“綠氨”被冠以“真正無碳”的可持續(xù)清潔能源,，在減排、存儲和運輸上具有相對優(yōu)勢,，隨著技術進步和成本的下降,，綠氨的應用領域將進一步擴大。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)都積極開展技術研究并規(guī)劃產(chǎn)業(yè)布局,。綠電制氫氨系統(tǒng)經(jīng)濟性究竟如何,？綠氨何時能打破綠氫瓶頸，形成規(guī)?；袌觯?/p>

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)構成示意圖

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）四條技術路線。

AEM和SOEC作為新興技術還未實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn),，堿性電解水制氫技術成熟度高,，成本低，應用最為廣泛,，可以用于規(guī)模較大的風光發(fā)電系統(tǒng),。本文以堿性電解水制氫（ALK）路線為主進行探討。

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。

圖2 電解水制氫系統(tǒng)投資構成

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（水及化學試劑等）、財務費用,、維修費用以及其他運營費用,。用電成本是決定電解水制氫單位成本的主要因素，生產(chǎn)運行小時數(shù)次之,，設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，用電費用占總成本比例約為70%-80%,。

按照用電價格0.25元/kW·h,，年運行小時數(shù)4000小時計算，制氫成本約為19元/kg,，電價每降低0.05元/kW·h,，制氫成本將降低約3元/kg。

假設條件：制氫系統(tǒng)投資10000元/Nm3,，設備更新按初始投資20%,，系統(tǒng)耗電5.5kW·h/Nm3。

圖3 電價與氫成本關系圖

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間≥2000小時,，用電價格至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間≥2000小時,，用電價格至0.10元/kW·h時，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,、光項目合理收益率的前提下,，風、光資源稟賦優(yōu)越地區(qū)已可以實現(xiàn)0.25元/kW·h左右供電價格,。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)，在當前投資水平下,，實現(xiàn)0.2元/kW·h以下供電價格較為困難,。風電、光伏造價與其可承受電價如圖所示,。

圖4 可再生能源可承受電價

氫合成氨成本及經(jīng)濟性

可再生能源合成氨技術,，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氣混合,、加壓、純化后,，通過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,、運營維護成本和原料能耗成本。

目前技術條件下,，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%,，是影響合成氨價格的關鍵因素,。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,，各地電價差異較大，電價每差異0.1元/kW·h,，影響氨成本約100元/t,。

假設制氫用電電價為0.25元/kW·h,，則氫原料成本價格約為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0.35元/kW·h,，綜合制氨電耗,、折舊、財務,、維修運營等成本后,，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 鐵路”運輸,，運輸成本約為200-300元/t,，在該條件下，只有當氨市場售價在5100元/t以上時,，項目方具有經(jīng)濟性,。

合成氨價格受市場供需影響較大，2017-2021 年,，市場均價在 2768-3470 元/t,，2022 年上半年市場均價飆升至在 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月合成氨價格圍繞2500-3500元/噸區(qū)間震蕩。

圖5 合成氨價格走勢

綠氨若要實現(xiàn)經(jīng)濟可行,，其成本還需要進一步壓降,。綠電合成氨成本與制氫用電電價關系如圖所示。

假設條件：合成氨設備545t/d(NH3),，合成氨用電電價0.35元/kW·h,，暫不考慮氧、蒸汽等副產(chǎn)品收入,。

圖6 不同電價下合成氨成本及價格分析

以上可知,，目前來看，制氫成本制約綠氨市場競爭力,，大規(guī)模綠電制氫氨達到經(jīng)濟可行尚需時日,。但是，在新能源消納壓力較大地區(qū),，利用風電,、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(tǒng)經(jīng)濟性,，一方面可從進一步壓降綠電成本,，合理配比制氫氨容量入手。另一方面應重點關注“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、綠氨配套標準體系,，實現(xiàn)關鍵技術突破,，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,。（龍源設計院）

來源：國際能源網(wǎng)/氫能匯