蔣珊

（中國(guó)石化集團(tuán)經(jīng)濟(jì)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(biāo)，力爭(zhēng)達(dá)成1.5℃溫控目標(biāo)。歐美主要工業(yè)國(guó)家提出2050 年實(shí)現(xiàn)碳中和。中國(guó)提出了2030年前碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的“30·60”目標(biāo)，工業(yè)、交通、發(fā)電、建筑等部門(mén)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(fèi)環(huán)節(jié)的高碳排領(lǐng)域加速向綠色化、低碳化方向轉(zhuǎn)型。氫能產(chǎn)業(yè)鏈較長(zhǎng)，涵蓋氫氣制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和應(yīng)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(qiáng)度大?？衫没茉粗迫。犹疾蹲?、封存（CCS）技術(shù)組合得到藍(lán)氫，但因CCS技術(shù)成本較高，導(dǎo)致藍(lán)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(wú)碳排放，但成本較高。中國(guó)氫能聯(lián)盟運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)方法建立了低碳?xì)?、清潔氫和可再生氫的量化?biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)體系1以制氫的碳排放值為主要評(píng)價(jià)依據(jù)。低碳?xì)涞拈撝禐?4.51 kgCO2/kgH2，清潔氫和可再生氫的閾值為4.9 kgCO2/kgH2，可再生氫同時(shí)要求制氫能源為可再生能源。。

當(dāng)前全球生產(chǎn)的氫氣96%來(lái)自化石能源，僅4%來(lái)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?yīng)用。全球氫氣年消費(fèi)量約1 億噸。從消費(fèi)領(lǐng)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(xué)品。2019 年中國(guó)氫氣消費(fèi)量約3 342 萬(wàn)噸，主要用于煉油和化工領(lǐng)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(guó)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(qiáng)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(shí)和我國(guó)“雙碳”目標(biāo)指導(dǎo)下，能源體系在加速向清潔化轉(zhuǎn)型，綠氫將成為未來(lái)氫能的主要來(lái)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(shí)碳排放甚至遠(yuǎn)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(xiàng)目，才能制取真正的綠氫?；诖?，該文重點(diǎn)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(cè)算假設(shè)如表1所示[6，8]。

表1 電解水制氫成本

電解水制氫設(shè)備、安裝、土建及其他總投資 1 410萬(wàn)元，當(dāng)用電價(jià)格為0.56元/kWh時(shí)，每年用電費(fèi)用為2 150萬(wàn)元，成本合計(jì)2 404萬(wàn)元，對(duì)應(yīng)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(guò)80%，因此電解水制氫對(duì)電價(jià)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(fēng)電和海上風(fēng)電項(xiàng)目制氫，隨著設(shè)備成本下降，規(guī)模效應(yīng)呈現(xiàn)，光伏、陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電的度電成本分別為0.21元/kWh、0.29元/kWh 和0.55 元/kWh 時(shí)（未考慮電網(wǎng)輸配電費(fèi)用），對(duì)應(yīng)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(fēng)電成本進(jìn)一步分別降至0.1、0.15元/kWh，則對(duì)應(yīng)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(lán)氫和綠氫制取成本預(yù)測(cè)

在不考慮碳價(jià)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(guān)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(duì)應(yīng)的制氫成本降至14 元/kg，可與多數(shù)灰氫展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，具體見(jiàn)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(fēng)力發(fā)電對(duì)應(yīng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電－電解水制氫成本與工業(yè)副產(chǎn)氫成本相當(dāng)，低于甲醇制氫成本（21元/kg）；但僅在風(fēng)能資源最好的地區(qū)，陸上風(fēng)電－電解水制氫成本低于天然氣制氫成本。2035年陸上風(fēng)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(jìng)爭(zhēng)。如果不考慮碳價(jià)和碳排放約束，未來(lái)30年內(nèi)陸上風(fēng)電－電解水制氫與煤制氫相比，在多數(shù)地區(qū)都不具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

圖2 陸上風(fēng)電-電解水制氫與傳統(tǒng)制氫成本比較

目前海上風(fēng)電發(fā)電成本較高，隨著風(fēng)機(jī)大型化和漂浮式海上風(fēng)電等技術(shù)的突破未來(lái)成本降幅較大，但依然高于陸上風(fēng)電和光伏。2020-2050年，隨著海上風(fēng)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(fēng)電－電解水制氫成本將由26～39元/kg降至14～21元/kg，具體見(jiàn)圖3。由于海上風(fēng)電度電成本高企，目前海上風(fēng)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(fēng)電成本降至0.25～0.47元/kWh[9]，在部分風(fēng)資源條件好的地區(qū)，海上風(fēng)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(fēng)電－電解水制氫的成本依然高于煤制氫 成本。

綜上所述，預(yù)計(jì)到2035年左右，隨著綠電成本的降低，綠氫與灰氫和藍(lán)氫相比都將更具備競(jìng)爭(zhēng)力；如果碳價(jià)同步快速上漲，時(shí)間節(jié)點(diǎn)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(dāng)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(dāng)綠電度電成本降至0.1元/kWh，可與灰氫展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。

