綠氨成為綠氫應(yīng)用新風(fēng)口?雙碳目標(biāo)下綠氫合成綠氨的發(fā)展現(xiàn)狀與分析
2021年,國際能源署發(fā)布的2050年凈零排放路線圖研究報告指出,至2050年,全球氫能需求量將增長至5.28億噸,約60%來自于電解水制氫,占全球電力供應(yīng)的20%。同時,將會有超過30%的氫氣用于合成氨和燃料。未來,氨不僅用于氮肥與化工原料,還將作為能源燃料,滿足全球航運(yùn)能源需求的45%,并與一氧化碳摻燒,實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排。全球每年將投入超過140億美元用于氨的生產(chǎn),其中,80%采用接近零排放的生產(chǎn)路線。
可再生能源制綠氫合成氨及其應(yīng)用對于全球?qū)崿F(xiàn)碳中和至關(guān)重要,綠氨合成將會成為綠氫重要應(yīng)用之一。美國、歐盟、日韓等發(fā)達(dá)國家均開始布局綠氨項(xiàng)目:
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美國能源部支持了17個綠氨項(xiàng)目,旨在將可再生能源轉(zhuǎn)化為能源密度高的碳中性液體燃料;
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歐盟已將氨作為氫貿(mào)易主要技術(shù)路線之一,開始布局綠氫合成氨基礎(chǔ)設(shè)施,開展綠氫制氨在交通及工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用示范研究;
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日本計(jì)劃到2030年用氨與燃煤混燒,替代日本燃煤發(fā)電站20%的煤炭供應(yīng),2050年實(shí)現(xiàn)純氨發(fā)電,并在中東、澳大利亞等建造海外綠氨生產(chǎn)基地;
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韓國政府宣布力求打造全球第一大氫氣和氨氣發(fā)電國;
采用綠氫制氨技術(shù)路線已成為氫能清潔利用、實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要戰(zhàn)略。
一、綠色氨促進(jìn)綠色氫經(jīng)濟(jì)
電解水制氫與儲能系統(tǒng)搭配可促進(jìn)大規(guī)模高比例可再生能源的電力供給系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)多異質(zhì)、跨地域、跨季節(jié)的優(yōu)化配置。發(fā)展綠氫合成氨產(chǎn)業(yè)具有重要意義,綠氫綠氨制取與應(yīng)用鏈條如圖所示。
2025-2035年有望實(shí)現(xiàn)可再生能源制氫與化石能源制氫平價,PEM成本略有優(yōu)勢。可再生能源制氫成本主要受固定成本、電價、運(yùn)營時間的影響:
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2025年,當(dāng)電價為0.3元/kWh,在現(xiàn)有固定成本下可再生能源制氫成本約17~25元/kg H2,與煤制氫+CCS存在一定差距;
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2025-2035年,當(dāng)電價下降到0.2元/kWh,可再生能源制氫成本開始下降至15元/kg H2,有望實(shí)現(xiàn)與煤制氫+CCS(碳捕捉及存儲技術(shù))平價;
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2035年之后,當(dāng)電價成本降至0.13元/kWh以下時,可再生能源制氫成本與煤制氫+CCS相比具有一定競爭優(yōu)勢;
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2050年,PEM制氫系統(tǒng)固定成本存在至少75%的降本區(qū)間,在0.1元/kWh的電價預(yù)期下,PEM制氫成本達(dá)到6-9元/kg H2,與化石能源制氫(不含CCS)相當(dāng)或具有一定成本優(yōu)勢。
