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)劃產業(yè)布局。綠電制氫氨系統(tǒng)經濟性究竟如何？綠氨何時能打破綠氫瓶頸，形成規(guī)模化市場？

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

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(xiàn)規(guī)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(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(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

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(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(wěn)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(qū)間震蕩。

圖5 合成氨價格走勢

綠氨若要實現(xiàn)經濟可行，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、蒸汽等副產品收入。

圖6 不同電價下合成氨成本及價格分析

結 語

目前來看，制氫成本制約綠氨市場競爭力，大規(guī)模綠電制氫氨達到經濟可行尚需時日。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，已初步具備經濟性。

提升綠電制氫氨系統(tǒng)經濟性，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，且產業(yè)發(fā)展支撐政策逐步完善后，綠氨產業(yè)必將迎來飛速發(fā)展。