寫稿
投稿
前 言
“綠氨”被冠以“真正無碳”的可持續(xù)清潔能源，在減排、存儲和運(yùn)輸上具有相對優(yōu)勢，隨著技術(shù)進(jìn)步和成本的下降，綠氨的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)大。目前綠電制氫合成氨尚處于啟動摸索階段，還未形成成熟的商業(yè)模式，但是許多國家、企業(yè)都積極開展技術(shù)研究并規(guī)劃產(chǎn)業(yè)布局。綠電制氫氨系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性究竟如何？綠氨何時(shí)能打破綠氫瓶頸，形成規(guī)?；袌?？
一、電解水制氫合成氨系統(tǒng)
目前綠電制氫合成氨系統(tǒng)多采用間接合成路線，由可再生能源發(fā)電、電解水制氫及儲氫、空分制氮、合成氨等工序組成，是一個(gè)動態(tài)、連續(xù)非線性的工程系統(tǒng)。
圖1 工業(yè)電解水制氫合成氨系統(tǒng)構(gòu)成示意圖
二、電解水制氫成本及經(jīng)濟(jì)性
電解水制氫主要分為堿性電解水制氫（ALK）、質(zhì)子交換膜電解水制氫（PEM）、陰離子交換膜電解水制氫（AEM）和固體氧化物電解水制氫（SOEC）四條技術(shù)路線。
AEM和SOEC作為新興技術(shù)還未實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)，堿性電解水制氫技術(shù)成熟度高，成本低，應(yīng)用最為廣泛，可以用于規(guī)模較大的風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)。本文以堿性電解水制氫（ALK）路線為主進(jìn)行探討。
電解水制氫系統(tǒng)主要由電解槽主體以及 BOP 輔助系統(tǒng)組成。BOP 輔助系統(tǒng)由電力設(shè)備（電源、變壓器、整流器等）、氣液分離及干燥純化設(shè)備及其他設(shè)備構(gòu)成，其投資主要構(gòu)成如圖所示。
圖2 電解水制氫系統(tǒng)投資構(gòu)成
電解水制氫全生命周期成本一般包括設(shè)備成本、能源成本（電）、原料費(fèi)用（水及化學(xué)試劑等）、財(cái)務(wù)費(fèi)用、維修費(fèi)用以及其他運(yùn)營費(fèi)用。用電成本是決定電解水制氫單位成本的主要因素，生產(chǎn)運(yùn)行小時(shí)數(shù)次之，設(shè)備投資對制氫成本影響相對較小。電解水制氫系統(tǒng)整體能耗在5-6kW·h/Nm3，用電費(fèi)用占總成本比例約為70%-80%。
按照用電價(jià)格0.25元/kW·h，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)4000小時(shí)計(jì)算，制氫成本約為19元/kg，電價(jià)每降低0.05元/kW·h，制氫成本將降低約3元/kg。
假設(shè)條件：制氫系統(tǒng)投資10000元/Nm3，設(shè)備更新按初始投資20%，系統(tǒng)耗電5.5kW·h/Nm3。
圖3 電價(jià)與氫成本關(guān)系圖
目前化石燃料制氫生產(chǎn)成本約 10-17 元/kg，當(dāng)電解水制氫年運(yùn)行時(shí)間≥2000小時(shí)，用電價(jià)格至0.20元/kW·h，電解水制氫成本在13-19元/kg，接近化石能源制氫成本。
當(dāng)電解水制氫年運(yùn)行時(shí)間≥2000小時(shí)，用電價(jià)格至0.10元/kW·h時(shí)，電解水制氫成本在8-12元/kg，低于大部分灰氫成本，可初步具備經(jīng)濟(jì)競爭力。
