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摘 要
太阳能和风能等可再生能源发电依赖天气，这使得能源储存系统变得越来越重要。在目前正在探索的各种解决方案中，氢被认为是未来长期大规模储存可再生能源的一项关键技术。
如今，氢主要从化石燃料中产生，而蒸汽甲烷重整(SMR)是从天然气中产生氢的最常见途径。使用的传统方法没有一种是无温室气体的。以水电解为基础、利用可再生能源发电的“电改气”概念是最环保的清洁方法。考虑到它的多种用途，氢既可以作为燃料出售，它可以通过燃料电池发电，也可以作为几个工业过程的原料。在短期内，原料可能成为以稀土为基础的氢的主要市场。
在这篇论文中，我们展示了一个生产绿色氢的系统的技术经济金融评估的结果，该系统将作为工业和研究中心的原料出售。建议将一个设在意大利墨西拿的200千瓦光电厂和180千瓦电解器的系统作为一个案例研究。根据所进行的分析，并考虑到当前技术的发展，它已经发现，投资建立一个小型的以聚乙烯为基础的制氢工厂是有回报的。
关键词：氢；氧气；原料；财务分析
目 录
第1章 绪 论
1.1研究背景
清洁能源的发展对于限制气候变化及其破坏性影响至关重要，但这应与可靠的能源供应结合起来，以保证社会和经济进步。可再生能源在解决所有这些问题方面发挥着关键作用。因此，世界主要工业化国家的政策旨在提高可再生能源所产生的能源的份额。这涉及到电力供应链的转型。
这是一个普遍的观点,可再生能源发挥主要作用减少温室气体(GHG)排放,根据国际能源署,太阳可能成为低碳电力容量的最大来源,到2040年,当所有的分享可再生能源(RES)的总发电量将达到40%,以中国和印度为首。在欧盟，2030年后不久，可再生能源将占新增产能的80%，特别是风能，由于陆上和海上部分的增长，将成为主要的电力来源(IEA, 2017)[1]。
目前，电力供应主要依靠燃料和电力，电力主要来自化石燃料。能源部门面临两大问题:(一)能源需求增长;(二)环境问题。因此，减少温室气体(GHG)排放意味着减少化石燃料的使用(也用于发电)，并增加电气化。电力是全球能源最终用途增长最快的能源:到2040年，最终消费增长的预期份额为40%。到那时，中国对冷却的电力需求将超过今天日本的总电力需求。由于电力供应的扩大，全世界每年平均新增4500万电力消费者。
对需求增长贡献最大的是亚洲的发展中国家，占全球能源增长的三分之二，还有中东、非洲和拉丁美洲。到2040年，为了满足不断增长的需求，中国需要在其电力基础设施中增加相当于目前美国电力系统的电力系统，而印度应该增加一个相当于今天欧盟规模的电力系统。在这个框架下，可再生能源可以在减少温室气体排放方面发挥主要作用。至于可再生能源发电，风能和太阳能可以很容易地分别通过风力发电和光伏发电转换成电能。集中太阳能发电系统正在开发中，以供大规模使用。截至2016年底，太阳能和风能装机容量(分别为296吉瓦和467吉瓦)占可再生能源装机容量的近40%。中国的太阳能和风能装机容量达到2260万千瓦，占世界总容量的30%，处于市场领先地位。
需要解决的一个关键问题是，可再生能源发电高度依赖天气，这导致了电力系统的不稳定性，由于这些来源的波动性;(二)供需矛盾。因此，储能系统变得越来越重要。对不同的储能技术(抽水蓄能、压缩空气储能、电池等)的详细分析在最近的许多出版物中都有报道(参见参考文献[3])。由于其灵活性和广泛的用途，氢存储似乎是最有前途的解决方案之一，以存储多余的能源从RES。因此，氢能被认为是未来可持续、大规模、长期储存绿色可再生能源的关键技术。
目前，氢主要由化石燃料[5]生产(约96%)。蒸汽甲烷重整(SMR)是目前应用最广泛的天然气制氢工艺。此外，其他热化学转化技术也可以通过不同的途径[6]生产氢气，但这些传统工艺都不是没有温室气体的。
基于可再生能源(太阳能、风能、地热、水力)产生的电力的水电解是最环保的过程。这种有吸引力的制氢方法是一种成熟成熟的技术，目前仅占制氢总量的4%。这一份额有限的原因主要是由于生产氢气的成本，它比传统方法获得的成本要高。但是电解氢在未来几年将有更大的发展:到2050年，全世界22%的氢生产将来自于[7]路线。
氢是一种有用的能量存储介质，但它也是许多工业过程的原料，到目前为止，几乎占了整个氢消耗。
1.2研究目的
本文的研究主要集中在作为原料的氢气的生产和销售上。从一个假设的工厂的技术经济分析开始，作为一个案例研究，我们评估了其财务和经济的可持续性。据推测，该工厂位于意大利南部西西里小镇墨西拿(Messina)，生产的氢气被投放到技术气体市场。
研究发现，在现有的碱性电解电池系统下，投资回报率(12年内)和盈利能力是可以实现的，但前提是除氢之外还要出售氧。特别是，电解产生的大量氧气可以用于一些医疗和生态位应用。
结果表明，有理由相信，在不久的将来，氢气分布式生产将会得到广泛的应用和发展。
1.3研究内容
