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氨能研究离产业化还有多远?
作者:化小北 来源:煤化工信息网 浏览次数:1196次 更新时间:2022-03-21

3月15日,国家自然科学基金委员会交叉科学部拟设立“重型车辆氨氢融合零碳动力系统基础研究”专项项目,项目旨在解决车用氨燃料点火难、燃烧慢及动态控制复杂等问题,为重型运载车辆氨氢融合燃料复合动力系统零碳排放技术创新与应用奠定基础。

氨能技术发展现状

2020年初,马来西亚国际船运有限公司、韩国三星重工、英国劳埃德船级社和德国船机制造商曼恩能源达成合作意向,将在未来3—4年进行内氨燃料油轮联合开发项目。

芬兰船用发动机制造商瓦锡兰、挪威海工船东Eidesvik以及挪威国有能源公司Equinor正在合作研发一艘以氨燃料电池为动力的零排放大型船舶,预计最早将于2024年下水,在2030年实现商业化。

德国大众旗下MAN ES公司计划2024年完成MAN B&W ME-LGIP样机试验。首台氨燃料发动机试验计划2021年在哥本哈根研究中心开始。2019年已经成功地进行了氨燃烧性初步研究,2020年初,MAN ES公司开始其MAN B&W ME-LGIP二冲程发动机氨燃料变型开发项目。

 2020年8月,丹麦Hafnia邮轮公司、瑞典阿法拉伐(Alfa Laval)、丹麦托普索公司(Haldor Topsoe)和维斯塔斯和西门子歌美飒共同发布白皮书,认为到2050年,氨燃料可为30%的商船船队提供动力。

 2015年,以色列新能源企业GenCell对外宣称研发出了新一代“液氢和氨基燃料电池”,并在很多城市的重要地区作能源备用,例如电信塔、通信基站、军队远程控制中心、蓄电池房、医院、公共设施以及安防等领域地区。

 2021年10月,日本电力巨头JERA的氨能混烧示范项目在日本爱知县碧南市的火电厂首次点火启动。根据计划,此项目的氨燃料混烧比例到2024年将提高到20%,到2050年将实现100%。JERA在2021年11月中旬宣布,计划在未来2~3年内,每年采购50万吨氨,用于混烧发电。

 中国国家能源集团自主开发的第一代混氨低氮煤粉燃烧器,在龙源技术40MWth燃烧试验平台上进行全尺度了混氨燃烧试验,氨燃尽率99.99%,混氨燃烧比例最高达到35%,同时实现了氮氧化物的有效控制。该项技术成果可应用于发电、工业等领域的燃煤锅炉,通过对现有燃煤锅炉低成本的混氨燃烧改造,实现化石燃料的替代,实现燃煤机组的大幅度CO2减排。

绿氨对于航运、重型货物运输和农业的脱碳至关重要。全球已有不少公司开始进行相关项目的研究或试点生产,绿氨产业的商业化已拉开帷幕。

4.2国内

4.2.1协鑫集团

作为中国最大的多晶硅生产商、太阳能产品制造商之一,协鑫集团近些年积极进军氢能产业,2021年8月,该公司宣布在埃塞俄比亚建立一家工厂,利用其与当地政府达成的协议开发油田生产的天然气生产氨。此外协鑫还将在吉布提建立一座年产400万吨的氨工厂,并将建立能将氨转化为约250万吨液氢的设施。

4.2.2中设集团

中设集团在阿拉伯国家广泛布局,在“一带一路”的交汇点阿联酋设立了CMEC中东区域中心,在巴林、伊拉克、沙特等国均设有子公司及代表处,目前在手执行项目合同金额达数十亿美元,业务类型涵盖电力、房建、工业、新能源等多个行业。中设集团将在西北市场开发第一个“绿氢”合成制取“绿氨”项目,“绿氨”产品将面向国际市场。中设集团开发的产品具有可接收25MPa、30MPa和50MPa管束车的功能,通过自动控制实现系统的自动切换,将来应用50MPa管束车无需改造。中设集团的撬装式固定站方案将所有设备橇装集成在一个模块中,形成橇装站的模块。建站速度快、占地面积小,投资节省,仅需提供电力供应;同时,加气规模较小,日加气量200kg/d,适用于车场新品试验或小型加氢站,内部设备的安全间距与现有的国标加氢站规范相违背,将在规范上突破。

 4.2.3北京三聚环保公司

2018年,福州大学化肥催化剂国家工程研究中心与北京三聚环保公司等开发出世界首套以煤为原料的低碳安全高效“铁钌接力催化”合成氨成套新技术,实现年产20万吨合成氨装置上工业应用,打破了国外近30年的技术垄断。

 4.2.4紫金矿业集团

2021年12月,福州大学、北京三聚环保公司、紫金矿业集团将出资约2.67亿元成立合资公司,由新公司出资约3千万元购买福州大学的技术服务。合作三方将进一步聚焦我国发展氢能产业化存在的“卡脖子”难题,利用福州大学在合成氨及“氨-氢”转化催化技术优势,产学研用融合,打造一支国家级“氨-氢”能源产业创新团队,共同建设氨工业催化国家工程研究中心,加快发展集绿氨产业、氢能产业及可再生能源产业于一体的“零碳循环”的万亿级产业链。