我國發(fā)展綠氫合成氨產(chǎn)業(yè)的重要意義重大。我國合成氨產(chǎn)能6676萬噸,產(chǎn)量5884萬噸,合成氨產(chǎn)業(yè)總體能耗為7437萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤,或穩(wěn)居全球第一。布局綠氫合成氨項(xiàng)目是雙碳目標(biāo)重要實(shí)現(xiàn)路徑,發(fā)展綠氫合成氨產(chǎn)業(yè)有利于構(gòu)建清潔電力系統(tǒng),綠氫合成氨產(chǎn)業(yè)有助于培育中國氫能產(chǎn)業(yè)壯大。
此外,發(fā)展綠氫合成氨產(chǎn)業(yè)有利于構(gòu)建清潔電力系統(tǒng),可再生能源綠氫合成氨裝置可參與電力系統(tǒng)中的用戶側(cè)調(diào)峰輔助服務(wù),將有效促進(jìn)我國構(gòu)建高比例可再生能源為主的電力系統(tǒng),保障能源安全。
氫能作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)需要市場培育,必須解決綠氫成本高、儲運(yùn)難度大等問題。利用可再生能源電解水制氫合成氨,對于年產(chǎn)10萬合成氨裝置,消耗相同電量的情況下,按照重量計(jì)算,合成氨的產(chǎn)量是制氫的5.6倍,但液氨儲存所需的槽罐僅是液氫的0.64倍。氨不僅擁有著完備的貿(mào)易、運(yùn)輸體系,大規(guī)模儲存運(yùn)輸也具有優(yōu)勢明顯,屬于洲際能源貿(mào)易運(yùn)輸?shù)膬?yōu)選載體。目前,電催化與光電化學(xué)合成氨還處于研發(fā)階段,產(chǎn)量從微克到克不等。因此,綠氫合成氨項(xiàng)目將率先實(shí)現(xiàn)規(guī)?;c商業(yè)化,綠色氨促進(jìn)綠色氫經(jīng)濟(jì),具有培育電解水制氫技術(shù)裝備先發(fā)優(yōu)勢。
二、綠氫合成氨在不同應(yīng)用場景的競爭力分析
1、能量密度對比分析
氨作為能源使用,就應(yīng)結(jié)合現(xiàn)實(shí)技術(shù)水平,評估在現(xiàn)有能源體系中的競爭力。氫、氨及常見能源產(chǎn)品熱值特性見下圖,單位價格熱值指標(biāo)的上限與下限分別取該能源產(chǎn)品近10年的歷史最高與最低單位價格,中位值取近三年國內(nèi)產(chǎn)品平均價格。
與常規(guī)用于發(fā)電及燃燒的能源燃料相比:
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從物理特性來看,液氫的單位重量熱值是最高的,達(dá)到28594kcal/kg,約為汽柴油及液化天然氣的3倍左右,約為液氨的6倍。但按照體積熱值計(jì)算,液體形態(tài)的柴油熱值最高,達(dá)到8772kcal/L,約為液氫的4.5倍,液氨的3倍,甲醇的2倍。
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從經(jīng)濟(jì)特性來看,在固定式發(fā)電及供熱應(yīng)用領(lǐng)域,煤炭的單位價格熱值中位值達(dá)到8804kcal/元,是天然氣的1.6倍,液氨的6.7倍,氣態(tài)氫氣的6倍,液氫的9.2倍。在動力及交通應(yīng)用領(lǐng)域,液氨的單位價格熱值中位值為1312kcal/元,與汽油相當(dāng),約為柴油的0.83倍,氣態(tài)氫氣的0.9倍,液氫的1.4倍。
液氨的重量與體積熱值不具有明顯優(yōu)勢,但作為不含碳的燃料能源,其儲存優(yōu)勢及單位體積熱值是優(yōu)于液氫的。
2、不同應(yīng)用場景競爭力分析
合成氨市場主要集中在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)與工業(yè)方面:
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農(nóng)業(yè)領(lǐng)域主要作為尿素、復(fù)合肥的原料。
