綠氨,新時(shí)代的綠色動(dòng)力
什么是綠氨?
在整個(gè)氨的生產(chǎn)過(guò)程中,能源由可再生電力(綠電)驅(qū)動(dòng),無(wú)二氧化碳的產(chǎn)生,同時(shí)綠氨燃燒后生成氮?dú)夂退?,不產(chǎn)生二氧化碳,所以被認(rèn)為是“零碳”燃料,是未來(lái)重要的清潔能源之一。“石油危機(jī)”、“能源危機(jī)”、全球氣候變化問(wèn)題的頻繁發(fā)生,綠氨不但能作為卓越的天然制冷劑與中低溫余熱回收發(fā)電介質(zhì),同時(shí)又能在燃料電池、能源交通等戰(zhàn)略行業(yè)大顯身手,成為全球能源工業(yè)不可或缺的一部分。
1. 綠氨的優(yōu)勢(shì)
第一,氨(NH3)相對(duì)氫來(lái)說(shuō)更容易運(yùn)輸和儲(chǔ)存。氨更容易被液化和儲(chǔ)運(yùn),儲(chǔ)存和運(yùn)輸所需的能量更少,兼容多樣化運(yùn)輸材料,同時(shí)由于氨具有特殊的氣味,可為其潛在的致命泄露提供早期預(yù)警。
第二,液氨是一種比液氫本身更有效且能量密度更高的氫載體。液氨的比重與汽油相近,其燃燒值僅為汽油的一半,但氨的辛烷值卻遠(yuǎn)高于汽油,可大大增加內(nèi)燃機(jī)壓縮比以提高輸出功率。氨內(nèi)燃機(jī)的熱效率可達(dá)50%以上,因此在多行業(yè)中成為可取代傳統(tǒng)化石能源的燃料。
第三,氨是最重要的化學(xué)原料之一。氨是制造硝酸、化肥、炸藥的重要原料,也是藥物直接或間接的成分。氨燃燒過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體二氧化碳和硫化物, 氮氧化物可通過(guò)技術(shù)催化分解,避免空氣中氮氧化物濃度升高,加重大氣污染。
綠氨作為一種具有戰(zhàn)略?xún)r(jià)值的清潔能源,為實(shí)現(xiàn)新型能源體系建構(gòu)、加快碳中和進(jìn)程提供了新選擇,一場(chǎng)“綠氨經(jīng)濟(jì)”之風(fēng)正在全球加速蔓延。
2. 全球主要國(guó)家綠氨發(fā)展現(xiàn)狀
目前全球綠氨制備仍處于技術(shù)探索階段,產(chǎn)業(yè)規(guī)?;杂写龝r(shí)日。從全球范圍來(lái)看,2021年綠氨市場(chǎng)規(guī)模約為3,600萬(wàn)美元,2030年預(yù)計(jì)將達(dá)到54.8億美元,年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)74.8%,潛力十分可觀。
2023年全球氨產(chǎn)能為1.939億噸,化肥生產(chǎn)用途約占產(chǎn)量的78%。2022年全球合成氨總產(chǎn)能達(dá)到2.25億噸/年,產(chǎn)量為1.82億噸,裝置平均產(chǎn)能利用率為80.9%。全球合成氨產(chǎn)能主要集中在中國(guó)、俄羅斯、美國(guó)、印度和歐洲地區(qū),產(chǎn)能合計(jì)占比超過(guò)三分之二。其中,中國(guó)合成氨產(chǎn)能6760萬(wàn)噸/年,產(chǎn)量6101萬(wàn)噸,裝置平均產(chǎn)能利用率為90.3%。
2.1日本大力發(fā)展氨燃燒技術(shù)
2020年底,日本“綠色增長(zhǎng)戰(zhàn)略”行動(dòng)計(jì)劃重點(diǎn)提及了氨能:到2050年,氫氣和氨氣發(fā)電將占日本總能源產(chǎn)量的10%左右;2025年可將氨含量為20%的燃料投入實(shí)際應(yīng)用;2040年實(shí)現(xiàn)100%的氨燃燒火力發(fā)電技術(shù)的開(kāi)發(fā)。
日本受限于本土能源儲(chǔ)量,脫碳之路需要探索發(fā)展可再生能源,通過(guò)氨與煤炭進(jìn)行混燒,并逐步提高混燒比例,最終實(shí)現(xiàn)氨專(zhuān)燒發(fā)電。
2.2歐洲國(guó)家加大綠氨生產(chǎn)
2020年11月24日,歐盟第四次氫能網(wǎng)絡(luò)會(huì)議提到要不斷增加綠氨的生產(chǎn)。
歐洲綠色氨市場(chǎng)預(yù)計(jì)將擁有全球最大的市場(chǎng)份額。歐洲能成為全球最大的市場(chǎng),原因在于其可再生能源和電解槽成本的下降,使得傳統(tǒng)的合成氨生產(chǎn)向綠色合成氨生產(chǎn)轉(zhuǎn)變成為可能。此外,海洋經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的變革,特別是航運(yùn)業(yè)轉(zhuǎn)向清潔能源以減少排放的壓力,為綠色氨生產(chǎn)商提供了獲得更多收入的途徑。
此外,歐洲在綠色氨技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用方面也處于領(lǐng)先地位。例如,歐洲的創(chuàng)新項(xiàng)目將超過(guò)4GW的太陽(yáng)能和風(fēng)能作為能源基礎(chǔ),通過(guò)電解法日產(chǎn)650噸氫氣,利用空氣分離法生產(chǎn)氮?dú)猓?zwnj;最終年產(chǎn)120萬(wàn)噸綠色氨。這個(gè)項(xiàng)目定于2025年投產(chǎn),顯示了歐洲在綠色氨技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方面的積極進(jìn)展。
