“綠氨"被冠以“真正無(wú)碳"的可持續清潔能源，在減排、存儲和運輸上具有相對優(yōu)勢，隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步和成本的下降，綠氨的應用領(lǐng)域將進(jìn)一步擴大。目前綠電制氫合成氨尚處于啟動(dòng)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(kāi)展技術(shù)研究并規劃產(chǎn)業(yè)布局。綠電制氫氨系統經(jīng)濟性究竟如何？綠氨何時(shí)能打破綠氫瓶頸，形成規?；袌?chǎng)？

一、電解水制氫合成氨系統

目前綠電制氫合成氨系統多采用間接合成路線(xiàn)，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(dòng)態(tài)、連續非線(xiàn)性的工程系統。

二、電解水制氫成本及經(jīng)濟性

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(xiàn)。

AEM和SOEC作為新興技術(shù)還未實(shí)現規模量產(chǎn)，堿性電解水制氫技術(shù)成熟度高，成本低，應用最為廣泛，可以用于規模較大的風(fēng)光發(fā)電系統。本文以堿性電解水制氫（ALK）路線(xiàn)為主進(jìn)行探討。

電解水制氫系統主要由電解槽主體以及 BOP 輔助系統組成。BOP 輔助系統由電力設備（電源、變壓器、整流器等）、氣液分離及干燥純化設備及其他設備構成，其投資主要構成如圖所示。

電解水制氫全生命周期成本一般包括設備成本、能源成本（電）、原料費用（水及化學(xué)試劑等）、財務(wù)費用、維修費用以及其他運營(yíng)費用。用電成本是決定電解水制氫單位成本的主要因素，生產(chǎn)運行小時(shí)數次之，設備投資對制氫成本影響相對較小。電解水制氫系統整體能耗在5-6kW·h/Nm3，用電費用占總成本比例約為70%-80%。

按照用電價(jià)格0.25元/kW·h，年運行小時(shí)數4000小時(shí)計算，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。

目前化石燃料制氫生產(chǎn)成本約 10-17 元/kg，當電解水制氫年運行時(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。

當電解水制氫年運行時(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)濟競爭力。

在保證風(fēng)、光項目合理收益率的前提下，風(fēng)、光資源稟賦*地區已可以實(shí)現0.25元/kW·h左右供電價(jià)格。但是，考慮到綠電制氫系統需要配置較高比例儲能系統，在當前投資水平下，實(shí)現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。

三、氫合成氨成本及經(jīng)濟性

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工藝中的化石能源(煤、天然氣等)，與低溫空氣分離所得的氮氣混合、加壓、純化后，通過(guò)合成氨反應器生成氨。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、運營(yíng)維護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、財務(wù)、維修運營(yíng)等成本后，每噸合成氨生產(chǎn)成本在4100元左右，液氨運輸方式按采用“槽車(chē)+鐵路"運輸，運輸成本約為200-300元/t，在該條件下，只有當氨市場(chǎng)售價(jià)在5100元/t以上時(shí)，項目方具有經(jīng)濟性。

合成氨價(jià)格受市場(chǎng)供需影響較大，2017-2021 年，市場(chǎng)均價(jià)在 2768-3470 元/t，2022 年上半年市場(chǎng)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/噸區間震蕩。

綠氨若要實(shí)現經(jīng)濟可行，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。

結 語(yǔ)

目前來(lái)看，制氫成本制約綠氨市場(chǎng)競爭力，大規模綠電制氫氨達到經(jīng)濟可行尚需時(shí)日。但是，在新能源消納壓力較大地區，利用風(fēng)電、光伏項目棄電制氫氨，已初步具備經(jīng)濟性。

提升綠電制氫氨系統經(jīng)濟性，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。另一方面應重點(diǎn)關(guān)注“電–氫–氨"系統柔性控制模型的處理，以?xún)?yōu)化制氫氨生產(chǎn)能耗和成本。在規范綠氫、綠氨配套標準體系，實(shí)現關(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(lái)飛速發(fā)展。

文章來(lái)源：國際能源研究中心

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