超過(guò)40個(gè)項(xiàng)目！綠氨產(chǎn)業(yè)起飛
氨的制備工藝包括灰氨、藍(lán)氨、綠氨三種工藝。綠色制氨（可再生氨）工藝主要指全程以可再生能源為動(dòng)力開(kāi)展的電解水制氫及空氣分離制氮再通過(guò) Haber-Bosch 法制氨的過(guò)程，即通過(guò)綠氫制備綠氨。
灰氨主要由天然氣蒸汽重整氫氣及空氣分離的氮?dú)庠偻ㄟ^(guò)傳統(tǒng)哈伯法（Haber-Bosch）進(jìn)行合成，傳統(tǒng)的Haber-Bosch合成NH3工藝包括使用蒸汽甲烷重整（SMR）生產(chǎn)H2，其占全球年能耗的 1-2%，導(dǎo)致每年約 2.35 億噸CO2排放，這些 CO2排放中約 80%源自H2的生產(chǎn)（通過(guò)能源密集型 SMR 工藝與空氣中的N2反應(yīng)生成形成 NH3）。由于作為 SMR 直接排放 CO2，因此該工藝難以脫碳。傳統(tǒng)的 Haber-Bosch 工藝已經(jīng)沿用上百年，對(duì)環(huán)境造成了較大的影響；藍(lán)氨工藝與灰氨基本相似，但會(huì)對(duì)工藝流程進(jìn)行碳捕集與封存（CCS）。
綠色制氨（可再生氨）工藝主要指全程以可再生能源為動(dòng)力開(kāi)展的電解水制氫及空氣分離制氮再通過(guò) Haber-Bosch 法制氨的過(guò)程，即通過(guò)綠氫制備綠氨。使用水電解制備H2為通過(guò)低碳電源進(jìn)行水的電解，制備后僅產(chǎn)生H2和 O2（即H2O→H2+O2），因此，用可再生能源驅(qū)動(dòng)的水電解代替 SMR 工藝以獲得用于Haber-Bosch 工藝的綠色H2可以實(shí)現(xiàn) NH3合成的大量脫碳。此外，綠色H2的使用可以促進(jìn)小規(guī)模、模塊化的 NH3合成，這也將更有利于可再生能源進(jìn)行能源的整合并提高肥料的獲取和分配平衡。
技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及態(tài)勢(shì)
目前的綠色制氨工藝通過(guò)使用可再生能源發(fā)電來(lái)進(jìn)行 Haber-Bosch 工藝改進(jìn)，其中主要使用幾種不同類型的水電解器進(jìn)行綠色氫氣的合成。通過(guò)水電解產(chǎn)生綠色 H2 生產(chǎn)綠色 NH3 的流程如圖Ⅱ-15-01 所示。
圖Ⅱ-15-01 中，（A）為不同水電解槽生產(chǎn)綠色 H2：堿性水電解（AWE）、聚合物電解質(zhì)膜水電解（PEM WE）和固體氧化物水電解（SOE），（B）為N2由空氣分離裝置生產(chǎn)，（C）為通過(guò)改進(jìn)的 Haber-Bosch 工藝合成綠色 NH3。其中綠色 NH3 生產(chǎn)能力通常為 10000 噸/日，太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)生的可再生電力為綠色 NH3合成工藝提供能源（即用于綠色H2生產(chǎn)的水電解槽、用于N2分離的空分裝置和用于綠色 NH3 生產(chǎn)的 Haber-Bosch 工藝）如綠色虛線所示。
堿性水電解（AWE）、聚合物電解質(zhì)膜水電解（PEM WE）和固體氧化物水電解（SOE）三種技術(shù)可根據(jù)電解槽中所使用的電解液進(jìn)行區(qū)分，從技術(shù)成熟度情況來(lái)看，AWE 技術(shù)最為成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，是目前用于綠色H2生產(chǎn)的最常用技術(shù)，主要源于其具有高技術(shù)準(zhǔn)備水平（TRL）以及使用較便宜的催化劑降低了成本支出（CAPEX）；PEM WE 是商業(yè)規(guī)模上第二成熟的電解技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)是使用固體聚合物電解質(zhì)、高度致密、可利用間歇可再生電力進(jìn)行靈活操作和高壓操作；SOE 在高溫下良好的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，因此具有較高的系統(tǒng)效率，因此有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模綠色H2生產(chǎn)。因此，以上三種類型的電解槽都可以用于綠色 NH3 生產(chǎn)，并且在未來(lái)可能具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的潛力。三種工藝的技術(shù)對(duì)比如表Ⅱ-15-01 所示。
