綠氫制取成本預測及與灰氫、藍氫對比

蔣珊

（中國石化集團經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司，北京 100029）

《巴黎協(xié)定》提出2℃溫升控制目標，力爭達成1.5℃溫控目標。歐美主要工業(yè)國家提出2050 年實現(xiàn)碳中和。中國提出了2030年前碳達峰、2060年實現(xiàn)碳中和的“30·60”目標，工業(yè)、交通、發(fā)電、建筑等部門都面臨巨大的碳減排壓力。發(fā)展氫能有利于能源生產(chǎn)消費環(huán)節(jié)的高碳排領域加速向綠色化、低碳化方向轉(zhuǎn)型。氫能產(chǎn)業(yè)鏈較長，涵蓋氫氣制取、儲存、運輸和應用等環(huán)節(jié)。從制氫環(huán)節(jié)看，可直接利用化石能源生產(chǎn)得到灰氫，成本較低但碳排放強度大?？衫没茉粗迫?，加碳捕捉、封存（CCS）技術(shù)組合得到藍氫，但因CCS技術(shù)成本較高，導致藍氫成本偏高；還可利用可再生能源得到綠氫，制備環(huán)節(jié)無碳排放，但成本較高。中國氫能聯(lián)盟運用生命周期評價方法建立了低碳氫、清潔氫和可再生氫的量化標準及評價體系1以制氫的碳排放值為主要評價依據(jù)。低碳氫的閾值為14.51 kgCO2/kgH2，清潔氫和可再生氫的閾值為4.9 kgCO2/kgH2，可再生氫同時要求制氫能源為可再生能源。。

當前全球生產(chǎn)的氫氣96%來自化石能源，僅4%來自電解氫或化工、冶金等工業(yè)副產(chǎn)氫，可再生能源制氫尚未規(guī)?；瘧?。全球氫氣年消費量約1 億噸。從消費領域看，61%用于煉油和合成氨等，39%用于生產(chǎn)甲醇和其他化學品。2019 年中國氫氣消費量約3 342 萬噸，主要用于煉油和化工領域?；覛涞母咛寂藕途G氫的高成本是制約氫能健康可持續(xù)發(fā)展的最重要因素。目前，國內(nèi)氫氣制取環(huán)節(jié)的煤制氫路線成本最低，低于11 元/kgH2，但碳排放強度最高；電解水制氫成本最高，為34～45元/kgH2；工業(yè)副產(chǎn)氫成本在13～23元/kgH2[1-7]。

在全球碳中和共識和我國“雙碳”目標指導下，能源體系在加速向清潔化轉(zhuǎn)型，綠氫將成為未來氫能的主要來源。鑒于目前網(wǎng)電主要為火電，網(wǎng)電制氫只是將CO2排放前移到了發(fā)電側(cè)，其真實碳排放甚至遠高于煤制氫產(chǎn)生的碳排放，因此在可再生能源發(fā)電（綠電）占網(wǎng)電比例大幅提高前，只有建立可再生能源發(fā)電＋電解水制氫一體化項目，才能制取真正的綠氫?；诖?，該文重點研究綠電＋電解水制氫的綠氫發(fā)展模式。

1 電解水制氫成本分析

以制氫規(guī)模1 000 Nm3/h的電解水制氫為例，裝置采用電解槽技術(shù)及三塔流程純化工藝，測算假設如表1所示[6，8]。

表1 電解水制氫成本

電解水制氫設備、安裝、土建及其他總投資 1 410萬元，當用電價格為0.56元/kWh時，每年用電費用為2 150萬元，成本合計2 404萬元，對應氫氣成本3元/Nm3（合34元/kg）。電解水制氫成本中用電成本占比超過80%，因此電解水制氫對電價十分敏感，度電成本是影響綠氫成本的重要因素。若采用自建光伏、陸上風電和海上風電項目制氫，隨著設備成本下降，規(guī)模效應呈現(xiàn)，光伏、陸上風電、海上風電的度電成本分別為0.21元/kWh、0.29元/kWh 和0.55 元/kWh 時（未考慮電網(wǎng)輸配電費用），對應的制氫成本分別為1.3元/Nm3（15元/kg）、 1.7 元/Nm3（19 元/kg）和2.9 元/Nm3（33 元/kg）；若光伏和風電成本進一步分別降至0.1、0.15元/kWh，則對應的制氫成本降至0.8元/Nm3（9元/kg）和1.0元/Nm3（12元/kg），如表2所示。

2 灰氫、藍氫和綠氫制取成本預測

在不考慮碳價和CCS技術(shù)的情況下，假定煤制氫成本在5～15元/kg，天然氣制氫成本為9～18元/kg[2]，甲醇制氫成本約21元/kg。工業(yè)副產(chǎn)氫綜合成本在13～23元/kg H2（包括提純成本）。

