智利不同地区绿色制氢用电解槽的评价与筛选：基于碱性（HySTAT）与质子交换膜（HyLYZER）商业化装置的技术经济分析

《Clean Technologies》：Evaluation and Selection of Electrolyzers for the Production of Green Hydrogen in Different Regions of Chile

　　

智利政府已提出一项雄心勃勃的计划，目标是在2050年前实现减排并成为净零排放国家，其中包括利用可再生能源生产清洁能源——绿色氢气（Green Hydrogen）。其中一项目标是使制氢成本达到1.5 USD/kg H₂以具备竞争力。本研究对智利北部、中部和南部地区使用商业化电解槽——HySTAT（碱性，Alkaline）和HyLYZER（质子交换膜，PEM）——生产绿色氢气进行了技术经济分析（Techno-economic Analysis）。研究人员根据安托法加斯塔（Antofagasta，北部）、比奥比奥（Bio-Bio，中部）和麦哲伦（Magallanes，南部）地区的可再生能源——风能和太阳能——对其进行了评估，这些能源的比例和数量因地理位置而异。结果表明，麦哲伦地区是最具竞争力的地点。研究人员计算得出HySTAT的值为4.43 USD/kg H₂，HyLYZER的值为4.81 USD/kg H₂。对麦哲伦地区HySTAT电解槽的经济评价表明，略高于盈亏平衡水平的价格即可产生可观的正回报（净现值（Net Present Value，NPV）高达2,684,250美元，内部收益率（Internal Rate of Return，IRR）为19.5%）。在结合更低电价、更高容量因子（Capacity Factor）和更高电解槽效率的优化情景下，平准化制氢成本（Levelized Cost of Hydrogen，LCOH）可接近国家目标1.5 USD/kg H₂，但这需要多项超越当前商业化技术的同步改善。这些结果表明，麦哲伦地区配合碱性技术是生产绿色氢气的一个有前景的选择，值得进一步分析，且与国家脱碳目标和全球低碳燃料市场保持一致。尽管目前的LCOH值与1.5 USD/kg H₂的目标相距甚远，但通过最廉价的能源协议或新技术开发，仍存在降低成本的机会。

**论文解读**

**一、研究背景与问题提出**

全球气候变化的严峻形势促使各国加速推进脱碳进程。智利被联合国气候变化框架公约（UNFCCC）认定为气候变化高度脆弱国家之一，符合九项官方脆弱性标准中的七项。在此背景下，智利政府承诺在2050年前实现碳中和，并发布了《国家绿色氢气战略》（National Green Hydrogen Strategy），目标是到2030年实现5 GW电解制绿氢装机容量，并将制氢成本降至1.5 USD/kg H₂，使智利成为全球成本最低的绿色氢气生产国。

然而，当前全球氢气生产仍严重依赖未减排的化石燃料。据国际能源署（IEA）数据，天然气通过蒸汽甲烷重整（Steam Methane Reforming）占全球氢产量的61%，煤制氢及工业副产氢占22%，而来自水电解及化石燃料配合碳捕集、利用与封存（CCUS）等低排放路径的氢气合计不足全球产量的2%。绿色氢气（Green Hydrogen）通过可再生能源驱动的电解水过程生产，将水在电解槽中电化学分解为H₂和O₂，被认为是实现深度脱碳的关键能源载体。

智利拥有得天独厚的地理和气候条件：北部的阿塔卡马沙漠（Atacama Desert）拥有世界级的太阳辐照资源，南部的麦哲伦地区则具备全球最强、最稳定的风力资源之一。尽管已有研究从可行性、出口潜力、离网生产系统、优化模型等多个角度探讨了智利的绿色氢气潜力，但对当前商业化电解槽的实际可用性及其在大规模绿氢项目中的实施影响关注较少。这一维度尚未得到系统性研究，正是本研究试图填补的空白。

**二、研究目的与意义**

本研究旨在评估智利不同地理区域利用商业化规模电解槽生产绿色氢气的可行性，综合考虑全国各区域的可再生能源潜力。研究人员通过技术经济分析，估算每种实施情景下的平准化制氢成本（LCOH，即在整个项目生命周期内在特定条件下生产1 kg H₂的成本），为大规模制氢的可行性提供参考。该研究的意义在于揭示了智利丰富资源对清洁能源生产的适用性，有助于增强国家能源矩阵的多样性和韧性，并展示了将绿色氢气整合到采矿、运输等高需求部门的可能性，为智利在全球绿色氢气市场中占据领先地位提供支撑。

