黃 勁

中國石化集團新星石油有限責(zé)任公司 北京 100083

引言

氫能來源廣泛,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]。可再生能源制氫是指氫能產(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”,可實現(xiàn)氫能從生產(chǎn)端到消費端的全生命周期零排放,是未來制氫的發(fā)展方向。2022年3月,國家能源局發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》,可再生能源制氫成為了企業(yè)布局熱點。同時國家也出臺了各類電力政策支持新能源發(fā)展,其中“源網(wǎng)荷儲”是以“電源、電網(wǎng)、負荷、儲能”為整體規(guī)劃的新型電力運行模式,與可再生能源制氫一體化項目(簡稱“綠電制氫項目”,下同)十分契合。

可再生氫是石油、煉化等行業(yè)實現(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,現(xiàn)有的碳交易市場中,碳排放單位每年可以使用國家核證自愿減排量(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),能夠帶來較可觀的收益,促進和支持可再生能源制氫發(fā)展。

對于可再生能源制氫的碳減排及其方法學(xué)的研究,現(xiàn)階段基本還沒有。研究者們重點對于各類制氫方式的碳足跡/碳排放進行研究,如田濤等[2]以實際運行的工業(yè)裝置數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),核算了多個制氫過程碳足跡,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)碳排放強度;李慶勛等[4]研究了不同制氫過程經(jīng)濟性和幾類煤制化工品的碳排放強度;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傳統(tǒng)制氫過程的碳足跡,研究者們對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,對于綠電制氫項目,從不同角度研究了可再生能源制氫項目的碳減排。

1 綠電制氫項目概況

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

以簡化的綠電制氫項目為示例(如圖1)進行分析,假定研究對象為:華北地區(qū)某項目,制氫規(guī)模2萬噸/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象時的碳排放量核算。

2.1 情景1:可再生能源發(fā)電上網(wǎng)制氫

項目可再生能源所發(fā)電力并入公共電網(wǎng)后再通過電網(wǎng)下電(如圖2)時,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)》進行計算,碳減排量計算方式為:

圖2 特定情景下的減排項目邊界

其中:

ER為項目減排量。

BE為項目基準(zhǔn)線排放量。

EG為項目凈上網(wǎng)電量。此處為Eb。

EF為利用“電力系統(tǒng)排放因子計算工具”所計算的并網(wǎng)發(fā)電的組合邊際CO2排放因子(tCO2/MWh)。本項目位于華北地區(qū),按照《2019年度減排項目中國區(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)》計算方法,項目的組合邊際排放因子EFCM=0.8269(tCO2/MWh)。

PE為項目排放量。風(fēng)力、光伏發(fā)電項目排放量為0。

計算得該情景下,項目減排量為

ER1=843438(tCO2)

如圖2所示,該情景下,可再生能源發(fā)電與制氫實質(zhì)上是分開的,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,若無特殊電力政策,所有用電均將視為網(wǎng)電)。源網(wǎng)荷儲一體化通過優(yōu)化整合本地電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負荷側(cè)資源,以先進技術(shù)突破和體制機制創(chuàng)新為支撐,能夠?qū)崿F(xiàn)源網(wǎng)荷儲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目可以作為一個完全的整體項目,下文分析綠電制氫“源網(wǎng)荷儲”一體化的項目。

2.2 情景2:以電為載體核算

以“源網(wǎng)荷儲”一體化方式實施綠電制氫項目,或所發(fā)電力直接用于制氫時,使用電作為載體進行碳減排核算,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、項目排放量。

(1)基準(zhǔn)線排放量

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

(2)項目排放量

在核算邊界范圍內(nèi),項目外購的電力由電網(wǎng)提供,可認為其運營過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,即項目外購電量

EFEL,電力排放因子,項目采用華北電網(wǎng)的電力排放因子0.7119tCO2/MWh,計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、項目和/或泄漏排放計算工具”中指出的IPCC默認值20%。

計算得到排放量。PEEL=102513.6(tCO2)

(3)項目減排量

減排量的計算同情景1,項目減排量為:

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目減排量,制氫工廠在制氫過程中無碳排放,可認為氫氣產(chǎn)品是無碳排放氫氣。

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,再計算制氫項目的排放量,基準(zhǔn)碳排放量與項目排放量的差值即可視為項目碳減排量,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

國內(nèi)對于制氫項目的基準(zhǔn)線排放量無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),參考常規(guī)化石能源制氫方式的碳足跡。國內(nèi)學(xué)者對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)不同制氫過程碳足跡核算》內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù):以石油化工項目實際運行裝置數(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,項目基準(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,項目基準(zhǔn)線排放量為BE4=486560(tCO2)。

(2)項目排放量

計算過程同情景2,PE=102513.5(tCO2)

(3)項目減排量

以天然氣制氫為基準(zhǔn)線排放量時,項目減排量為:

ER3=BE-PE=98746.4(tCO2)

以煤制氫為基準(zhǔn)線排放量時,項目減排量為:

ER4=BE-PE=384046.4(tCO2)

3 方案對比分析

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

表1 碳減排量

從計算過程來看,各核算方式具備以下特點,如表2所示:

表2 特點

從上述特點來看,以電為核算載體計算更為合理,此外還具有如下優(yōu)勢:

第一,原理邏輯方面,以電為對象進行核算可與現(xiàn)有方法學(xué)邏輯統(tǒng)一?？稍偕茉粗茪漤椖咳缫圆⑷牍搽娋W(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);以國家支持的源網(wǎng)荷儲方式實現(xiàn)可再生能源制氫時,若反而不以電力為對象進行核算,從邏輯對應(yīng)方面無法說通。

第二,市場方面,以電為載體進行核算能更好的與國內(nèi)碳交易市場對接?，F(xiàn)階段全國碳交易市場依然是以電力為主,電力碳排放/減碳量核算較為完善,可供參考內(nèi)容較多,同時還能將能源消耗和產(chǎn)品有效區(qū)分,能夠更好的與全國碳交易市場對接。

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,既需要與原制氫場景進行深度結(jié)合,還需要考慮消納外購電力的碳排放,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,提升競爭力。

綜上,建議參考情景2的方式建立綠電綠氫項目的碳減排方法學(xué)。

4 結(jié)束語

本文提出了綠電制氫項目的4種碳減排量核算方式并進行了計算對比,同時提出了符合國情、更加適于綠電制氫“源網(wǎng)荷儲”一體化項目的碳減排核算思路,對于建立綠電制氫乃至源網(wǎng)荷儲一體化項目的碳減排方法學(xué)具有較強參考作用。