風(fēng)電制氫經(jīng)濟(jì)性分析
來源：北極星氫能網(wǎng) 2019-11-07
前不久，吉林白城市與國(guó)家電投吉林電力股份有限公司簽定風(fēng)能制氫一體化項(xiàng)目協(xié)議，風(fēng)電制氫到底有沒有前景？風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)鞘裁矗坎捎蔑L(fēng)電制氫方式在東北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)性如何？結(jié)合現(xiàn)有市場(chǎng)信息，管中窺豹。
風(fēng)電制氫的綠色倫理
因?yàn)槔煤笈欧盼锸菬o污染的水，氫能享有“二十一世紀(jì)的終極能源”的美譽(yù)。但作為二次能源，氫能仍需采用一次能源進(jìn)行制取。以化石能源的方式制氫，會(huì)增加碳排放，不符合發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的初衷。只有大規(guī)模、足夠便宜地使用可再生能源制氫，才能推動(dòng)我國(guó)走上可持續(xù)用氫之路。
利用綠色能源——風(fēng)電，與自然資源——水來制氫，可以使氫能的綠色屬性覆蓋至生產(chǎn)與材料端，從而令每一個(gè)H2分子源于自然，歸于自然。這成就了氫能成為極少數(shù)能源生產(chǎn)與能源應(yīng)用都清潔環(huán)保的能源形式。
氫能也是唯一可同時(shí)應(yīng)用在交通、電力、工業(yè)等領(lǐng)域的清潔能源。對(duì)于風(fēng)電而言，可將自身綠色屬性通過氫能在交通運(yùn)輸、工業(yè)和建筑等終端應(yīng)用行業(yè)實(shí)現(xiàn)延伸。同時(shí)，將棄風(fēng)所產(chǎn)生的損失，以轉(zhuǎn)化為氫能的方式進(jìn)行存儲(chǔ)、運(yùn)輸、應(yīng)用，能有效提高社會(huì)與自然資源利用率，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“風(fēng)電-氫能-應(yīng)用行業(yè)”全產(chǎn)業(yè)鏈深度脫碳。
風(fēng)電制氫的發(fā)展
歐美國(guó)家于本世紀(jì)初期就已開展了風(fēng)電制氫相關(guān)技術(shù)及可行性研究，并通過項(xiàng)目運(yùn)行驗(yàn)證技術(shù)可行性。我國(guó)從2010年起，已逐步開展建設(shè)示范項(xiàng)目，持續(xù)進(jìn)行此方面的探索。2019年3月氫能被首次寫入政府工作報(bào)告，引起市場(chǎng)的廣泛關(guān)注，全國(guó)多地紛紛出臺(tái)氫能源產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。
表：國(guó)內(nèi)外風(fēng)電制氫項(xiàng)目列表
以吉林白城為例，2019年5月正式對(duì)外發(fā)布《白城市新能源與氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出零污染物排放、可持續(xù)、全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展原則，其中提到將新能源電力開發(fā)與氫能生產(chǎn)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，為風(fēng)電消納開辟了一個(gè)新的思路。
風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)鏈
可再生能源受制于風(fēng)或光等外部資源變化，波動(dòng)性較大，需要傳統(tǒng)能源例如火電、水電進(jìn)行調(diào)峰以確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性，因此可再生能源發(fā)電上網(wǎng)比例取決于傳統(tǒng)能源發(fā)電的調(diào)峰能力。采用可再生能源制氫，輔以氫儲(chǔ)能技術(shù)，能有效地削峰調(diào)谷、平滑出力，將有助于實(shí)現(xiàn)中國(guó)《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略（2016~2030）》目標(biāo)，即2030年實(shí)現(xiàn)非化石能源發(fā)電量占比達(dá)到50%。
圖：通過氫氣將可再生能源整合至終端使用
目前全球制氫以化石燃料及化工副產(chǎn)制氫為主，占比約為96%，應(yīng)用領(lǐng)域也以工業(yè)化應(yīng)用為主。風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)鏈由風(fēng)力發(fā)電+電解水制氫+運(yùn)氫+下游應(yīng)用構(gòu)成，與傳統(tǒng)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的主要區(qū)別于發(fā)電及制氫環(huán)節(jié)，價(jià)值鏈也體現(xiàn)在這兩部分，即通過清潔能源加上電解水制氫完美地實(shí)現(xiàn)綠色氫能。
圖：風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)鏈
以東北為例
受內(nèi)部消納不足、外送通道缺乏及調(diào)峰空間有限制約，東北地區(qū)風(fēng)資源雖然豐富，但風(fēng)電發(fā)展緩慢，尤其是吉林省2016年棄風(fēng)率高達(dá)30%，2016~2018年連續(xù)三年受困投資紅色預(yù)警；黑龍江省2016年棄風(fēng)率達(dá)19%，2018年才由紅轉(zhuǎn)橙。
近幾年，國(guó)家采取一系列措施，包括建設(shè)扎魯特-青州±800kV特高壓直流外送通道、開展火電機(jī)組靈活性改造及積極建設(shè)東北輔助服務(wù)市場(chǎng)等，使風(fēng)電棄風(fēng)率大幅下降，但消納問題仍是制約東北風(fēng)電發(fā)展增量的核心關(guān)鍵。