度電成本是影響電解水制氫成本最關鍵的因素，電解水制氫成本隨著綠電成本變化而變化。2030年以后大部分地區(qū)光伏發(fā)電度電成本將從目前的0.3元/kWh降至0.2元/kWh以下[9]，對應的制氫成本降至14 元/kg，可與多數(shù)灰氫展開競爭，具體見圖1。2050年光伏度電成本有望降至0.08元/kWh[9]，光伏發(fā)電－電解水制氫成本可降至7元/kg，低于甲醇制氫、天然氣制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫成本。

表2 光伏和風力發(fā)電對應氫氣成本

圖1 光伏發(fā)電-電解水制氫與傳統(tǒng)制氫成本比較

陸上風電的發(fā)電成本稍高于光伏發(fā)電成本，2020-2050年，隨著陸上風電的度電成本從0.21～0.34元/kWh降至0.11～0.17元/kWh[9]，陸上風電－電解水制氫成本將由14～22元/kg降至9～13元/kg。如圖2所示，目前陸上風電－電解水制氫成本與工業(yè)副產(chǎn)氫成本相當，低于甲醇制氫成本（21元/kg）；但僅在風能資源最好的地區(qū)，陸上風電－電解水制氫成本低于天然氣制氫成本。2035年陸上風電度電成本降至0.2元/kWh，制氫成本將低于工業(yè)副產(chǎn)氫成本，也可與天然氣制氫成本競爭。如果不考慮碳價和碳排放約束，未來30年內(nèi)陸上風電－電解水制氫與煤制氫相比，在多數(shù)地區(qū)都不具有競爭優(yōu)勢。

圖2 陸上風電-電解水制氫與傳統(tǒng)制氫成本比較

目前海上風電發(fā)電成本較高，隨著風機大型化和漂浮式海上風電等技術(shù)的突破未來成本降幅較大，但依然高于陸上風電和光伏。2020-2050年，隨著海上風電的度電成本從0.43～0.66元/kWh降至0.2～0.33元/kWh[9]，陸上風電－電解水制氫成本將由26～39元/kg降至14～21元/kg，具體見圖3。由于海上風電度電成本高企，目前海上風電－電解水制氫成本完全高于灰氫成本，到2025-2030年，隨著海上風電成本降至0.25～0.47元/kWh[9]，在部分風資源條件好的地區(qū)，海上風電－電解水制氫成本將略低于甲醇制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和天然氣制氫。但即使到2050年，海上風電－電解水制氫的成本依然高于煤制氫 成本。

綜上所述，預計到2035年左右，隨著綠電成本的降低，綠氫與灰氫和藍氫相比都將更具備競爭力；如果碳價同步快速上漲，時間節(jié)點還將提前。綠電的度電成本每降低0.1元/kWh，氫氣成本將降低約 5元/kg。當綠電度電成本由目前的0.5元/kWh降低至0.2元/kWh，氫氣成本可下降約16元/kg；當綠電度電成本降至0.1元/kWh，可與灰氫展開競爭。

圖3 海上風電-電解水制氫與傳統(tǒng)制氫成本比較

3 碳價對灰氫-藍氫-綠氫制取環(huán)節(jié)成本的影響

目前灰氫在工業(yè)用氫中成本最低。未來當綠電成本走低，碳價格走高后，灰氫-藍氫-綠氫的成本將發(fā)生變化。

2030年2到2030年左右，在多數(shù)地區(qū)，綠電（光伏和陸上風電）制氫的成本與灰氫相比將具有競爭力。鑒于CCS技術(shù)尚未規(guī)?；l(fā)展，仍然面臨著高風險、高成本、高耗能的挑戰(zhàn)，商業(yè)化應用尚需時間，因此選用2030年作為時間節(jié)點，對比灰氫-藍氫-綠氫成本。由于海上風電度電成本高，綠氫主要選取光伏發(fā)電和陸上風電制氫模式。，以光伏發(fā)電和陸上風電作為電力來源的綠氫成本約10～16元/kg。煤制氫產(chǎn)生的CO2為11～25 kg CO2/kgH2，結(jié)合CCS技術(shù)后，碳排降低至2～7 kg CO2/kgH2[10]。計算可得，碳價每增加0.1元/kg CO2，煤制氫成本將增加1 ～2.5 元/kg。2030 年CCS 成本約為0.21元/kg CO23數(shù)據(jù)來源：中國能源報，2019年9月2日，煤制氫：火熱背后存隱患。，假定碳價為0時煤制氫成本為10元/kg，碳價每增加0.1元/kgCO2煤制氫的成本增加約2元/kg。

如圖4所示，當碳價高于0.4元/kgCO2時，煤制氫成本開始高于綠電制氫成本；當碳價高于0.5元/kg CO2時，煤制氫將高于煤制氫＋CCS 的制氫成本。即在2030年，當碳價低于0.2元/kg CO2時，直接煤制氫的成本最低；當碳價處于0.2～0.4元/kg CO2時，煤制氫與綠電制氫成本相當，部分煤制氫項目成本低于煤制氫＋CCS制氫項目成本；當碳價處于0.4～0.5元/kg CO2時，煤制氫成本高于綠電制氫成本，但仍低于部分煤制氫＋CCS制氫項目成本；當碳價高于0.5元/kg CO2時，不采取任何措施的煤制氫成本與綠電制氫和煤制氫＋CCS相比，都不再具有經(jīng)濟性。

