可再生能源制氫一體化項(xiàng)目碳減排研究

黃 勁

中國(guó)石化集團(tuán)新星石油有限責(zé)任公司 北京 100083

引言

氫能來(lái)源廣泛,制氫方式多樣,包括煤制氫、天然氣制氫、副產(chǎn)氫、電解制氫等[1]?？稍偕茉粗茪涫侵笟淠墚a(chǎn)業(yè)鏈以光伏、風(fēng)電、水電等可再生能源發(fā)電或核電為起點(diǎn)所發(fā)電力電解水制氫,所制氫氣被稱為可再生氫或“綠氫”,可實(shí)現(xiàn)氫能從生產(chǎn)端到消費(fèi)端的全生命周期零排放,是未來(lái)制氫的發(fā)展方向。2022年3月,國(guó)家能源局發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035年)》,可再生能源制氫成為了企業(yè)布局熱點(diǎn)。同時(shí)國(guó)家也出臺(tái)了各類電力政策支持新能源發(fā)展,其中“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”是以“電源、電網(wǎng)、負(fù)荷、儲(chǔ)能”為整體規(guī)劃的新型電力運(yùn)行模式,與可再生能源制氫一體化項(xiàng)目(簡(jiǎn)稱“綠電制氫項(xiàng)目”,下同)十分契合。

可再生氫是石油、煉化等行業(yè)實(shí)現(xiàn)深度脫碳的重要途徑,目前相比傳統(tǒng)化石能源制氫成本偏高,但具有重要的碳減排意義。同時(shí),現(xiàn)有的碳交易市場(chǎng)中,碳排放單位每年可以使用國(guó)家核證自愿減排量(CCER)抵銷碳排放配額的清繳。因此,研究可再生能源制氫碳減排并建立相應(yīng)的CCER方法學(xué),能夠帶來(lái)較可觀的收益,促進(jìn)和支持可再生能源制氫發(fā)展。

對(duì)于可再生能源制氫的碳減排及其方法學(xué)的研究,現(xiàn)階段基本還沒(méi)有。研究者們重點(diǎn)對(duì)于各類制氫方式的碳足跡/碳排放進(jìn)行研究,如田濤等[2]以實(shí)際運(yùn)行的工業(yè)裝置數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),核算了多個(gè)制氫過(guò)程碳足跡,得到煤制氫、天然氣制氫等碳足跡結(jié)論;沈威等[3]分析了化石能源和電解水制氫的成本,根據(jù)不同制氫方法得出相應(yīng)碳排放強(qiáng)度;李慶勛等[4]研究了不同制氫過(guò)程經(jīng)濟(jì)性和幾類煤制化工品的碳排放強(qiáng)度;張彩麗[5]研究了煤制氫與天然氣制氫成本分析并提出了發(fā)展優(yōu)化建議等。上述研究主要是針對(duì)傳統(tǒng)制氫過(guò)程的碳足跡,研究者們對(duì)于可再生能源制氫的碳減排及其方法學(xué)研究較少。本文根據(jù)可再生能源制氫流程,考慮到可再生能源制氫既與電力行業(yè)結(jié)合緊密,又是替代傳統(tǒng)能源制氫的重要方式,對(duì)于綠電制氫項(xiàng)目,從不同角度研究了可再生能源制氫項(xiàng)目的碳減排。

1 綠電制氫項(xiàng)目概況

典型綠電制氫項(xiàng)目由風(fēng)電/光伏發(fā)電工程、輸變電工程、制氫、儲(chǔ)輸氫等組成。項(xiàng)目一般與公共電網(wǎng)連接,需外購(gòu)少量電力,確保控制等輔助設(shè)備用電保持基本穩(wěn)定。綠電制氫項(xiàng)目可整體分為電力生產(chǎn)供應(yīng)、氫的制備儲(chǔ)存兩大部分,電力是項(xiàng)目主要消耗能源和中間產(chǎn)品,氫氣為項(xiàng)目最終產(chǎn)品。

以簡(jiǎn)化的綠電制氫項(xiàng)目為示例(如圖1)進(jìn)行分析,假定研究對(duì)象為:華北地區(qū)某項(xiàng)目,制氫規(guī)模2萬(wàn)噸/年,可再生能源發(fā)電規(guī)模500MW(包括光伏和風(fēng)電),升壓站送出電量EB為10.2億k Wh/年(忽略各年發(fā)電量衰減,下同),輸電量ES為9.8億k Wh/年,外購(gòu)電力EW為1.2億k Wh,制氫廠總耗電量EZ為11億k Wh。