2.3韓國(guó)氨燃燒發(fā)電提上日程
2020年12月7日,韓國(guó)產(chǎn)業(yè)通商資源部主持召開(kāi)的“第二次氫氣和氨氣發(fā)電推進(jìn)”會(huì)議上,韓國(guó)政府宣布將2022年作為氫氣-氨氣發(fā)電元年,并制定發(fā)展計(jì)劃和路線(xiàn)圖,投入資金建設(shè)氫-氨生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施,于2023年前制定《氫氣和氨氣發(fā)電指南》,力求打造全球第一大氫氣和氨氣發(fā)電國(guó)。
2021年11月17號(hào),韓國(guó)能源部表示到2027年將完成氨作為無(wú)碳發(fā)電燃料的研究和測(cè)試,從2030年開(kāi)始實(shí)現(xiàn)氨燃料發(fā)電商業(yè)化,并將氨的使用比例提高到3.6%,以減少在電力生產(chǎn)中對(duì)煤炭和液化天然氣的依賴(lài)。
2.4中國(guó)加大氨儲(chǔ)能研發(fā)力度
2022年1月29日,國(guó)家發(fā)展改革委國(guó)家能源局關(guān)于印發(fā)《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》的通知提到,要加大關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)力度推動(dòng)多元化技術(shù)開(kāi)發(fā),開(kāi)展儲(chǔ)能環(huán)節(jié)關(guān)鍵核心技術(shù)、裝備和集成優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,這其中包括氨儲(chǔ)能。
中國(guó)合成氨市場(chǎng)規(guī)模為千萬(wàn)噸級(jí),規(guī)模位居全球第一。受?chē)?guó)家雙碳戰(zhàn)略和供給側(cè)改革的影響,傳統(tǒng)合成氨向綠氨過(guò)渡已是必然趨勢(shì)。2022年2月,國(guó)家發(fā)改委等四部委聯(lián)合發(fā)文《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能降碳改造升級(jí)實(shí)施指南(2022年版)》, 2022年3月發(fā)改委和能源局發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035年)》均提出要加快發(fā)展綠氨。合成氨市場(chǎng)將由傳統(tǒng)合成氨向綠氨轉(zhuǎn)移,綠氨的市場(chǎng)規(guī)模必將得到進(jìn)一步釋放。
2.5澳大利亞持續(xù)推進(jìn)氨能發(fā)展
2020年9月,澳大利亞氨能源協(xié)會(huì)(AEA Australia)分會(huì)舉辦了第二屆“氨-氫2.0會(huì)議”,會(huì)議提出要加強(qiáng)政府與行業(yè)之間的合作關(guān)系,行業(yè)和政府共同出資設(shè)立氨生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)中心,與日本和新加坡等國(guó)家建立綠氨有關(guān)的能源安全合作。
3. 綠氨的未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景
綠氨作為清潔能源,未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景多種多樣,主要包括固碳載體、儲(chǔ)氫載體、能源載體等。
3.1固碳載體:綠氨生產(chǎn)過(guò)程接近“零碳”,同時(shí)綠氨在船用燃料、綠色發(fā)電等行業(yè)有巨大前景,有助于“雙碳”目標(biāo)的加速實(shí)現(xiàn)
2021年我國(guó)合成氨碳排放量約2億噸,合成氨自身生產(chǎn)減排成為了重點(diǎn),而經(jīng)由綠電、綠氫產(chǎn)生的綠氨能夠?qū)崿F(xiàn)接近“零碳”排放。
綠氨將是未來(lái)航運(yùn)業(yè)脫碳的主力燃料之一,在2030-2050年間,氨能作為航運(yùn)燃料的占比將從7%上升為20%,取代液化天然氣等成為最主要的航運(yùn)燃料。
航運(yùn)業(yè)的碳排放目前占全球溫室氣體排放量的3%,主要是由船舶柴油和高硫燃料的高消耗造成的,綠氨能源的產(chǎn)生有助于海運(yùn)業(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)近零排放。
綠氨燃料目前生產(chǎn)成本較高,推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的同時(shí)還存在體積能量密度低、氮氧化物排放、有毒高腐蝕等亟待解決的問(wèn)題。
氨的體積能量密度較低。與傳統(tǒng)車(chē)船燃料相比,為使船舶、車(chē)輛達(dá)到相同的續(xù)航里程,氨燃料所需要的燃料約為傳統(tǒng)燃料的3倍。
氨著火溫度高,燃燒不易,需要其他燃料引燃。氨燃燒將會(huì)產(chǎn)生較多氮氧化物,需要針對(duì)性的進(jìn)行催化處理。