在工藝成本方面，由于 NH3 的價(jià)格很大程度上取決于H2的價(jià)格，具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的綠色H2生產(chǎn)將是加速綠色 NH3 經(jīng)濟(jì)所必備路徑。根據(jù)所使用的每種水電解器的綠色 H2價(jià)格的變化來(lái)評(píng)估綠色 NH3 生產(chǎn)可行性的進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（TEA）必不可少。意大利比薩大學(xué) LigangWang、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）Umberto Desideria、美國(guó)德克薩斯理工大學(xué) Mahdi Malmali、加拿大卡爾加里大學(xué) Md Golam Kibria、多倫多大學(xué) Edward H. Sargent、英國(guó)牛津大學(xué) René Ba?ares-Alcántara、劍橋大學(xué) Laura Torrente-Murciano、巴斯大學(xué) Alfred K. Hill等國(guó)外機(jī)構(gòu)研究人員已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究以確定與傳統(tǒng) Haber-Bosch 工藝相比綠色 NH3生產(chǎn)的可行性。
在經(jīng)濟(jì)性方面，耶魯大學(xué) Boreum Lee 等建立了研究模型進(jìn)行使用主要電解技術(shù)（即 AWE、PEM WE 和 SOE）生產(chǎn)綠色 NH3 的經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)和環(huán)境影響評(píng)估。據(jù)其預(yù)測(cè)，在 2050 年前，堿性水電解（AWE）、聚合物電解質(zhì)膜水電解（PEM WE）和固體氧化物水電解（SOE）三種中的任何一種綠色 NH3 合成工藝都均將與傳統(tǒng) Haber-Bosch 工藝相競(jìng)爭(zhēng)。由于綠色氨合成工藝相關(guān)的 CO2排放量較低，因此CO2 稅對(duì)綠色 NH3 生產(chǎn)的成本影響相對(duì)較小。此外，鑒于對(duì)與 CO2 排放相關(guān)的全球環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，由于對(duì)傳統(tǒng) NH3 生產(chǎn)產(chǎn)生的 CO2 排放罰款、未來(lái) CO2稅的采用、貨幣膨脹等因素將導(dǎo)致綠色 NH3 合成的平價(jià)年提前，考慮到碳的價(jià)格與沒(méi)有碳定價(jià)政策的情況相比，綠色 NH3 的經(jīng)濟(jì)平價(jià)可以提前十多年實(shí)現(xiàn)。
總體來(lái)看，根據(jù)科學(xué)家預(yù)測(cè)，未來(lái)在堿性水電解（AWE）、聚合物電解質(zhì)膜水電解（PEM WE）和固體氧化物水電解（SOE）三種類型中，固體氧化物水電解（SOE）與 Haber-Bosch 工藝相結(jié)合可能成為未來(lái)大規(guī)模綠色 NH3 生產(chǎn)最有潛力的工藝類型。
技術(shù)發(fā)展的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)