论文分为三个部分。第一部分简要概述了RES制氢技术及其在各部门的应用。有一段专门讨论氢作为原料的使用及其市场趋势。第二部分给出了案例研究的描述，以及进行经济-金融分析的方法方法和所研究的两个假设。结果和结论在本工作的最后一部分中报告。
第2章 相关概念及理论基础
2.1 RES制氢的概述
氢有多种用途，可以从各种原料中生产，也可以从某些工业过程(如氯碱)中回收。电解水制氢以清洁(无碳)的方式产生高纯氢。但这一过程依赖于电力，因此当电力来源于稀土时，电解实际上是绿色的。目前，电解被认为是一种比蒸汽甲烷重整(SMR)更昂贵的方法。
今天发展了三种主要的电解技术：
碱性电解电池(AEC):这是一项成熟的技术，应用于工业，特别是化学工业(如制氯)。AEC电解器目前的使用寿命为20年。碱性技术最初的设计并不是很灵活，传统上是在恒定的负荷下进行工业操作。尽管如此，最近的进展应该得到关注，使AEC技术在短时间内与网格服务的应用程序兼容。然而，目前由于AEC技术不如PEMEC技术灵活，制造商和运营商可能获得的额外收入是有限的。碱性电解液使用液体电解质(如KOH)，通常在60-80℃下工作。
质子交换膜电解电池(PEMEC):目前市场上已经有了，正在迅速扩大市场份额。与目前的AEC技术[9]相比，它们的占地面积更小，操作更灵活，工作范围更广，响应时间更短。这种灵活性可能提供了一个新的收入来源，从多个电力市场，以弥补较高的投资成本相比，AEC电解器。PEMEC使用固体聚合物电解质，工作温度低于80℃。
固体氧化物电解电池(SOEC):该技术可以达到更高的能效，但仍处于发展的早期阶段。SOEC使用质子导电陶瓷膜，在高温(600-1000℃)下工作。
目前，面临的最关键的挑战，特别是对聚合物，但也为碱性电解器制造商，是技术规模扩大和成本降低，从更广泛的部署和使用。
如前所述，电解氢用于需要高纯氢时，或当过剩的低成本电力是可用的。因此，由于可再生能源技术的早期发展，由于其波动性，电解氢被认为是一种有趣的能源存储解决方案。
正如Dickinsonet [10]所证明的，电解氢化生产，即所谓的电转氢(P2H)概念，有许多最终用途，其中包括各种高价值的服务和产品，即所谓的氢转x (H2X)。因此，氢可以成为低碳经济的一个关键因素，使工业、交通和能源部门(电力、天然气和供热/制冷)脱碳成为可能。
电解制氢的途径如图1所示，并说明了可能的应用和用途。
在我们之前的工作[11]中广泛报道过，Power-to- Power (P2P)应用。在美国，通过电解、储存和(再)转换成能源的燃料电池或燃气轮机来产生氢的电力对离网应用(例如，农村和偏远地区或备用系统)很有吸引力，但在并网应用方面还没有竞争力。
氢将用于满足电力需求，但也包括其他需求，如热(动力对动力)和燃料(动力对燃料)。电转气(P2G)概念与以气体形式储存能量直接相关。特别是，大量的气态氢可以储存在地下的盐穴、含水层和枯竭的油气藏中(见参考文献[12])。基于P2G途径，电解制氢也可直接注入现有天然气网络(共混)，用于热电联产。另一种发电制气的方法是通过电解和甲烷化反应产生合成甲烷，储存或输送到电网。电解生产的氢也可以作为清洁燃料(动力转化为燃料)输送到燃料补给站，用于燃料电池电动汽车(FCEVs)的移动应用，或作为工业部门的化学原料(动力转化为燃料)。
图1所述的Power-to-X通路示意图
2.2 氢气作为原料
如上所述，SMR或电解制氢可用于许多领域。例如，它可以作为一些工业过程的原料。全球氢原料市场最近估计为1150亿美元，并预计在未来几年显著增加，到2022年达到1550亿美元的[13]。2015年，全球每年对氢的需求约为8埃克斯焦。
氢的主要工业产品有:
化工产品:氨、聚合物和树脂生产是工业氢的主要市场。
精炼:氢用于加氢裂化和加氢处理(从燃料中去除硫)过程。炼油厂是工业氢的第二大消费者。
钢铁:一个创新的过程，称为氢直接还原铁，可能是一个垫脚石对于节能(低比能耗)和低碳(天然气、煤炭和焦炭在传统工艺中通常用作还原剂)炼钢。考虑到这一过程目前处于示范阶段，相应的全球对氢的需求相对较小。
氢需求的最大份额来自化工和炼油行业。其他工业部门也使用氢，但它们在全球需求中的累计份额很小(仅为1%)。这些领域包括:玻璃制造、食品产品(脂肪氢化)、散装和特殊化学品、半导体、大型固定发电机的冷却、航天飞机的推进剂燃料等。
因此，大型工业部门，如精炼厂和化学产品生产，预计将是早期动力制氢的关键市场。特别是al - subaie等人[12]声称，在不需要增加FCEV市场渗透的情况下，炼油和化工行业可以瞬间消耗氢气。
目前，作为工业原料的氢气主要在专用工厂现场生产，或作为其他工艺的副产品(20-30%[14])。例如，在欧洲和美国，SMR是主要的选择。在中国，虽然煤炭气化也用于金属和石化生产，但其主要用途是副产物氢的定价。在澳大利亚，氢在很大程度上是通过煤炭气化产生的。
根据氢理事会[14]的数据，到2050年，受全球能源需求上升的推动，单是目前的氢应用需求就可能达到7000万吨(10 EJ)
化学品生产。
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