**三、关键技术与方法概述**

本研究采用四阶段框架。第一阶段对国内外文献进行系统回顾，描述氢气的当前需求和绿色氢气生产路径。第二阶段进行技术分析，重点评估碱性电解（AWE，Alkaline Water Electrolysis）和质子交换膜电解（PEM，Proton-Exchange Membrane）两种技术，利用智利能源部提供的Solar Explorator和Wind Explorator在线工具，分析各地区太阳能辐射和风能资源的行为与可用性。第三阶段为经济分析，采用折现现金流法（Discounted Cash-Flow）估算LCOH，综合考虑资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）、加权平均资本成本（WACC，由权益成本、债务成本、税率构成）、电解槽转换效率、电力成本及折现率等因素；同时估算净现值（NPV）、内部收益率（IRR）等指标。电解槽效率随年度退化率线性下降（碱性0.25–1.5%/年，PEM 0.5–2.5%/年）。第四阶段将技术和经济结果综合，确定从技术经济角度最具优势的方案。研究选用Cummins公司的HySTAT（碱性）和HyLYZER（PEM）产品线，两者按等装机容量5 MW进行比较（碱性以10台0.5 MW单元并联，PEM以单台5 MW单元）。电力成本方面，安托法加斯塔和比奥比奥采用智利政府最新非传统可再生能源（NCRE）招标结果，麦哲伦采用全国平均招标价23.78 USD/MWh；水成本来自各地区水务公司。电解槽容量因子（Capacity Factor）假设为：安托法加斯塔纯太阳能30%，麦哲伦纯风能50%，比奥比奥风光混合40%。

**四、研究结果**

**4.1 市场前景与智利进展**

全球绿色氢气市场仍处于供给侧早期商业化阶段，项目公告激增但实施仍受融资和基础设施限制。中国占全球氢需求的30%，远超欧洲的7%。全球已安装电解槽容量在2025年超过4 GW，预计2026年超过6 GW。生产成本的差异显著，主要取决于电价、电解槽安装成本和项目开发费用，范围约3–10 USD/kg H₂。智利在绿色氢气战略上最成熟，依托阿塔卡马沙漠的太阳能和麦哲伦的强风资源。截至2025年12月，全国已宣布83个绿氢项目，仅17个投入运营（多为试验规模），分布在北部（31个）、中部（29个）和南部（23个）。正在开发的最大项目是Total Energies H2 Magallanes，规划10 GW风电和分阶段建设的1 GW电解槽，氢气年产量超800,000吨。智利的太阳能光伏可开发潜力达1180 GW，陆上风电达191 GW。

**4.2 电解槽技术选择**

四种主要电解水技术——碱性水电解（AWE）、质子交换膜电解（PEM）、阴离子交换膜电解（AEM）和固体氧化物电解槽（SOEC）——在电解质类型、操作温度、效率、资本成本和与间歇性可再生电力的兼容性方面存在差异。AWE最成熟且资本成本最低，但对负载波动敏感；PEM响应速度快，氢气纯度高，适合与太阳能和风能直接耦合，但依赖铂和铱基催化剂导致资本成本较高。本研究选用AWE和PEM，因为两者是工业规模中最成熟和部署最广的技术。

**4.3 区域可再生能源资源分析**

区域分析显示智利呈现显著的南北梯度。北部安托法加斯塔地区以太阳能为主，阿塔卡马沙漠平均年辐射量达6–7 kWh/m²/day以上，高海拔、少云和低湿度进一步提升了运行效率。南部麦哲伦地区以风能占主导，平均风速约10 m/s，靠近德雷克海峡（Drake Passage）且地势平坦少遮挡，容量因子可高达52%（如Cabo Negro地区）。中部比奥比奥地区太阳能和风能均无明显优势（太阳能约5 kWh/m²/day，沿海风速超7.0 m/s），但资源在日间和空间上形成互补——太阳能峰值在正午，沿海风力在午后和傍晚更稳定，适宜发展风光混合系统。

