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綠電制氫合成氨，經濟性幾何？

作者:官方來源:龍源設計院所屬欄目:行業知識發布時間:2023-08-31 10:46

[ 導讀 ]綠電制氫氨系統經濟性究竟如何？綠氨何時能打破綠氫瓶頸，形成規模化市場？

前言

“綠氨”被冠以“真正無碳”的可持續清潔能源，在減排、存儲和運輸上具有相對優勢，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模式，但是許多國家、企業都積極開展技術研究并規劃產業布局。綠電制氫氨系統經濟性究竟如何？綠氨何時能打破綠氫瓶頸，形成規模化市場？

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，由可再生能源發電、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、連續非線性的工程系統。

圖1 工業電解水制氫合成氨系統構成示意圖

二、電解水制氫成本及經濟性

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規模量產，堿性電解水制氫技術成熟度高，成本低，應用最為廣泛，可以用于規模較大的風光發電系統。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。

圖2 電解水制氫系統投資構成

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，生產運行小時數次之，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%。

按照用電價格0.25元/kW·h，年運行小時數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：制氫系統投資10000元/Nm3，設備更新按初始投資20%，系統耗電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、光資源稟賦優越地區已可以實現0.25元/kW·h左右供電價格。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，實現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

三、氫合成氨成本及經濟性

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。

合成氨需要穩定電源，一般采用網電或配儲綠電并配比網電，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/噸區間震蕩。