“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。提升绿电制氢氨系统经济性，一方面可从进一步压降绿电成本，合理配比制氢氨容量入手。另一方面应重点关注“电–氢–氨”系统柔性控制模型的处理，以优化制氢氨生产能耗和成本。在规范绿氢、绿氨配套标准体系，实现关键技术突破，且产业发展支撑政策逐步完善后，绿氨产业必将迎来飞速发展。
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