熊亞林，劉 瑋，高鵬博，董斌琦，趙銘生

（1國(guó)華能源投資有限公司；2北京國(guó)氫中聯(lián)氫能科技研究院有限公司，北京 100007）

2021年9月，我國(guó)提出了2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和的愿景。為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，氫能與綠氨等清潔能源成為深度脫碳的重要路徑[1]。氨(NH3)是現(xiàn)代社會(huì)中最為重要的化工產(chǎn)品之一，也是最早通過異相催化實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的化工產(chǎn)品。氨與人類社會(huì)的發(fā)展密切相關(guān)，在過去的一百年中，氨在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用是我國(guó)合成氨需求的最主要來源。得益于以氨為原料生產(chǎn)的氮肥的大規(guī)模應(yīng)用，全球糧食產(chǎn)量增長(zhǎng)迅速，少部分氨作為原料應(yīng)用于合成纖維、炸藥與塑料等工業(yè)領(lǐng)域[2]，但合成氨存在高耗能、高排放等問題。2020年，我國(guó)合成氨能源消耗為7198.3萬噸標(biāo)煤，約占全國(guó)能源消費(fèi)總量的1.4%，直接排放的二氧化碳達(dá)2.19 億噸，占化工行業(yè)排放總量的19.9%，占我國(guó)碳排放總量的2.2%[3]。高排放主要是因?yàn)槲覈?guó)合成氨過程中原料氫的生產(chǎn)以煤為主?！半p碳”目標(biāo)下，以電解水制氫合成氨為代表的前端清潔替代與碳捕集和封存(CCS)為代表的后端處理等技術(shù)將成為合成氨脫碳路徑的重要抓手[4-5]。

此外，通過清潔低碳?xì)浜铣傻陌北徽J(rèn)為是理想的清潔能源載體(H 含量為17.8%質(zhì)量分?jǐn)?shù))之一，燃燒產(chǎn)物僅為N2和H2O。氨逐漸被全球視為從化肥到綠色能源的零碳能源載體，這是由氨的物理化學(xué)特性決定的，從體積能量密度來看，液氨體積能量密度(11.5 MJ/L)比液氫(8.5 MJ/L)高35%。從能耗角度，合成氨的能耗與氫液化的能耗相當(dāng)。從儲(chǔ)運(yùn)角度，液氨儲(chǔ)運(yùn)更便捷，一方面氨的運(yùn)輸法規(guī)健全，可以利用現(xiàn)有的運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施。另一方面氨儲(chǔ)運(yùn)成本更低，氨的沸點(diǎn)為-33.36 ℃，H2的沸點(diǎn)為-252.9 ℃，氨更容易液化，同體積液氨比液氫多至少60%的氫，同質(zhì)量液氨的儲(chǔ)罐在成本上是液氫儲(chǔ)罐的0.2%～1%，在重量上是液氫罐的1%～10%。液氨的蒸發(fā)速度是液氫的1/10。從安全角度，氨燃燒發(fā)生火災(zāi)和爆炸的可能性極低，且人對(duì)氨的氣味極其敏感，泄露易察覺。因此國(guó)際上提出氨=氫2.0 概念，將其視為單一氫能長(zhǎng)尾問題的解決方案[6]。全球布局綠氨的國(guó)家逐漸增多，氨被認(rèn)為在重型交通運(yùn)輸和發(fā)電等領(lǐng)域具有脫碳應(yīng)用潛力。致力于打造“氫社會(huì)”的日本在2021年制定了2021—2050“日本氨燃料路線圖”，在氨應(yīng)用端，計(jì)劃到2030年通過燃煤摻氨替代日本煤電廠20%的煤炭供應(yīng)，隨著摻燒氨技術(shù)的成熟，這一比例將上升到50%以上，最終目標(biāo)是建設(shè)純氨發(fā)電廠，作為新的低碳電力結(jié)構(gòu)的一部分。在船運(yùn)方面，日本計(jì)劃在2025 年前完成氨燃料船舶技術(shù)研發(fā)與示范，2025 年后進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。在氨燃料供應(yīng)方面，日本目前使用量約100 萬噸/年，其中約20%進(jìn)口。日本計(jì)劃到2030 年建立氨供應(yīng)鏈，需求量約300 萬噸/年，到2050 年，日本境內(nèi)氨需求量將增加到3000 萬噸。氨源計(jì)劃從北美、中東、澳大利亞等適合的地方建造氨生產(chǎn)廠，在國(guó)外完成氨的生產(chǎn)過程，將氨運(yùn)輸至日本并建立國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈。2020 年底，日本從沙特阿拉伯已經(jīng)運(yùn)送了40 噸低碳氨用于燃煤摻氨。韓國(guó)宣布將2022年作為氫氣-氨氣發(fā)電元年，力求打造全球第一大氫氣和氨氣發(fā)電國(guó)。計(jì)劃至2027 年完成將氨作為零碳發(fā)電燃料的研究和測(cè)試，從2030 年開始實(shí)現(xiàn)氨燃料發(fā)電商業(yè)化，將氨占燃料的比例提高到3.6%，以減少其在電力生產(chǎn)中對(duì)煤炭和液化天然氣的依賴。歐盟、美國(guó)和澳大利亞也在氨的新興應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)布了相關(guān)的政策。