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工業(yè)領(lǐng)域用于生產(chǎn)車用尿素和煙氣脫硝。未來,己內(nèi)酰胺、丙烯腈、硝酸、煙氣脫硝市場對合成氨的需求均會有較大增幅。
但氨的消費(fèi)屬性正逐漸變化。沙特正在建設(shè)全球規(guī)模最大的可再生能源光伏電解水制綠氫及合成氨工廠,預(yù)計(jì)2024年投產(chǎn),并以液氨的形式向全球銷售,或在終端市場再分解為氫氣使用。日本計(jì)劃將氨作為燃料,于2050年實(shí)現(xiàn)純氨發(fā)電。全球各國已開始研究氨直接燃料電池及內(nèi)燃機(jī)。
在固定式發(fā)電及供熱應(yīng)用領(lǐng)域,液氨與氫作為燃料,從經(jīng)濟(jì)特性來看摻燒成本偏高,應(yīng)分場景考慮其應(yīng)用,例如在無碳或低碳需求場景的城市核心區(qū),氨的摻燒及氨燃料電池直接發(fā)電技術(shù)也將被廣泛應(yīng)用。研究表明氨的發(fā)電裝置,可以應(yīng)用于以可再生能源為主制氨的孤島微網(wǎng)中,用于平衡合成綠氫合成氨系統(tǒng)自身的電力需求。此外,針對氨燃料電池直接發(fā)電技術(shù),已有研究表明,在相同電壓和燃料利用率情況下,管狀氨直接燃料電池效率可達(dá)到60%,是管狀氫直接燃料電池效率的1.17倍。
在動力及交通應(yīng)用領(lǐng)域,液氨與柴油特性相似,隨著氨內(nèi)燃機(jī)、氨直接燃料電池技術(shù)及液氫儲運(yùn)技術(shù)的發(fā)展,可能出現(xiàn)多種技術(shù)路線:
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液氫的儲存及加注,并通過氫燃料電池直接發(fā)電供能。
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液氨的儲存及加注,通過氨內(nèi)燃機(jī)及直接氨燃料電池供能。
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氨分解為氫后再進(jìn)行供能。
以上路線,主要取決于技術(shù)進(jìn)步、路線經(jīng)濟(jì)性及其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用程度,例如,研究表明,即便綠氨成本將至210-215歐元/噸,經(jīng)過裂解及提純獲得的25MPa高純氫成本也會超過3歐元/公斤,顯然具有一定應(yīng)用的局限性。
因此,綠氫合成氨應(yīng)重點(diǎn)替代現(xiàn)有煤、天然氣制氨產(chǎn)能,深耕尿素、復(fù)合肥原料、合成材料、煙氣脫硝等成熟市場,發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。隨著技術(shù)進(jìn)步,政策完善及成本降低,待我國建立成熟的可再生能源綠氫合成氨供應(yīng)體系,再規(guī)?;騽恿δ茉醇肮潭ㄊ桨l(fā)電供熱領(lǐng)域應(yīng)用。
3、可再生能源綠氫合成氨經(jīng)濟(jì)性評估
在氫能發(fā)展至當(dāng)下的階段,氨燃料的經(jīng)濟(jì)性如何?這是很多人都好奇的問題。
由于俄羅斯-烏克蘭戰(zhàn)爭導(dǎo)致天然氣價格飆升,國外暫時出現(xiàn)綠氫的價格比灰氫價格更便宜現(xiàn)象。BloombergNEF數(shù)據(jù)表明,在 2021年1月1日至2022年3月2日之間的128天內(nèi),綠色氨的生產(chǎn)將比灰色氨便宜——或者30% 的時間。報告稱:“自2021年11月1日以來,現(xiàn)有的每天350公噸的綠色氨設(shè)施與灰色氨設(shè)施相比將節(jié)省超過710萬美元。”
如果作一個假設(shè),影響可再生能源綠氫合成氨的成本因素較多,包括風(fēng)電光伏配比、利用小時、出力特性、電解水制氫規(guī)模、電氫氨工程耦合方案,剔除原材料及工程條件因素,最終體現(xiàn)為系統(tǒng)綜合電價及電氫耦合效率。下圖是可再生能源綠氫合成氨成本分析。