在保證風(fēng)、光項(xiàng)目合理收益率的前提下，風(fēng)、光資源稟賦優(yōu)越地區(qū)已可以實(shí)現(xiàn)0.25元/kW·h左右供電價(jià)格。但是，考慮到綠電制氫系統(tǒng)需要配置較高比例儲能系統(tǒng)，在當(dāng)前投資水平下，實(shí)現(xiàn)0.2元/kW·h以下供電價(jià)格較為困難。風(fēng)電、光伏造價(jià)與其可承受電價(jià)如圖所示。
圖4 可再生能源可承受電價(jià)
三、氫合成氨成本及經(jīng)濟(jì)性
可再生能源合成氨技術(shù)，以清潔能源電解水生成的氫氣取代傳統(tǒng)工藝中的化石能源(煤、天然氣等)，與低溫空氣分離所得的氮?dú)饣旌?、加壓、純化后，通過合成氨反應(yīng)器生成氨。主要能量消耗包括原料氣壓縮功、循環(huán)氣壓縮功和氨分離的冷凍功耗。
合成氨的成本包含固定資產(chǎn)投資的折舊成本、運(yùn)營維護(hù)成本和原料能耗成本。
目前技術(shù)條件下，合成氨耗氫量約176kg/t，生產(chǎn)耗電量約 1000kW·h/t，其中氫原料成本占合成氨總成本比例約70%-85%，是影響合成氨價(jià)格的關(guān)鍵因素。氫成本每降低1元/kg，綠氨成本可降低約176元/t。
合成氨需要穩(wěn)定電源，一般采用網(wǎng)電或配儲綠電并配比網(wǎng)電，各地電價(jià)差異較大，電價(jià)每差異0.1元/kW·h，影響氨成本約100元/t。
假設(shè)制氫用電電價(jià)為0.25元/kW·h，則氫原料成本價(jià)格約為19元/kg，合成氨成本中氫原料成本約為3330元/t，合成氨用電電價(jià)0.35元/kW·h，綜合制氨電耗、折舊、財(cái)務(wù)、維修運(yùn)營等成本后，每噸合成氨生產(chǎn)成本在4100元左右，液氨運(yùn)輸方式按采用“槽車+鐵路”運(yùn)輸，運(yùn)輸成本約為200-300元/t，在該條件下，只有當(dāng)氨市場售價(jià)在5100元/t以上時(shí)，項(xiàng)目方具有經(jīng)濟(jì)性。
合成氨價(jià)格受市場供需影響較大，2017-2021 年，市場均價(jià)在 2768-3470 元/t，2022 年上半年市場均價(jià)飆升至在 3758-5110 元/t 之間，下半年一度跌落至2746 元/噸，之后有所回升，至2023年8月合成氨價(jià)格圍繞2500-3500元/噸區(qū)間震蕩。
圖5 合成氨價(jià)格走勢
綠氨若要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行，其成本還需要進(jìn)一步壓降。綠電合成氨成本與制氫用電電價(jià)關(guān)系如圖所示。
假設(shè)條件：合成氨設(shè)備545t/d(NH3)，合成氨用電電價(jià)0.35元/kW·h，暫不考慮氧、蒸汽等副產(chǎn)品收入。
圖6 不同電價(jià)下合成氨成本及價(jià)格分析
結(jié) 語
目前來看，制氫成本制約綠氨市場競爭力，大規(guī)模綠電制氫氨達(dá)到經(jīng)濟(jì)可行尚需時(shí)日。但是，在新能源消納壓力較大地區(qū)，利用風(fēng)電、光伏項(xiàng)目棄電制氫氨，已初步具備經(jīng)濟(jì)性。
提升綠電制氫氨系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，一方面可從進(jìn)一步壓降綠電成本，合理配比制氫氨容量入手。另一方面應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注“電–氫–氨”系統(tǒng)柔性控制模型的處理，以優(yōu)化制氫氨生產(chǎn)能耗和成本。在規(guī)范綠氫、綠氨配套標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破，且產(chǎn)業(yè)發(fā)展支撐政策逐步完善后，綠氨產(chǎn)業(yè)必將迎來飛速發(fā)展。