我國(guó)在氨的新興應(yīng)用領(lǐng)域也取得了突破性進(jìn)展，在摻氨發(fā)電領(lǐng)域，國(guó)家能源集團(tuán)發(fā)布“燃煤鍋爐混氨燃燒技術(shù)”，標(biāo)志著我國(guó)燃煤鍋爐混氨技術(shù)邁入世界領(lǐng)先行列。在氨船舶設(shè)計(jì)建造領(lǐng)域，上海船舶設(shè)計(jì)研究院完成了18 萬噸氨燃料散貨船的開發(fā)設(shè)計(jì)，并取得勞氏船級(jí)社的原則性批準(zhǔn)證書[7]；江南造船與勞氏船級(jí)社、瓦錫蘭合作，研發(fā)設(shè)計(jì)的氨燃料(NH3)動(dòng)力超大型液化氣體運(yùn)輸船(VLGC)獲得船級(jí)社頒發(fā)的原則性認(rèn)可證書[8]。

但是，我國(guó)合成氨行業(yè)通過電解水制氫、CCS等技術(shù)應(yīng)用的碳減排路徑和清潔氫的需求還不明確，且合成氨的需求研究目前主要集中在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)于重型交通運(yùn)輸領(lǐng)域和發(fā)電領(lǐng)域等新興需求研究甚少。研究氫能在合成氨領(lǐng)域需求與減碳路徑，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和急迫性。本文通過LEAP模型結(jié)合經(jīng)濟(jì)性驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行合成氨行業(yè)需求(如圖1 所示)、氫能需求和氫源供給結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)并對(duì)碳減排進(jìn)行分析。

圖1 合成氨產(chǎn)業(yè)鏈Fig.1 The synthetic ammonia industry chain

1 我國(guó)合成氨行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 我國(guó)合成氨產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

我國(guó)是最大的氨生產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的30%。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2005—2020 年合成氨產(chǎn)量如圖2所示，自2005年以來，我國(guó)合成氨產(chǎn)量逐年攀升，至2015 年達(dá)到峰值5791 萬噸。十三五以來，工業(yè)和信息化部要求重點(diǎn)行業(yè)淘汰落后以及過剩產(chǎn)能，其中合成氨行業(yè)不得少于1000萬噸，近5年以來，我國(guó)合成氨伴隨著環(huán)保限產(chǎn)以及落后產(chǎn)能的淘汰，產(chǎn)量逐年減少，于2018 年達(dá)到最低位4587萬噸。