圖1 綠電制氫項(xiàng)目構(gòu)成

2 碳減排分析

考慮到電和氫均具有能源屬性,本文研究以電和氫作為對(duì)象時(shí)的碳排放量核算。

2.1 情景1:可再生能源發(fā)電上網(wǎng)制氫

項(xiàng)目可再生能源所發(fā)電力并入公共電網(wǎng)后再通過(guò)電網(wǎng)下電(如圖2)時(shí),發(fā)電部分可以直接應(yīng)用《CM-001-V02可再生能源并網(wǎng)發(fā)電方法學(xué)(第二版)》進(jìn)行計(jì)算,碳減排量計(jì)算方式為:

圖2 特定情景下的減排項(xiàng)目邊界

其中:

ER為項(xiàng)目減排量。

BE為項(xiàng)目基準(zhǔn)線排放量。

EG為項(xiàng)目?jī)羯暇W(wǎng)電量。此處為Eb。

EF為利用“電力系統(tǒng)排放因子計(jì)算工具”所計(jì)算的并網(wǎng)發(fā)電的組合邊際CO2排放因子(tCO2/MWh)。本項(xiàng)目位于華北地區(qū),按照《2019年度減排項(xiàng)目中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》及《CM-001-V02可再生能源并網(wǎng)發(fā)電方法學(xué)(第二版)》計(jì)算方法,項(xiàng)目的組合邊際排放因子EFCM=0.8269(tCO2/MWh)。

PE為項(xiàng)目排放量。風(fēng)力、光伏發(fā)電項(xiàng)目排放量為0。

計(jì)算得該情景下,項(xiàng)目減排量為

ER1=843438(tCO2)

如圖2所示,該情景下,可再生能源發(fā)電與制氫實(shí)質(zhì)上是分開(kāi)的,而且未考慮制氫工廠的碳排放(制氫工廠所用電均從公網(wǎng)接入,若無(wú)特殊電力政策,所有用電均將視為網(wǎng)電)。源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化通過(guò)優(yōu)化整合本地電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)資源,以先進(jìn)技術(shù)突破和體制機(jī)制創(chuàng)新為支撐,能夠?qū)崿F(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)高度融合的新型電力系統(tǒng)[6],在此框架下形成的綠電制氫項(xiàng)目可以作為一個(gè)完全的整體項(xiàng)目,下文分析綠電制氫“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”一體化的項(xiàng)目。

2.2 情景2:以電為載體核算

以“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”一體化方式實(shí)施綠電制氫項(xiàng)目,或所發(fā)電力直接用于制氫時(shí),使用電作為載體進(jìn)行碳減排核算,邊界包括可再生能源發(fā)電、升壓站、輸電線路、降壓站、公共電網(wǎng)、制氫工廠。借鑒《CM-001-V02可再生能源并網(wǎng)發(fā)電方法學(xué)(第二版)》,需確定基準(zhǔn)線排放量、項(xiàng)目排放量。

(1)基準(zhǔn)線排放量

計(jì)算同情景1,但光伏的凈輸出電量應(yīng)為ES,項(xiàng)目的基準(zhǔn)排放量為BE=810362(tCO2)

(2)項(xiàng)目排放量

在核算邊界范圍內(nèi),項(xiàng)目外購(gòu)的電力由電網(wǎng)提供,可認(rèn)為其運(yùn)營(yíng)過(guò)程中使用了化石燃料生產(chǎn)的電力,導(dǎo)致部分碳排放,排放量為:

其中:

ECPJ,消耗的電量,即項(xiàng)目外購(gòu)電量

EFEL,電力排放因子,項(xiàng)目采用華北電網(wǎng)的電力排放因子0.7119tCO2/MWh,計(jì)算公式同上述組合邊際排放因子。

TDL,電源的平均輸電和配電損耗率,此處使用“電力消耗導(dǎo)致的基準(zhǔn)線、項(xiàng)目和/或泄漏排放計(jì)算工具”中指出的IPCC默認(rèn)值20%。

計(jì)算得到排放量。PEEL=102513.6(tCO2)

(3)項(xiàng)目減排量

減排量的計(jì)算同情景1,項(xiàng)目減排量為:

ER2=BE-PE=707848.4(tCO2)

該方式核算了可再生能源發(fā)電到制氫工廠為止的電力項(xiàng)目減排量,制氫工廠在制氫過(guò)程中無(wú)碳排放,可認(rèn)為氫氣產(chǎn)品是無(wú)碳排放氫氣。