圖4 2030年灰氫-藍氫-綠氫成本比較（煤制氫）

天然氣制氫產(chǎn)生的CO2為8～16kg CO2/kgH2，結(jié)合CCS技術(shù)后，碳排降低至1～6kg CO2/kgH2[10]。計算可得，碳價每增加0.1元/kgCO2，天然氣制氫的成本增加約0.8～1.6元/kg。假定碳價為0時，天然氣制氫成本為17元/kg，碳價每增加0.1元/kgCO2，天然氣制氫的成本增加約1元/kg。

如圖5所示，當碳價高于0.25元/kg CO2時，部分天然氣制氫項目成本將高于天然氣制氫＋CCS的制氫成本；當碳價高于1 元/kg CO2時，天然氣制氫成本完全高于天然氣制氫＋CCS的制氫成本。由于光伏和陸上風電度電成本快速下降，2030 年綠電制氫成本已完全低于天然氣制氫成本；隨著碳價的升高，綠電制氫的成本優(yōu)勢將進一步凸顯。由于天然氣制氫排放的CO2相對較少，天然氣制氫＋CCS對降低由碳排產(chǎn)生成本的貢獻較小，反而會增加CCS 技術(shù)成本，經(jīng)濟性較差。只有當碳價大于 1元/kg CO2時，天然氣制氫＋CCS的成本才會低于直接天然氣制氫成本，而2030年國內(nèi)碳價達到1元/kg CO2較難實現(xiàn)，因此短期內(nèi)可不考慮天然氣制氫＋CCS模式。

因此，如果對制氫環(huán)節(jié)實施內(nèi)部碳價格，將增加灰氫和藍氫成本。碳價每增加0.1元/kg CO2，煤制氫成本將增加1 ～2.5 元/kg，天然氣制氫成本將增加0.8～1.6元/kg。2030年，當碳價高于0.5元/kg CO2時，各制氫成本之間存在如下關系：灰氫＞藍氫（煤制氫＋CCS）＞綠氫。

圖5 2030年灰氫-藍氫-綠氫成本比較 （天然氣制氫）

4 結(jié)論

1）電解水制氫成本中用電成本占比超過80%，度電成本成為影響綠氫成本的重要因素。鑒于目前網(wǎng)電以火電為主，為控制CO2排放，若采用自建光伏、陸上風電和海上風電項目制氫，現(xiàn)階段光伏、陸上風電、海上風電的度電成本為0.21 元/kWh、0.29 元/kWh 和0.55 元/kWh（未考慮電網(wǎng)輸配電費用），對應的制氫成本分別為15 元/kg、19 元/kg和33 元/kg，若光伏和風電成本降至0.1 和0.15 元/kWh，對應的制氫成本降至9元/kg和12元/kg。

2）目前，灰氫在工業(yè)用氫中成本最低，藍氫與綠氫相對灰氫競爭力不足。當綠電度電成本由目前的0.5元/kWh降低至0.2元/kWh時，氫氣成本可下降約16元/kg；當綠電度電成本降至0.1元/kWh，可與灰氫展開競爭。因此，預計2035年左右，隨著綠電成本降低，綠氫與灰氫和藍氫相比都將具備競爭力。

3）碳價每增加0.1 元/kg CO2，煤制氫成本將增加1 ～2.5 元/kg，天然氣制氫成本將增加0.8 ～1.6 元/kg。2030 年當碳價高于0.5 元/kg CO2時，各制氫成本之間存在如下關系：灰氫＞藍氫（煤制氫＋CCS）＞綠氫。

該文是理想狀態(tài)下進行的測算，僅用于估算終端加氫站用氫場景（日用氫量在1 噸左右）在生產(chǎn)端使用綠氫、藍氫與灰氫的成本競爭力，未考慮儲存和運輸環(huán)節(jié)成本。如果是工業(yè)規(guī)模用氫，還需考慮新能源年發(fā)電小時數(shù)（全國平均：風電2 000多小時，光伏1 100多小時）、電解水制氫裝置年利用小時數(shù)與工業(yè)規(guī)模用氫年利用小時數(shù)（7 200小時以上）的差異，以及由此帶來的制氫與用氫環(huán)節(jié)供需匹配，如何通過工業(yè)儲氫技術(shù)加以解決等問題。此外，電解水制氫技術(shù)、煤和天然氣制氫技術(shù)指標采用目前技術(shù)指標數(shù)據(jù)，隨著電解水制氫技術(shù)的快速發(fā)展，綠氫成本下降速度會更快。