圖2 2005—2020年合成氨產(chǎn)量Fig.2 Synthetic ammonia output from 2005 to 2020

從下游消費(fèi)結(jié)構(gòu)來看，呈現(xiàn)“減肥增化”的趨勢(shì)，氨用于化肥生產(chǎn)的氨從2010 年90%的占比下降至目前總量的70%[9]。隨著我國(guó)人口增長(zhǎng)放緩、漸趨穩(wěn)定并緩慢下降，目前中國(guó)的單位耕地面積化肥使用量已經(jīng)處于高位，國(guó)內(nèi)化肥消費(fèi)量將逐漸呈平緩下降趨勢(shì)。剩余30%的氨應(yīng)用于一系列工業(yè)生產(chǎn)中，氨是重要的化工產(chǎn)品與原料，是常用的無機(jī)溶劑、制冷劑、煙氣與尾氣脫硝的重要助劑，也是硝酸、固體銨鹽、尿素、丙烯腈、橡膠和化學(xué)纖維等化工產(chǎn)品的主要原料。但合成氨將在一些新興領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，氨可以替代目前大部分化石燃料的應(yīng)用場(chǎng)景，尤其是在船舶燃料和燃煤電廠摻氨發(fā)電中，將成為合成氨新增需求的新動(dòng)能。

從產(chǎn)能分布來看，目前我國(guó)合成氨產(chǎn)能區(qū)域主要分布在山東、山西、河南、內(nèi)蒙古、新疆、江蘇等資源條件較好的地區(qū)，這些地區(qū)合成氨產(chǎn)能約占總量的2/3 左右。今后氮肥等產(chǎn)業(yè)布局將進(jìn)一步向原料資源地集中，實(shí)現(xiàn)就近轉(zhuǎn)化，減少污染和損失，隨著綠氫產(chǎn)業(yè)的布局，也將呈現(xiàn)向西部等可再生能源豐富地區(qū)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。

從合成氨氫源來看，根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，合成氨對(duì)氫氣需求量是最大的氫氣終端消費(fèi)領(lǐng)域，如圖3所示。2019年合成氨產(chǎn)量5760萬噸，生產(chǎn)合成氨的中間原料氫氣消費(fèi)量為1080萬噸，占?xì)錃庑枨罂偭勘壤哌_(dá)32.3%[1,10]。從氫源結(jié)構(gòu)來看，81%的氫氣來源于煤氣化工藝，天然氣重整制氫占比16.6%，剩余2.4%的氫氣來源于焦炭副產(chǎn)氫與蘭炭副產(chǎn)氫，如圖4所示。

圖3 中國(guó)氫氣生產(chǎn)與消費(fèi)[9]Fig.3 Hydrogen production and consumption in China[9]

圖4 合成氨行業(yè)氫源結(jié)構(gòu)Fig.4 Hydrogen source structure of the synthetic ammonia industry

1.2 技術(shù)現(xiàn)狀

1.2.1 合成氨技術(shù)

目前，Haber-Bosch法仍是全球唯一具有工業(yè)級(jí)規(guī)模的合成氨技術(shù)，該法主要包含造氣、凈化、壓縮合成三個(gè)主要步驟。一是造氣，即以天然氣、煤為原料，制備含有氫氣、氮?dú)狻⒁谎趸嫉拇衷蠚?；二是凈化，造氣過程中制得的粗氣含有一氧化碳、二氧化碳等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)不能腐蝕管道設(shè)備，而且能使催化劑中毒，因此在氫氮原料氣送往合成塔之前必須進(jìn)行凈化處理，除去各種雜質(zhì)，獲得純凈的氨氮混合氣；三是壓縮與合成，這主要是Haber-Bosch 工藝，將純凈的氫氮混合原料氣壓縮到高壓，在催化劑及高溫條件下合成氨[11-12]?？稍偕娏铣砂奔夹g(shù)以清潔能源電解水生成的氫氣取代傳統(tǒng)工藝中的化石能源(煤、天然氣)，與從空分系統(tǒng)中得到的氮?dú)夥磻?yīng)生成氨[13-14]。以天然氣、煤炭和電解水制氫為原料的典型合成氨裝置流程如圖5、圖6和圖7[15]。