2.3 情景3:以氫為載體,按照替代常規(guī)化石能源制氫方式計(jì)算

現(xiàn)階段化石能源制氫方式多樣,此處分別將天然氣制氫、煤制氫的碳足跡視為作為基準(zhǔn)碳排放量,再計(jì)算制氫項(xiàng)目的排放量,基準(zhǔn)碳排放量與項(xiàng)目排放量的差值即可視為項(xiàng)目碳減排量,邊界包括可再生能源發(fā)電、升壓站、輸電線路、降壓站、公共電網(wǎng)、制氫工廠。

(1)基準(zhǔn)線排放量

國(guó)內(nèi)對(duì)于制氫項(xiàng)目的基準(zhǔn)線排放量無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),參考常規(guī)化石能源制氫方式的碳足跡。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)各類化石能源制氫方式的碳足跡已有較多研究,文內(nèi)引用田濤、曹東學(xué)等人《石化行業(yè)不同制氫過(guò)程碳足跡核算》內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù):以石油化工項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行裝置數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),核算得到煤制氫碳足跡為24.328tCO2/t,天然氣制氫碳足跡為10.063tCO2/t。

參考上述數(shù)據(jù),則以天然氣制氫碳足跡核算基準(zhǔn)線排放量時(shí),項(xiàng)目基準(zhǔn)線排放量為BE3=201260(tCO2)。

以煤制氫碳足跡核算基準(zhǔn)線排放量時(shí),項(xiàng)目基準(zhǔn)線排放量為BE4=486560(tCO2)。

(2)項(xiàng)目排放量

計(jì)算過(guò)程同情景2,PE=102513.5(tCO2)

(3)項(xiàng)目減排量

以天然氣制氫為基準(zhǔn)線排放量時(shí),項(xiàng)目減排量為:

ER3=BE-PE=98746.4(tCO2)

以煤制氫為基準(zhǔn)線排放量時(shí),項(xiàng)目減排量為:

ER4=BE-PE=384046.4(tCO2)

3 方案對(duì)比分析

對(duì)比不同情形下的項(xiàng)目碳減排核算結(jié)果,以電為對(duì)象的碳減排量,明顯高于以氫(替代常規(guī)化石能源制氫)為對(duì)象的碳減排量,如表1所示。

表1 碳減排量

從計(jì)算過(guò)程來(lái)看,各核算方式具備以下特點(diǎn),如表2所示:

表2 特點(diǎn)

從上述特點(diǎn)來(lái)看,以電為核算載體計(jì)算更為合理,此外還具有如下優(yōu)勢(shì):

第一,原理邏輯方面,以電為對(duì)象進(jìn)行核算可與現(xiàn)有方法學(xué)邏輯統(tǒng)一?？稍偕茉粗茪漤?xiàng)目如以并入公共電網(wǎng)再下網(wǎng)制氫的方式,可適用現(xiàn)有可再生能源發(fā)電方法學(xué);以國(guó)家支持的源網(wǎng)荷儲(chǔ)方式實(shí)現(xiàn)可再生能源制氫時(shí),若反而不以電力為對(duì)象進(jìn)行核算,從邏輯對(duì)應(yīng)方面無(wú)法說(shuō)通。

第二,市場(chǎng)方面,以電為載體進(jìn)行核算能更好的與國(guó)內(nèi)碳交易市場(chǎng)對(duì)接。現(xiàn)階段全國(guó)碳交易市場(chǎng)依然是以電力為主,電力碳排放/減碳量核算較為完善,可供參考內(nèi)容較多,同時(shí)還能將能源消耗和產(chǎn)品有效區(qū)分,能夠更好的與全國(guó)碳交易市場(chǎng)對(duì)接。

第三,標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一方面,以電為載體核算更加容易。傳統(tǒng)化石能源制氫方式多樣,以氫為載體核算時(shí),既需要與原制氫場(chǎng)景進(jìn)行深度結(jié)合,還需要考慮消納外購(gòu)電力的碳排放,不利于形成統(tǒng)一的核算標(biāo)準(zhǔn)。

第四,政策支持方面,以電為載體核算更有利于支持可再生能源制氫發(fā)展,提升競(jìng)爭(zhēng)力。

綜上,建議參考情景2的方式建立綠電綠氫項(xiàng)目的碳減排方法學(xué)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了綠電制氫項(xiàng)目的4種碳減排量核算方式并進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比,同時(shí)提出了符合國(guó)情、更加適于綠電制氫“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”一體化項(xiàng)目的碳減排核算思路,對(duì)于建立綠電制氫乃至源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化項(xiàng)目的碳減排方法學(xué)具有較強(qiáng)參考作用。