如圖所示,假設(shè)電網(wǎng)進(jìn)行富裕電力調(diào)峰,理想情況下系統(tǒng)達(dá)到8000小時的額定負(fù)荷,當(dāng)綜合電價為0.1元/千瓦時,噸氨成本為1932-2351元/噸,當(dāng)綜合電價為0.2元/千瓦時,噸氨成本為2772-3610元/噸,當(dāng)綜合電價為0.3元/千瓦時,噸氨成本為3610-4870元/噸。若煤價1000元/噸時,每噸灰氨成本約合3000元/噸,對應(yīng)綠氨所需綜合電價要控制在0.15-0.22元/千瓦時;若煤價1200元/噸時,每噸灰氨成本約合3500元/噸,對應(yīng)綠氨所需綜合電價要控制在0.19-0.28元/千瓦時。
實(shí)際項(xiàng)目中,綠氫合成氨裝置很難達(dá)到8000小時,噸氨成本還將根據(jù)合成氨利用小數(shù)下降而提升。未來隨著電改不斷深入,可再生能源綠氫合成氨產(chǎn)業(yè)將會出現(xiàn)多種模式,需要與可再生能源發(fā)電、電力市場柔性負(fù)荷輔助調(diào)峰、終端應(yīng)用、能耗雙控及碳市場等因素緊密結(jié)合考慮,因地制宜的制定商業(yè)模式,來實(shí)現(xiàn)市場化。
三、“氨-氫”相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)展
我國已具備發(fā)展綠氫合成氨產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)條件。我國可再生能源發(fā)展進(jìn)入大規(guī)模市場化階段,截止2020年,中國可再生能源累計(jì)裝機(jī)容量9.35億千瓦,為綠氫合成氨產(chǎn)業(yè)奠定發(fā)展物質(zhì)基礎(chǔ),綠氫合成氨所需的電解水制氫及合成氨技術(shù)裝備國產(chǎn)化程度較高,且具備就地或跨區(qū)替代現(xiàn)有灰氨基礎(chǔ)條件,華東與華中可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)銷平衡,同時,西北地區(qū)也具備跨區(qū)域運(yùn)輸條件。
不少專家認(rèn)為,“氨-氫”能源是支撐可再生能源規(guī)模化利用和氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要載體,也是新時代能源轉(zhuǎn)型升級的重要途徑,對我國實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰和碳中和”目標(biāo)具有重要意義。
當(dāng)前,已有不少企業(yè)正積極推進(jìn)我國綠氨產(chǎn)業(yè),綠氫制綠氨項(xiàng)目如下所示。
同時,政策鼓勵綠色低碳技術(shù)生產(chǎn)合成氨。去年,國家《“十四五”新型儲能發(fā)展實(shí)施方案》強(qiáng)調(diào)了氨的氫基儲能和低碳燃料屬性;今年2月國家發(fā)改委發(fā)布的《合成氨行業(yè)節(jié)能降碳改造升級實(shí)施指南》中提出,開展綠色低碳能源制合成氨技術(shù)研究和示范。綠色技術(shù)工藝:優(yōu)化合成氨原料結(jié)構(gòu),增加綠氫原料比例。加大可再生能源生產(chǎn)氨技術(shù)研究,降低合成氨生產(chǎn)過程碳排放。目標(biāo)到2025年,合成氨行業(yè)能效標(biāo)桿水平以上產(chǎn)能比例從2020年的7%提高到15%。
當(dāng)下,綠氨應(yīng)用市場處于探索期、種子階段,還不具備商業(yè)化條件。不過,發(fā)展綠色氫能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要路徑之一,得益于全球綠電綠氫產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,綠氨作為綠氫的載體,比氫的儲運(yùn)具有顯著優(yōu)勢,預(yù)計(jì)未來綠氨有望在全球開展大規(guī)模地交易和運(yùn)輸。
參考資料
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[2]新能源網(wǎng)-美國能源部支持新的綠色氨技術(shù)突破
[3]浙江商券-可再生能源制氫行業(yè)深度報告:上下游產(chǎn)業(yè)雙向驅(qū)動釋放可再生能源制氫發(fā)展?jié)摿?/p>