圖5 以天然氣為原料的典型合成氨裝置流程Fig.5 Flowchart of a typical ammonia plant with natural gas as raw material

圖6 煙煤為原料的典型合成氨裝置流程Fig.6 Process flow showing a typical ammonia synthesis unit with bituminous coal as raw material

圖7 電解水制綠氨的技術(shù)工藝路線圖Fig.7 Technical process route for producing green ammonia from electrolytic water

傳統(tǒng)Haber-Bosch 合成氨由于受到熱力學(xué)限制，轉(zhuǎn)化率僅有10%～15%。隨著近年來化石燃料的大量消耗、環(huán)境惡化日益加劇，亟需找到一種綠色環(huán)保的合成氨工藝替代路線，電解水制氫合成氨工藝將是未來發(fā)展的趨勢(shì)[6]。我國(guó)科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃從兩方面開展，一是氫源綠色化替代，二是合成工藝低溫低壓化。電化學(xué)合成氨可以在低溫常壓狀態(tài)下進(jìn)行，反應(yīng)過程清潔環(huán)保，比Haber-Bosch 工藝減少約20%的能耗，并且不受熱力學(xué)限制。2021 年度“氫能技術(shù)”專項(xiàng)支持了“電解制氫—低溫低壓合成氨關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”和“十萬噸級(jí)可再生能源電解水制氫合成氨示范工程”，開展電解制氫以及溫和條件合成氨關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用，突破近常壓氫氣和氮?dú)夂铣砂毙录夹g(shù)，探索可再生能源與低溫低壓合成氨互補(bǔ)融合新路徑。

1.2.2 氨利用：船用氨燃料研究

隨著國(guó)際海事組織(IMO)的有害物排放法規(guī)的實(shí)施和國(guó)家及地方政策的持續(xù)引導(dǎo)和推動(dòng)，船舶行業(yè)的大氣污染物治理與應(yīng)對(duì)氣候變化迎來契機(jī)，使用低碳/零碳燃料為動(dòng)力的船舶進(jìn)入快速發(fā)展期，航運(yùn)減碳技術(shù)市場(chǎng)前景十分廣闊。由于氨的零碳屬性，在用作內(nèi)燃機(jī)燃料時(shí)不會(huì)產(chǎn)生碳排放，此外氨的體積能量密度比氫氣高，可以提高船體空間利用率，從而使得氨燃料在船上存儲(chǔ)具有經(jīng)濟(jì)可行性。根據(jù)能源轉(zhuǎn)型委員會(huì)(ETC)估計(jì)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看氨是遠(yuǎn)洋船舶的“最終燃料”，用作船運(yùn)燃料的氨的總量相當(dāng)于常規(guī)農(nóng)業(yè)和工業(yè)用途的一半以上。為了滿足國(guó)際航運(yùn)船隊(duì)的需求，需要6.5 億噸以上的氨，相當(dāng)于6500 TWh 的可再生能源發(fā)電量[16]。因此以合理的成本使用電解法生產(chǎn)綠氨是目前主要的研究方向，我國(guó)雖然完成了氨燃料散貨船的開發(fā)設(shè)計(jì)，但是關(guān)于氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)相對(duì)落后，在今后可以加大研發(fā)支持力度。溫特圖爾發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司(WinGD)、德國(guó)曼集團(tuán)(MAN)等全球領(lǐng)先的船用動(dòng)力總成供應(yīng)商均開始部署氨燃料低速機(jī)的研發(fā)工作，預(yù)計(jì)2024 年將投入市場(chǎng)，引領(lǐng)能源和船海工業(yè)向零碳解決方案轉(zhuǎn)型。