氨具有一定的毒害性。人體直接接觸氨會(huì)燒傷皮膚,吸入會(huì)造成呼吸道損傷,高濃度的氨會(huì)引起氨中毒甚至危及生命。
氨具有腐蝕性。接觸氨與空氣混合物會(huì)引起船舶貨艙、車(chē)身鋼架的腐蝕,因此需要有針對(duì)性地選擇合適的氨燃料艙材料。
3.2儲(chǔ)氫載體:綠氨作為儲(chǔ)運(yùn)氫的載體,可實(shí)現(xiàn)氫的低成本遠(yuǎn)距離運(yùn)輸
氨比氫更容易液化,常壓下氨可在-33℃液化,而氫氣則需要低于-253℃才可以進(jìn)行液化,且同體積的液氨(NH3)比液氫(H2)多至少60%的氫。
氨的儲(chǔ)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施完善。氨有管道、船舶等多種運(yùn)輸方式,其中通過(guò)液氨遠(yuǎn)距離運(yùn)輸氫的成本低于通過(guò)管道和輪船。由于氨通過(guò)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域較為成功的大規(guī)模商業(yè)化,已經(jīng)擁有了成熟的規(guī)?;a(chǎn)和運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施,存儲(chǔ)和運(yùn)輸成本更低。
氫作為清潔能源具有較大發(fā)展?jié)摿?,是未?lái)國(guó)家能源體系的重要組成部分,氨在-33℃或1MPa條件下液化,加氫/脫氫成本占比85%以上,對(duì)運(yùn)距不敏感,適用于大宗氫氣中長(zhǎng)距離儲(chǔ)運(yùn),尤其是遠(yuǎn)洋運(yùn)輸,是未來(lái)氫氣儲(chǔ)運(yùn)最具潛力的方式之一。
3.3能源載體:氫-氨燃料電池和摻氨燃燒發(fā)電,可實(shí)現(xiàn)清潔電力架構(gòu)的革新
氨的氫含量高,同時(shí)重整制氫裝置簡(jiǎn)單,作為燃料電池的原料使用競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)零碳排放。
利用目前的燃料電池技術(shù),在相同溫度下氨燃料能夠達(dá)到與氫燃料相近的功率密度,可以替代純氫用于新能源汽車(chē)。
氫-氨燃料電池目前受制于技術(shù),可預(yù)見(jiàn)的是技術(shù)突破后商業(yè)化成本低,經(jīng)濟(jì)效益顯著。
中國(guó)燃煤發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳排放量占二氧化碳排放總量的1/3左右,減少燃煤發(fā)電二氧化碳排放,推進(jìn)火電機(jī)組摻燒氨或純氨等低碳燃料是發(fā)電領(lǐng)域碳減排的重要技術(shù)方向。摻氨燃燒可以利用現(xiàn)有電廠(chǎng)設(shè)施,無(wú)需對(duì)鍋爐主體進(jìn)行大規(guī)模改造,成為現(xiàn)階段降低燃煤電廠(chǎng)碳排放的可行性選擇。
4. 綠氨產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)
在全球減碳大趨勢(shì)下,氨的市場(chǎng)需求進(jìn)一步增長(zhǎng)。合成氨生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放約占全球碳排放總量的1%,節(jié)能減排壓力巨大,亟需進(jìn)行綠色轉(zhuǎn)型。目前我國(guó)的國(guó)家政策鼓勵(lì)綠色低碳技術(shù)生產(chǎn)合成氨,預(yù)計(jì)到2025年,合成氨行業(yè)能效產(chǎn)能比例將從2020年的7%提高到15%。隨著行業(yè)技術(shù)的發(fā)展,我國(guó)合成氨將新增更多的綠色節(jié)能生產(chǎn)裝置,行業(yè)產(chǎn)量也將不斷增長(zhǎng)。
2030年后,綠氨預(yù)計(jì)可通過(guò)新技術(shù)如碳捕集實(shí)現(xiàn)與灰氨的合成成本持平,這也讓用氨的下游化工企業(yè)更有動(dòng)力使用綠氨代替灰氨作為原材料。從“制-儲(chǔ)-輸-用”全生命周期來(lái)看,綠氨的成本顯著低于綠氫??梢灶A(yù)見(jiàn)的是,未來(lái)綠氨會(huì)在能源領(lǐng)域大量使用,從而加速實(shí)現(xiàn)能源體系的轉(zhuǎn)型。
氨作為可運(yùn)輸可再生能源的主要載體的潛力顯而易見(jiàn),能夠在未來(lái)的大部分領(lǐng)域取代化石燃料,成為可再生能源技術(shù)的核心組成部分之一,通過(guò)廣泛而深刻的技術(shù)變革,由基于化石燃料的能源經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榛诎比剂系木G色經(jīng)濟(jì),推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)從“工業(yè)文明”向“生態(tài)文明”邁進(jìn),為實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)快速調(diào)整、加快碳中和進(jìn)程提供了新方向。