圖3 海上風(fēng)電-電解水制氫與傳統(tǒng)制氫成本比較

3 碳價(jià)對(duì)灰氫-藍(lán)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(lái)當(dāng)綠電成本走低，碳價(jià)格走高后，灰氫-藍(lán)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(fēng)電）制氫的成本與灰氫相比將具有競(jìng)爭(zhēng)力。鑒于CCS技術(shù)尚未規(guī)模化發(fā)展，仍然面臨著高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、高耗能的挑戰(zhàn)，商業(yè)化應(yīng)用尚需時(shí)間，因此選用2030年作為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)比灰氫-藍(lán)氫-綠氫成本。由于海上風(fēng)電度電成本高，綠氫主要選取光伏發(fā)電和陸上風(fēng)電制氫模式。，以光伏發(fā)電和陸上風(fēng)電作為電力來(lái)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(jì)算可得，碳價(jià)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(lái)源：中國(guó)能源報(bào)，2019年9月2日，煤制氫：火熱背后存隱患。，假定碳價(jià)為0時(shí)煤制氫成本為10元/kg，碳價(jià)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(dāng)碳價(jià)高于0.4元/kgCO2時(shí)，煤制氫成本開(kāi)始高于綠電制氫成本；當(dāng)碳價(jià)高于0.5元/kg CO2時(shí)，煤制氫將高于煤制氫＋CCS 的制氫成本。即在2030年，當(dāng)碳價(jià)低于0.2元/kg CO2時(shí)，直接煤制氫的成本最低；當(dāng)碳價(jià)處于0.2～0.4元/kg CO2時(shí)，煤制氫與綠電制氫成本相當(dāng)，部分煤制氫項(xiàng)目成本低于煤制氫＋CCS制氫項(xiàng)目成本；當(dāng)碳價(jià)處于0.4～0.5元/kg CO2時(shí)，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(xiàng)目成本；當(dāng)碳價(jià)高于0.5元/kg CO2時(shí)，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(jì)性。

圖4 2030年灰氫-藍(lán)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(jì)算可得，碳價(jià)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(jià)為0時(shí)，天然氣制氫成本為17元/kg，碳價(jià)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(dāng)碳價(jià)高于0.25元/kg CO2時(shí)，部分天然氣制氫項(xiàng)目成本將高于天然氣制氫＋CCS的制氫成本；當(dāng)碳價(jià)高于1 元/kg CO2時(shí)，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(fēng)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(jià)的升高，綠電制氫的成本優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步凸顯。由于天然氣制氫排放的CO2相對(duì)較少，天然氣制氫＋CCS對(duì)降低由碳排產(chǎn)生成本的貢獻(xiàn)較小，反而會(huì)增加CCS 技術(shù)成本，經(jīng)濟(jì)性較差。只有當(dāng)碳價(jià)大于 1元/kg CO2時(shí)，天然氣制氫＋CCS的成本才會(huì)低于直接天然氣制氫成本，而2030年國(guó)內(nèi)碳價(jià)達(dá)到1元/kg CO2較難實(shí)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(duì)制氫環(huán)節(jié)實(shí)施內(nèi)部碳價(jià)格，將增加灰氫和藍(lán)氫成本。碳價(jià)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(dāng)碳價(jià)高于0.5元/kg CO2時(shí)，各制氫成本之間存在如下關(guān)系：灰氫＞藍(lán)氫（煤制氫＋CCS）＞綠氫。

圖5 2030年灰氫-藍(lán)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(guò)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(fēng)電和海上風(fēng)電項(xiàng)目制氫，現(xiàn)階段光伏、陸上風(fēng)電、海上風(fēng)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(fèi)用），對(duì)應(yīng)的制氫成本分別為15 元/kg、19 元/kg和33 元/kg，若光伏和風(fēng)電成本降至0.1 和0.15 元/kWh，對(duì)應(yīng)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(lán)氫與綠氫相對(duì)灰氫競(jìng)爭(zhēng)力不足。當(dāng)綠電度電成本由目前的0.5元/kWh降低至0.2元/kWh時(shí)，氫氣成本可下降約16元/kg；當(dāng)綠電度電成本降至0.1元/kWh，可與灰氫展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。因此，預(yù)計(jì)2035年左右，隨著綠電成本降低，綠氫與灰氫和藍(lán)氫相比都將具備競(jìng)爭(zhēng)力。

3）碳價(jià)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(dāng)碳價(jià)高于0.5 元/kg CO2時(shí)，各制氫成本之間存在如下關(guān)系：灰氫＞藍(lán)氫（煤制氫＋CCS）＞綠氫。

該文是理想狀態(tài)下進(jìn)行的測(cè)算，僅用于估算終端加氫站用氫場(chǎng)景（日用氫量在1 噸左右）在生產(chǎn)端使用綠氫、藍(lán)氫與灰氫的成本競(jìng)爭(zhēng)力，未考慮儲(chǔ)存和運(yùn)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(shí)數(shù)（全國(guó)平均：風(fēng)電2 000多小時(shí)，光伏1 100多小時(shí)）、電解水制氫裝置年利用小時(shí)數(shù)與工業(yè)規(guī)模用氫年利用小時(shí)數(shù)（7 200小時(shí)以上）的差異，以及由此帶來(lái)的制氫與用氫環(huán)節(jié)供需匹配，如何通過(guò)工業(yè)儲(chǔ)氫技術(shù)加以解決等問(wèn)題。此外，電解水制氫技術(shù)、煤和天然氣制氫技術(shù)指標(biāo)采用目前技術(shù)指標(biāo)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(huì)更快。