系统的全面理解及其广泛应用。现有的综述大多只关注某一种电解槽技术或某种特定的可再生能源，缺乏将多种电解槽技术与不同可再生能源组合起来的整体性分析[5]。此外，技术经济评估往往采用不同的假设和方法框架，导致无法直接进行比较，进而限制了其在投资决策和政策制定中的实际应用价值。在储存基础设施建设、运输物流、电网整合的复杂性以及电解槽在可变可再生能源供电条件下的耐用性等问题上，也尚未有全面的分析。另外，在综合系统分析中，太阳能电池板在污染条件下的性能表现——这一因素会直接影响电解槽的输入电源质量——也尚未得到足够重视[6]。目前缺乏一个能够涵盖技术、经济和基础设施层面的统一分析框架，这是加速绿色氢气发展进程的一大障碍。

本综述旨在通过系统研究结合多种可再生能源用于绿色氢气生产的水电解技术现状，来填补这些关键空白。其主要目标包括：（一）对PEMEL、AEL、AEMEL和SOEL四种技术进行比较技术分析，评估它们的运行效率、资本成本、耐用性以及与可再生能源整合的适配性；（二）运用氢气平准化成本（LCOH）和电力平准化成本（LCOE）框架，分析不同可再生能源配置下氢气生产的技经可行性；（三）识别并深入分析商业化过程中的各种障碍，包括储存、运输、基础设施需求以及系统稳定性方面的问题；（四）总结未来研究方向并提出政策建议，以加速在全球能源转型背景下推广绿色氢气技术。

本综述的创新之处和贡献主要有以下几点。首先，它构建了一个统一的分析框架，将四种电解槽技术与七种可再生能源相结合，实现了以往文献中未曾有的系统化跨对比分析。其次，综述汇总了96篇经过同行评审的研究成果中的LCOH数据，为目前绿色氢气生产路径提供了最全面的经济评估，其生产成本从水力发电驱动系统的0.22美元/千克到混合能源配置下的12.50美元/千克不等。第三，与以往主要聚焦于生产技术的综述不同，本研究对整个氢气产业链进行了深入分析，涵盖了储存方式（压缩气体、低温液态、金属氢化物和有机液态氢载体）、运输基础设施以及最终应用领域。第四，综述明确了实现美国能源部设定的到2031年让清洁氢气成本降至1美元/千克的目标所需的关键研究重点和政策干预措施。第五，研究还提供了针对不同地区的分析见解，其中包括对埃及绿色氢气发展潜力的详细案例研究，证明了该分析框架在制定国家氢气战略方面的实用性。这些贡献共同为研究人员、政策制定者和行业相关方提供了切实可行的指导，有助于推动绿色氢气经济的发展。

章节节选

文献综述

本文献综述系统地梳理了目前关于利用可再生能源驱动水电解法生产绿色氢气的现有研究成果。这些资料主要来自Scopus、Web of Science和ScienceDirect等数据库，包括2020年至2025年间发表的同行评审期刊文章、技术报告和政策文件。综述涵盖了PEMEL、AEL、AEMEL和SOEL四种主要的电解槽技术及其

综述框架与范围

本综述采用系统化的文献分析方法，研究利用可再生能源驱动水电解法生产绿色氢气的相关技术。该方法论框架包含四个相互关联的部分：（一）系统地识别和筛选相关文献；（二）对各类电解槽技术进行技术评估；（三）分析可再生能源的整合途径；（四）运用标准化指标进行技经分析。见图1

研究结果

本部分总结了96篇经过同行评审的研究成果中关于利用可再生能源驱动水电解法生产绿色氢气的研究发现。结果按可再生能源类型分类，并进一步进行了全面的技经比较，汇总了所有生产路径的氢气平准化成本数据。除非另有说明，所有货币数值均以2023年的美元价值计算。

基于太阳能光伏的氢气生产

本综述显示，基于太阳能光伏的氢气生产系统的氢气平准化成本在3.70美元至12.50美元/千克之间，这是所有研究过的可再生能源路径中成本差异最大的。这种较大的差异是由地理上的太阳能资源分布、系统配置选择以及电解槽技术选择等多种因素共同作用的结果。在年太阳辐射强度超过2000千瓦时/平方米的高辐射地区，接入电网的系统通常能将成本控制在这一范围的较低水平，

结论

本综述系统地研究了利用可再生能源驱动的水电解技术生产绿色氢气的情况，汇总了2020年至2025年间发表的96篇同行评审研究中的技经数据。分析涵盖了七种可再生能源路径与四种电解槽技术的组合，为评估不同配置下的氢气平准化成本提供了统一的分析框架。研究结果表明，以水力发电为驱动的氢气生产

作者致谢声明

吕泰超：概念设计、方法论构建、研究实施、数据整理、初稿撰写。霍书义：方法论设计、验证工作、正式分析、可视化处理、审稿与编辑。张涛：项目监督、项目管理、资源协调、审稿与编辑。吕泰超和霍书义对这项工作做出了同等重要的贡献。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

Taichao Lyu|Shuaichi Huo|Tao Zhang

南京大学商学院，中国南京，210093