近年來(lái)，全球能源巨頭爭(zhēng)相布局并爭(zhēng)奪綠氨市場(chǎng)，其中使用電解水供應(yīng)綠氫的綠色 NH3 合成項(xiàng)目近兩年已經(jīng)被 Air Products、Siemens、OCP、Thyssen Krupp和 Fertiberia 等大型公司商業(yè)化。國(guó)內(nèi)方面，我國(guó)國(guó)家能源集團(tuán)、國(guó)電投、京能集團(tuán)等也已布局多個(gè)綠氨示范項(xiàng)目。根據(jù)亞化咨詢《中國(guó)綠氨產(chǎn)業(yè)鏈年度報(bào)告2022》數(shù)據(jù)顯示，目前全球已布局超過(guò) 40 個(gè)綠氨項(xiàng)目，如美國(guó)能源部 REFUEL計(jì)劃、丹麥商業(yè)化綠氨工廠、中東 Neom 項(xiàng)目、澳大利亞 AREH 項(xiàng)目等，全球綠氨規(guī)劃總產(chǎn)能超過(guò) 1500 萬(wàn)噸/年。
國(guó)際項(xiàng)目中，較為典型的是美國(guó)空氣產(chǎn)品公司在中東布局的項(xiàng)目，美國(guó)空氣產(chǎn)品公司（Air Products，AP）近兩年在綠色制氨方面進(jìn)行了一系列超大規(guī)模的投資和布局。2020 年其與沙特國(guó)際電力和水務(wù)公司（ACWA 電力）和沙特NEOM 新城簽署了全球最大的無(wú)碳?xì)漤?xiàng)目，三方將共同投資 50 億美元建造一座利用可再生能源的世界級(jí)綠色氫基氨工廠，三家企業(yè)在該項(xiàng)目中持有相同的股份。該項(xiàng)目將坐落在位于沙特阿拉伯王國(guó)西北角的以“NEOM”命名的可持續(xù)生活新城，并將生產(chǎn)出口到全球市場(chǎng)的綠色氨。該項(xiàng)目將包括超過(guò) 4 GW 太陽(yáng)能和風(fēng)能可再生能源電力的創(chuàng)新集成，采用蒂森克虜伯（Tthyssenkrupp）技術(shù)通過(guò)電解法日產(chǎn) 650 噸氫氣，利用空氣產(chǎn)品公司的技術(shù)通過(guò)空氣分離法生產(chǎn)氮?dú)?，采用托普索公司（Haldor Topsoe）的技術(shù)年產(chǎn) 120 萬(wàn)噸綠色氨，項(xiàng)目定于 2025年投產(chǎn)。
此外，在綠氨制備和存儲(chǔ)的產(chǎn)業(yè)化嘗試方面，西門子也走在全球前列，其早在 2018 年便已在英國(guó)牛津哈威爾展開(kāi)世界首個(gè)氨儲(chǔ)能先導(dǎo)計(jì)劃，該項(xiàng)目包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、氮?dú)猱a(chǎn)生器、電解水系統(tǒng)、30KW 發(fā)電機(jī)與哈伯法反應(yīng)爐，通過(guò)哈伯法生產(chǎn)氨氣。該示范廠目標(biāo)是將電力、水和空氣無(wú)碳轉(zhuǎn)化為氨氣，將氨氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐后，用于燃燒發(fā)電、當(dāng)作車用燃料出售，或用于工業(yè)制冷等，西門子的該示范計(jì)劃儲(chǔ)存量和發(fā)電量較小，旨在證明氨氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的可行性。
國(guó)內(nèi)方面，隨著國(guó)內(nèi)雙碳政策體系的確立，2022 年 2 月四部委聯(lián)合印發(fā)的《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）》，國(guó)家能源局《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》，工信部《工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》等涉及綠氨存儲(chǔ)和應(yīng)用方面的政策出臺(tái)，2022 年我國(guó)綠氨的發(fā)展明顯加速。根據(jù)公開(kāi)資料顯示，2022 年 3 月國(guó)家氫能中長(zhǎng)期規(guī)劃發(fā)布以來(lái)，國(guó)內(nèi)綠氨規(guī)劃并落地的年產(chǎn)能已超過(guò) 156 萬(wàn)噸，對(duì)應(yīng)超 28 萬(wàn)噸/年的綠氫需求。
國(guó)內(nèi)項(xiàng)目中，多數(shù)項(xiàng)目集中在內(nèi)蒙古、甘肅、青海等西北地區(qū)。其中較為典型的有如下項(xiàng)目：
