氫能突然熱了。

氫能的優(yōu)勢有哪些？

風電制氫產(chǎn)業(yè)鏈是什么？

采用風電制氫方式在東北地區(qū)的經(jīng)濟性如何？

結(jié)合現(xiàn)有市場信息，管中窺豹。

編者注：本文基于現(xiàn)有市場資料，測算可能存在偏差，僅供參考。

風電制氫的綠色倫理

因為利用后排放物是無污染的水，氫能享有“二十一世紀的終極能源”的美譽。但作為二次能源，氫能仍需采用一次能源進行制取。以化石能源的方式制氫，會增加碳排放，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，才能推動我國走上可持續(xù)用氫之路。

利用綠色能源——風電，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)與能源應用都清潔環(huán)保的能源形式。

氫能也是唯一可同時應用在交通、電力、工業(yè)等領域的清潔能源。對于風電而言，可將自身綠色屬性通過氫能在交通運輸、工業(yè)和建筑等終端應用行業(yè)實現(xiàn)延伸。同時，將棄風所產(chǎn)生的損失，以轉(zhuǎn)化為氫能的方式進行存儲、運輸、應用，能有效提高社會與自然資源利用率，進一步實現(xiàn)“風電-氫能-應用行業(yè)”全產(chǎn)業(yè)鏈深度脫碳。

風電制氫的發(fā)展

歐美國家于本世紀初期就已開展了風電制氫相關技術及可行性研究，并通過項目運行驗證技術可行性。我國從2010年起，已逐步開展建設示范項目，持續(xù)進行此方面的探索。2019年3月氫能被首次寫入政府工作報告，引起市場的廣泛關注，全國多地紛紛出臺氫能源產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。


以吉林白城為例，2019年5月正式對外發(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)進行有機結(jié)合，為風電消納開辟了一個新的思路。

風電制氫產(chǎn)業(yè)鏈

可再生能源受制于風或光等外部資源變化，波動性較大，需要傳統(tǒng)能源例如火電、水電進行調(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，輔以氫儲能技術，能有效地削峰調(diào)谷、平滑出力，將有助于實現(xiàn)中國《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略（2016~2030）》目標，即2030年實現(xiàn)非化石能源發(fā)電量占比達到50%。

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%，應用領域也以工業(yè)化應用為主。風電制氫產(chǎn)業(yè)鏈由風力發(fā)電+電解水制氫+運氫+下游應用構(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現(xiàn)綠色氫能。


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)風資源雖然豐富，但風電發(fā)展緩慢，尤其是吉林省2016年棄風率高達30%，2016~2018年連續(xù)三年受困投資紅色預警；黑龍江省2016年棄風率達19%，2018年才由紅轉(zhuǎn)橙。

近幾年，國家采取一系列措施，包括建設扎魯特-青州±800kV特高壓直流外送通道、開展火電機組靈活性改造及積極建設東北輔助服務市場等，使風電棄風率大幅下降，但消納問題仍是制約東北風電發(fā)展增量的核心關鍵。


廣義和狹義的風電制氫

“化風為氫”是風電消納的新思路，對此可采用兩種商業(yè)模式，即廣義風電制氫與狹義風電制氫。

廣義風電制氫：通過開發(fā)尚未利用的風能資源，將風電全部用于制氫，然后供氫給下游產(chǎn)業(yè)，從而挖掘風電增量建設空間，擴大氫氣的供應量。

狹義風電制氫：針對已投運的風電項目，利用棄風制氫，再供氫給下游產(chǎn)業(yè)，解決棄風消納問題，進一步提高收益，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)用于廣義制氫的風能資源可開發(fā)量保守估計可達3.2億千瓦，而狹義制氫年可利用的棄風等效電量達15.1億千瓦時。


制氫經(jīng)濟性評估

與傳統(tǒng)制氫方式相比，風電制氫的核心關鍵是電價。電解水制氫成本70%來源于電價，每生產(chǎn)1立方米氫約耗電4kwh，耗水0.8公斤。電解水制氫可同時按照2：1副產(chǎn)氧，可將氧氣售賣平衡一部分制氫成本。


從以上制氫成本與電價關系圖中可以看出，若采用市售電制氫，則電解水制氫成本遠超其余制氫手段，完全不具備經(jīng)濟可行性。這也是為什么電解水制氫未規(guī)模化發(fā)展的一個重要原因。

隨著風電開發(fā)建設成本的降低和發(fā)電效率的提高，以及結(jié)合風電在超過盈虧平衡點發(fā)電利用小時數(shù)后邊際成本為零的優(yōu)勢，風電制氫具備了經(jīng)濟可行性。

從下圖可見，當電價成本控制在0.25元/kwh就可與傳統(tǒng)手段制氫成本持平，電價低于這個水平則具備價格優(yōu)勢。2018年東北地區(qū)棄風電量達15.1億千瓦時，若利用零邊際成本的棄風制氫，可制得約3.7億Nm3氫氣。


狹義風電制氫經(jīng)濟性評估

狹義風電制氫的成本主要來源于風電場及制氫生產(chǎn)線投資，區(qū)別于廣義風電制氫的是投資中需要考慮升壓站等并網(wǎng)投資。由于是利用棄風發(fā)電的零邊際成本提高收益，需要對棄風電力進行精準計算，從而優(yōu)化配置制氫設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風電項目為例，采用風力發(fā)電、優(yōu)先并網(wǎng)、棄風制氫的運營模式。其風電場規(guī)模為200MW，電價按0.58元/kwh考慮。經(jīng)評估當?shù)刭Y源稟賦及棄風情況，設計4套400Nm3/h的制氫裝置作為配套，其最大用電負荷為10MW。考慮風電制氫，年等效利用小時數(shù)按照2316小時計算（棄風電量全部用來制氫），所得稅后全部投資內(nèi)部收益率10.66%。

廣義風電制氫經(jīng)濟性評估

廣義風電制氫的成本主要是風電場及制氫生產(chǎn)線投資，無需進行并網(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。


案例：考慮東北白城區(qū)域，風力發(fā)電全部用于制氫，假設建設一個200MW風電場，配置53臺600Nm3/h電解槽 ，根據(jù)年產(chǎn)氫氧量，可等效電價為0.5445元，全投資IRR計算結(jié)果為14.09%。

傳統(tǒng)風電場發(fā)電模式經(jīng)濟性評估

采用狹義風電制氫中的東北地區(qū)某200MW風電項目為例，年等效利用小時數(shù)按照1800h計算，直接棄風，電價按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，針對東北地區(qū)風資源稟賦優(yōu)異，消納有限的客觀環(huán)境，經(jīng)測算采用案例中廣義風電制氫模式的經(jīng)濟性>狹義風電制氫模式>純發(fā)電模式，在實際工程實施建設中，還需考慮氫氣儲運及下游應用等綜合因素進一步評估。