4.2.5宁夏电力投资集团

从2021年7月开始,太阳山开发区就聚集了国内氨氢行业顶尖力量,致力于“氨-氢能源”产业的研发、建设。氨、氢能源产业以太阳山开发区为中心点,辐射全国,包括热电联产项目、160万千瓦光伏发电项目、装备制造项目、制氢、合成绿氨工厂项目、电池储能项目、智能微电网项目、综合能源项目、氢能源重卡项目,计划5年内完成投资建设。通过全方位布局,全产业链引进项目投资,打通绿色能源上下游产业链,探索建立人才聚集高地,在太阳山打造“中国氨氢谷”。

绿氢合成氨技术及氨脱氢可行性分析

传统制氨时,国际上主要以天然气为合成氨的主要生产原料。但中国的天然气价格高昂且产量匮乏,对外依赖度较高,中国的合成氨工业主要以煤炭为主要生产原料,大概77%的合成氨来自于煤炭。而从碳排放的角度来讲,每吨煤制合成氨释放的碳排放也要高出每吨天然气合成氨释放的碳排放。合成氨主要是用氢气和氮气作为合成原料,变换反应仍然是碳排放的主要源头。在工艺流程中,煤气化反应会形成一氧化碳和氢气为主的粗合成气。

目前,合成氨行业做原料的氢气几乎都是化石原料生产的灰氢,一部分来自于煤气化过程,另一部分来自于变换反应。对于合成氨工业来讲,使用低碳绿氢替代高碳灰氢,将是降低合成氨行业碳排放的有效途径之一。这样合成氨反应并不涉及碳元素,所以合成氨行业可以在绿色化过程中舍弃煤炭,直接使用可再生能源水电解制造的绿色氢气和空气中空分得到的氮气合成氨。如果中国目前所有的合成氨都采用绿氢生产,每年碳排放量可以减少一亿吨以上。同时,如果使用绿氢生产,还可避免对天然气、煤炭等化石能源的消耗,有利于建设环境友好型社会,每年的煤炭消耗减少量可接近五千万吨。

若用绿氢替代煤生产绿氨,则绿氨成本主要由原料成本(绿氢生产成本和氮气生产成本)和设备折旧、公用设备(主要为电力)等其他成本组成。假设原料成本占总成本比例约70%,其余部分占30%。

根据质量守恒定律。

在煤炭价格处于正常范围时(700-900元/吨),传统合成氨的成本范围在1900-2200元/吨。此时在有丰富可再生电力且电价低廉(0.1元/度)的地区,绿色合成氨的生产成本可以和传统煤制合成氨相竞争。在煤炭价格处于历史高点时(1500-2000元/吨),传统合成氨的成本将超过3000元/吨。此时在电价到达0.2元/度的地区,绿色合成氨的生产成本也可以和传统合成氨相竞争。

当电价为0.1元/度时,绿色合成氨成本大概在2200元/吨左右。这个价格实际上已经和传统合成氨成本相接近,但是前提是在煤炭价格处于正常范围。2021年的煤炭价格几乎达到了历史最高点,一度超出了2000元/吨。当煤炭价格更高的时候,传统合成氨的成本也将水涨船高。此时,当电价为0.2元/度时,绿色合成氨的成本也可以和传统合成氨相匹敌。

传统氨分解制氢由于能耗高,因此,成本较高。据香橙会研究院调研获悉,传统氨分解制氢成本超过17元/kg(合成氨原料成本取均值2500元/吨)比煤制氢超出30%。因此工业上几乎很少采用氨分解制氢。

绿氢合成氨技术及氨脱氢可行性分析

随着全球对减少温室气体排放需求的日益增加,以及所采用节能技术的增多,这些因素将推动绿氨市场的增长。但面对市场上的高初始资本投入,加上对人们对绿色氨技术缺乏认知,该市场的增长会受到些许阻碍。

据Research Nester的研究调查,全球绿氨市场规模预计将从2021年的1600万美元继续增长,预计到2030年将达到5.415亿美元,预测期内的年复合增长率(CAGR)为90.2 %。预计2028年全球绿色合成氨市场将获得8.513亿美元的营收,高于2019年的13.15亿美元,在预测期内增长了62.84 %。随着使用碱性水、固体氧化物电解、质子交换膜等生产绿色氨的技术增多,采用智能技术实现脱碳目标的方案增加,该市场也将得到增长。

6.1按地区划分

将全球绿色氨市场细分为北美、欧洲、亚太和世界其他地区。其中,预计到2028年底,欧洲市场将占据最大的市场份额,实现558.03亿美元的营收,高于2019年的7.49亿美元,预测期间最高增长率为65.37 %。在该地区的国家中,预计荷兰市场在2028年将拥有最大的市场收入(227.12亿美元),而德国市场在预计期内将以86.35 %的最高CAGR增长。

另一方面,预计2028年亚太地区市场将占据第二大份额,实现190.69亿美元的营收。该地区的市场按照国家分为中国、日本、澳大利亚和其他亚太地区,其中中国市场有望在整个预测期内占有最大的市场份额,2028年的市场收入为638.8万美元,高于2019年的38万美元。预计中国市场也将以预测期内最高CAGR(年复合增长率)为79.41 %的速度增长。

6.2按技术划分

全球绿色氨市场在技术基础上可细分为碱性水电解、PEM水电解、SOEC水电解。其中,SOEC水电解预计在2028年将拥有最大的市场收入,约为496.38亿美元。