2022年遠(yuǎn)景科技與內(nèi)蒙古赤峰市人民政府合作在赤峰市建設(shè)風(fēng)光制綠氫綠氨一體化示范項(xiàng)目，總投資約達(dá) 400 億元，該項(xiàng)目預(yù)計(jì) 2028年前建成投產(chǎn)，計(jì)劃總投資約為 400 億元，預(yù)計(jì) 2028 年前建成投產(chǎn)。
北京能源國(guó)際控股有限公司與內(nèi)蒙古錫林郭勒盟多倫縣合作簽署風(fēng)光儲(chǔ)氫制綠氨項(xiàng)目協(xié)議，該項(xiàng)目預(yù)計(jì)電解制氫規(guī)模日產(chǎn) 300 噸，年產(chǎn)綠氨規(guī)模達(dá) 60 萬(wàn)噸。
中國(guó)氫能有限公司與盈德集團(tuán)合作在鄂爾多斯市達(dá)拉特旗投資建設(shè)綠氫、綠氨項(xiàng)目，簽約項(xiàng)目年產(chǎn)能包括 0.93 萬(wàn)噸綠氫和 5 萬(wàn)噸綠氨。
國(guó)家能源集團(tuán)投資23 億元在內(nèi)蒙古新建年產(chǎn) 30 萬(wàn)噸綠氨。
蘭州新區(qū)政府將投資 30 億元建設(shè)年產(chǎn) 2 萬(wàn)噸制氫能力和 10 萬(wàn)標(biāo)方儲(chǔ)氫能力的綠氫供應(yīng)基地，以年產(chǎn) 6 萬(wàn)噸綠氨和氫能交通應(yīng)用為核心的示范應(yīng)用中心。
總體來(lái)看，我國(guó)綠氨的生產(chǎn)項(xiàng)目主要集中在西北地區(qū)，而產(chǎn)業(yè)鏈下游的應(yīng)用項(xiàng)目覆蓋全國(guó)。
技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的前景
市場(chǎng)前景方面，根據(jù)全球著名市場(chǎng)研究和咨詢公司 Future Market Insights 發(fā)表的綠色氨市場(chǎng)報(bào)告表明，未來(lái)十年，全球綠色氨市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以驚人的 90%的速度發(fā)展，在 2030 年前將達(dá)到 54 億美元。到 2028 年底前，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，產(chǎn)生 5.5803 億美元的收入，高于 2019 年的 749萬(wàn)美元，這得益于 2022～2032 年預(yù)測(cè)期間的 65.37%的估計(jì)復(fù)合年增長(zhǎng)率。亞太地區(qū)預(yù)計(jì)將占據(jù)全球第二大市場(chǎng)份額，收入潛力為 1.9069 億美元。就單個(gè)國(guó)家而言，荷蘭可能到 2028 年擁有最大的市場(chǎng)收入，達(dá)到 2.712 億美元，而德國(guó)市場(chǎng)收入預(yù)計(jì)在預(yù)測(cè)期間將以最快的速度增長(zhǎng) 86.35%。
產(chǎn)業(yè)化瓶頸方面，資本密集型性質(zhì)是綠色制氨產(chǎn)業(yè)化的主要障礙，主要源于通過(guò)可再生能源和電解槽等路徑制備綠氨的成本高于傳統(tǒng)工藝，因此除非成本進(jìn)一步下降，否則多數(shù)合成氨制造商將較難從傳統(tǒng)的合成氨生產(chǎn)轉(zhuǎn)向綠色合成氨生產(chǎn)。就目前來(lái)看，中國(guó)、日本的大型化工企業(yè)仍繼續(xù)采用天然氣蒸汽甲烷化的傳統(tǒng)技術(shù)，近兩年投資建廠的綠氨項(xiàng)目主要以全球巨頭、我國(guó)大型企業(yè)和政府支持項(xiàng)目為主。
總體來(lái)看，在碳減排的全球化背景下，部分國(guó)家加強(qiáng)碳稅收政策、我國(guó)政府資金支持低碳項(xiàng)目，國(guó)際巨頭及我國(guó)大型企業(yè)積極響應(yīng)政策號(hào)召，帶頭布局綠氨能源并提前布局市場(chǎng)，未來(lái)十年內(nèi)，在政企的聯(lián)合推動(dòng)下，綠氨產(chǎn)業(yè)將飛速發(fā)展。
來(lái)源：流程工業(yè)
