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绿电制氢合成氨技术研究

“绿氨”被冠以“真正无碳”的可持续清洁能源，在减排、存储和运输上具有相对优势，随着技术进步和成本的下降，绿氨的应用领域将进一步扩大。目前绿电制氢合成氨尚处于启动摸索阶段，还未形成成熟的商业模式，但是许多国家、企业都积极开展技术研究并规划产业布局。绿电制氢氨系统经济性究竟如何？绿氨何时能打破绿氢瓶颈，形成规模化市场？

一、电解水制氢合成氨系统

目前绿电制氢合成氨系统多采用间接合成路线，由可再生能源发电、电解水制氢及储氢、空分制氮、合成氨等工序组成，是一个动态、连续非线性的工程系统。图1工业电解水制氢合成氨系统构成示意图

二、电解水制氢成本及经济性

电解水制氢主要分为碱性电解水制氢（ALK）、质子交换膜电解水制氢（PEM）、阴离子交换膜电解水制氢（AEM）和固体氧化物电解水制氢（SOEC）四条技术路线。AEM和SOEC作为新兴技术还未实现规模量产，碱性电解水制氢技术成熟度高，成本低，应用最为广泛，可以用于规模较大的风光发电系统。本文以碱性电解水制氢（ALK）路线为主进行探讨。电解水制氢系统主要由电解槽主体以及BOP辅助系统组成。BOP辅助系统由电力设备（电源、变压器、整流器等）、气液分离及干燥纯化设备及其他设备构成，其投资主要构成如图所示。

图2电解水制氢系统投资构成

电解水制氢全生命周期成本一般包括设备成本、能源成本（电）、原料费用（水及化学试剂等）、财务费用、维修费用以及其他运营费用。用电成本是决定电解水制氢单位成本的主要因素，生产运行小时数次之，设备投资对制氢成本影响相对较小。电解水制氢系统整体能耗在5-6kW·h/Nm3，用电费用占总成本比例约为70%-80%。按照用电价格0.25元/kW·h，年运行小时数4000小时计算，制氢成本约为19元/kg，电价每降低0.05元/kW·h，制氢成本将降低约3元/kg。假设条件：制氢系统投资10000元/Nm3，设备更新按初始投资20%，系统耗电5.5kW·h/Nm3。图3电价与氢成本关系图

目前化石燃料制氢生产成本约10-17元/kg，当电解水制氢年运行时间≥2000小时，用电价格至0.20元/kW·h，电解水制氢成本在13-19元/kg，接近化石能源制氢成本。当电解水制氢年运行时间≥2000小时，用电价格至0.10元/kW·h时，电解水制氢成本在8-12元/kg，低于大部分灰氢成本，可初步具备经济竞争力。在保证风、光项目合理收益率的前提下，风、光资源禀赋优越地区已可以实现0.25元/kW·h左右供电价格。但是，考虑到绿电制氢系统需要配置较高比例储能系统，在当前投资水平下，实现0.2元/kW·h以下供电价格较为困难。风电、光伏造价与其可承受电价如图所示。

图4可再生能源可承受电价

三、氢合成氨成本及经济性

可再生能源合成氨技术，以清洁能源电解水生成的氢气取代传统工艺中的化石能源(煤、天然气等)，与低温空气分离所得的氮气混合、加压、纯化后，通过合成氨反应器生成氨。主要能量消耗包括原料气压缩功、循环气压缩功和氨分离的冷冻功耗。合成氨的成本包含固定资产投资的折旧成本、运营维护成本和原料能耗成本。目前技术条件下，合成氨耗氢量约176kg/t，生产耗电量约1000kW·h/t，其中氢原料成本占合成氨总成本比例约70%-85%，是影响合成氨价格的关键因素。氢成本每降低1元/kg，绿氨成本可降低约176元/t。合成氨需要稳定电源，一般采用网电或配储绿电并配比网电，各地电价差异较大，电价每差异0.1元/kW·h，影响氨成本约100元/t。假设制氢用电电价为0.25元/kW·h，则氢原料成本价格约为19元/kg，合成氨成本中氢原料成本约为3330元/t，合成氨用电电价0.35元/kW·h，综合制氨电耗、折旧、财务、维修运营等成本后，每吨合成氨生产成本在4100元左右，液氨运输方式按采用“槽车+铁路”运输，运输成本约为200-300元/t，在该条件下，只有当氨市场售价在5100元/t以上时，项目方具有经济性。合成氨价格受市场供需影响较大，2017-2021年，市场均价在2768-3470元/t，2022年上半年市场均价飙升至在3758-5110元/t之间，下半年一度跌落至2746元/吨，之后有所回升，至2023年8月合成氨价格围绕2500-3500元/吨区间震荡。

图5合成氨价格走势

绿氨若要实现经济可行，其成本还需要进一步压降。绿电合成氨成本与制氢用电电价关系如图所示。假设条件：合成氨设备545t/d(NH3)，合成氨用电电价0.35元/kW·h，暂不考虑氧、蒸汽等副产品收入。

图6不同电价下合成氨成本及价格分析

结语

目前来看，制氢成本制约绿氨市场竞争力，大规模绿电制氢氨达到经济可行尚需时日。但是，在新能源消纳压力较大地区，利用风电、光伏项目弃电制氢氨，已初步具备经济性。提