表：東北地區(qū)2016~2018年風(fēng)電投資預(yù)警及棄風(fēng)情況
廣義和狹義的風(fēng)電制氫
“化風(fēng)為氫”是風(fēng)電消納的新思路，對(duì)此可采用兩種商業(yè)模式，即廣義風(fēng)電制氫與狹義風(fēng)電制氫。廣義風(fēng)電制氫：通過開發(fā)尚未利用的風(fēng)能資源，將風(fēng)電全部用于制氫，然后供氫給下游產(chǎn)業(yè)，從而挖掘風(fēng)電增量建設(shè)空間，擴(kuò)大氫氣的供應(yīng)量。狹義風(fēng)電制氫：針對(duì)已投運(yùn)的風(fēng)電項(xiàng)目，利用棄風(fēng)制氫，再供氫給下游產(chǎn)業(yè)，解決棄風(fēng)消納問題，進(jìn)一步提高收益，充分挖掘存量的消納空間，延伸綠色產(chǎn)業(yè)鏈條。按照上述定義，東北地區(qū)用于廣義制氫的風(fēng)能資源可開發(fā)量保守估計(jì)可達(dá)3.2億千瓦，而狹義制氫年可利用的棄風(fēng)等效電量達(dá)15.1億千瓦時(shí)。
表：東北地區(qū)廣義及狹義風(fēng)電制氫可開發(fā)利用量
制氫經(jīng)濟(jì)性評(píng)估
與傳統(tǒng)制氫方式相比，風(fēng)電制氫的核心關(guān)鍵是電價(jià)。電解水制氫成本70%來源于電價(jià)，每生產(chǎn)1立方米氫約耗電4kwh，耗水0.8公斤。電解水制氫可同時(shí)按照2：1副產(chǎn)氧，可將氧氣售賣平衡一部分制氫成本。
圖：主要制氫經(jīng)濟(jì)性比較（單位：元/Nm3）
從以上制氫成本與電價(jià)關(guān)系圖中可以看出，若采用市售電制氫，則電解水制氫成本遠(yuǎn)超其余制氫手段，完全不具備經(jīng)濟(jì)可行性。這也是為什么電解水制氫未規(guī)模化發(fā)展的一個(gè)重要原因。
隨著風(fēng)電開發(fā)建設(shè)成本的降低和發(fā)電效率的提高，以及結(jié)合風(fēng)電在超過盈虧平衡點(diǎn)發(fā)電利用小時(shí)數(shù)后邊際成本為零的優(yōu)勢(shì)，風(fēng)電制氫具備了經(jīng)濟(jì)可行性。
從下圖可見，當(dāng)電價(jià)成本控制在0.25元/kwh就可與傳統(tǒng)手段制氫成本持平，電價(jià)低于這個(gè)水平則具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)。2018年?yáng)|北地區(qū)棄風(fēng)電量達(dá)15.1億千瓦時(shí)，若利用零邊際成本的棄風(fēng)制氫，可制得約3.7億Nm3氫氣。
圖:電解水制氫成本與電價(jià)關(guān)系-考慮副產(chǎn)氧氣售賣
狹義風(fēng)電制氫經(jīng)濟(jì)性評(píng)估
狹義風(fēng)電制氫的成本主要來源于風(fēng)電場(chǎng)及制氫生產(chǎn)線投資，區(qū)別于廣義風(fēng)電制氫的是投資中需要考慮升壓站等并網(wǎng)投資。由于是利用棄風(fēng)發(fā)電的零邊際成本提高收益，需要對(duì)棄風(fēng)電力進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，從而優(yōu)化配置制氫設(shè)備容量最大化制氫收益，售電收益這一部分則取決于全生命周期度電成本。
案例：以東北地區(qū)某200MW風(fēng)電項(xiàng)目為例，采用風(fēng)力發(fā)電、優(yōu)先并網(wǎng)、棄風(fēng)制氫的運(yùn)營(yíng)模式。其風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模為200MW，電價(jià)按0.58元/kwh考慮。經(jīng)評(píng)估當(dāng)?shù)刭Y源稟賦及棄風(fēng)情況，設(shè)計(jì)4套400Nm3/h的制氫裝置作為配套，其最大用電負(fù)荷為10MW。考慮風(fēng)電制氫，年等效利用小時(shí)數(shù)按照2316小時(shí)計(jì)算（棄風(fēng)電量全部用來制氫），所得稅后全部投資內(nèi)部收益率10.66%。
廣義風(fēng)電制氫經(jīng)濟(jì)性評(píng)估
廣義風(fēng)電制氫的成本主要是風(fēng)電場(chǎng)及制氫生產(chǎn)線投資，無需進(jìn)行并網(wǎng)投資，收益全部來源于制氫所得氫氧收入，最終收益率取決于全生命周期度電成本的有效控制。
圖：廣義風(fēng)電制氫的核心要素
案例：考慮東北白城區(qū)域，風(fēng)力發(fā)電全部用于制氫，假設(shè)建設(shè)一個(gè)200MW風(fēng)電場(chǎng)，配置53臺(tái)600Nm3/h電解槽，根據(jù)年產(chǎn)氫氧量，可等效電價(jià)為0.5445元，全投資IRR計(jì)算結(jié)果為14.09%。
傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電模式經(jīng)濟(jì)性評(píng)估
采用狹義風(fēng)電制氫中的東北地區(qū)某200MW風(fēng)電項(xiàng)目為例，年等效利用小時(shí)數(shù)按照1800h計(jì)算，直接棄風(fēng)，電價(jià)按0.58元/kwh考慮，所得稅后全部投資內(nèi)部收益率7.22%。
綜上所述，針對(duì)東北地區(qū)風(fēng)資源稟賦優(yōu)異，消納有限的客觀環(huán)境，經(jīng)測(cè)算采用案例中廣義風(fēng)電制氫模式的經(jīng)濟(jì)性>狹義風(fēng)電制氫模式>純發(fā)電模式，在實(shí)際工程實(shí)施建設(shè)中，還需考慮氫氣儲(chǔ)運(yùn)及下游應(yīng)用等綜合因素進(jìn)一步評(píng)估。