**4.4 经济分析**

LCOH估算结果显示，麦哲伦地区整体最具竞争力：HySTAT为4.43 USD/kg H₂，HyLYZER为4.81 USD/kg H₂。安托法加斯塔HySTAT为5.18 USD/kg H₂，HyLYZER达6.05 USD/kg H₂（为所有情景中最高）。比奥比奥HySTAT为4.44 USD/kg H₂，HyLYZER为4.81 USD/kg H₂。在所有区域中，碱性HySTAT的LCOH均低于PEM HyLYZER，差值从麦哲伦的0.37 USD/kg到安托法加斯塔的0.87 USD/kg不等。麦哲伦地区HyLYZER年产量更高（429,412 kg/年对比365,000 kg/年），但所需初始投资也更高（700万美元对比500万美元），且PEM的投资-产量比为16.3 USD/kg/年，高于碱性HySTAT的13.7 USD/kg/年。

针对麦哲伦地区HySTAT的经济评价显示：以3.50 USD/kg H₂出售时NPV为?2,330,778美元，IRR无法定义；以盈亏平衡价4.43 USD/kg H₂出售时NPV为8,363美元（接近零），IRR为9.54%（接近WACC）；以4.50 USD/kg H₂出售时NPV为2,684,250美元，IRR达19.48%。不到2%的价格提升导致NPV从接近零跃升至超过260万美元，表明项目盈利对氢气售价高度敏感。

**4.5 敏感性分析**

对麦哲伦地区HySTAT电解槽的五参数敏感性分析表明：LCOH对电价呈线性正相关，从10 USD/MWh时的3.24 USD/kg H₂升至50 USD/MWh时的6.70 USD/kg H₂，敏感度约0.09 USD/kg H₂每1 USD/MWh，电价是最主要成本驱动因素。水成本影响较小，从0.5 USD/m³时的4.42 USD/kg H₂升至5 USD/m³时的4.78 USD/kg H₂，敏感度约0.02 USD/kg H₂每1 USD/m³涨价。电解槽CAPEX从200 USD/kW升至700 USD/kW时，LCOH从4.36升至4.90 USD/kg H₂。容量因子从30%升至80%时，LCOH从6.00降至3.55 USD/kg H₂（降幅约41%），且在低容量因子区敏感度最高。电解槽比能耗从40 kWh/kg升至79 kWh/kg时，LCOH从2.97升至5.91 USD/kg H₂，呈近似线性关系，表明效率是长期项目经济的持续性决定因素。

**4.6 优化情景**

在同时采用最优电价（10 USD/MWh）、高容量因子（80%，需配合储能或超配）、下一代电解槽效率（比能耗40 kWh/kg，LHV效率约83%）的优化情景下，麦哲伦HySTAT的LCOH可降至1.58 USD/kg H₂，较基准情景降低约65%，仅低于国家目标0.08 USD/kg H₂。但每一项参数均代表了超越当前商业化技术的激进改善，单一参数的渐进改善无法实现该目标，需三者同步实现。

**五、讨论与结论**

研究表明，智利拥有广阔的绿色氢气生产潜力，呈现明显的南北梯度：安托法加斯塔太阳能主导，比奥比奥需风光互补，麦哲伦风能资源卓越。麦哲伦地区配合碱性电解技术是最具前景的绿氢生产选择，与智利国家脱碳目标及全球低碳燃料市场发展方向一致。经济分析中，盈亏平衡价以上不到2%的价格提升即可使NPV从近零跃升至超过260万美元，反映出项目对氢气市场定价的高度敏感性。敏感性分析确认，容量因子和比能耗是与电价同等最具影响力的LCOH驱动因素，水成本和电解槽CAPEX影响相对较小。优化情景表明，逼近1.5 USD/kg目标需要电价、容量因子和电解槽效率三方面同时达到最佳水平。

虽然当前LCOH值距离1.5 USD/kg H₂的目标仍有差距，但短期内可通过更有利的能源协议降低电力成本，长期可依靠技术进步提升电解槽效率，逐步增强绿色氢气生产的竞争力。该研究建议对麦哲伦地区开展更详细的技术经济评估以确认其财务可行性和战略定位。