1.2.3 氨利用：燃煤摻氨發(fā)電研究

我國(guó)煤電裝機(jī)規(guī)模大、服役時(shí)間短、碳排放量大、轉(zhuǎn)型難度大，化解煤電結(jié)構(gòu)性風(fēng)險(xiǎn)迫在眉睫。我國(guó)燃煤發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳排放量占我國(guó)總二氧化碳排放量的34%左右，減少燃煤發(fā)電的二氧化碳排放是我國(guó)順利實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵，即便摻混少量氨替代煤炭也能減少極為可觀的碳排放量，不少科研團(tuán)隊(duì)開展了氨與煤粉在鍋爐中的混燃研究。然而，目前對(duì)于氨在不同工況下的燃燒特性，如點(diǎn)火延遲時(shí)間、火焰速度與結(jié)構(gòu)、燃燒極限、NOx生成特性等關(guān)鍵參數(shù)尚未完善，對(duì)于氨燃燒的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理也仍處于不斷驗(yàn)證改進(jìn)階段，摻氨發(fā)電技術(shù)在燃煤發(fā)電廠的商業(yè)化進(jìn)程中仍面臨挑戰(zhàn)[17]。全球范圍內(nèi)將氨作為鍋爐低碳燃料的研究仍處于起步階段，且皆集中在實(shí)驗(yàn)室或中試的小尺度研究，還未能在工業(yè)尺度條件下驗(yàn)證將氨作為低碳燃料大規(guī)模使用的可行性。國(guó)家能源集團(tuán)以35%摻燒比例在40 兆瓦燃煤鍋爐上實(shí)現(xiàn)了混氨燃燒工業(yè)應(yīng)用，開發(fā)了可靈活調(diào)節(jié)的混氨低氮煤粉燃燒器，并配備多變量可調(diào)的氨供應(yīng)系統(tǒng)，完成了對(duì)氨煤混燃技術(shù)的整體性研究，為更高等級(jí)燃煤鍋爐混氨燃燒系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)方案，標(biāo)志著我國(guó)燃煤鍋爐混氨技術(shù)邁入世界領(lǐng)先行列。

1.3 氨的供應(yīng)與貿(mào)易

氨是一種定價(jià)透明的全球大宗商品，整個(gè)生產(chǎn)、運(yùn)輸、交易市場(chǎng)存在已久并且成熟，其市場(chǎng)遍布世界各地，全球出口量約占總產(chǎn)量的10%[18]。天然氣豐富的地區(qū)如俄羅斯、特立尼達(dá)和多巴哥是主要的出口國(guó)家和地區(qū)，通過氨及其衍生物貿(mào)易出口實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。

相比于氫，氨作為貿(mào)易成熟的化工品，擁有從工廠制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用等完整的商業(yè)供應(yīng)鏈體系。氨的專用港口、管道和儲(chǔ)存設(shè)施等重要的基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)氨貿(mào)易至關(guān)重要。全球減碳的大背景下，國(guó)際社會(huì)對(duì)商品的低碳要求越來越高，可再生氫生產(chǎn)的綠氨成為未來氨貿(mào)易的發(fā)展要求和趨勢(shì)。我國(guó)擁有巨大的生產(chǎn)清潔氨燃料所需的可再生電力優(yōu)勢(shì)，在滿足國(guó)內(nèi)氨的應(yīng)用需求的同時(shí)，借助國(guó)內(nèi)成熟的供應(yīng)鏈體系，依托周邊日韓氨需求量大的市場(chǎng)，在未來開展綠氨國(guó)際貿(mào)易具有巨大的潛力。

2 分析模型原理

本研究選用情景分析模型，具體采用基于長(zhǎng)期能源替代規(guī)劃系統(tǒng)LEAP 模型(long-range energy alternatives planning system)工具，它包括能源供應(yīng)、能源加工轉(zhuǎn)換、終端能源需求等環(huán)節(jié); 該模型主要可用于國(guó)家和城市中長(zhǎng)期能源環(huán)境規(guī)劃，分析預(yù)測(cè)不同驅(qū)動(dòng)因素下全社會(huì)中長(zhǎng)期能源供應(yīng)與需求，并計(jì)算能源在流通和消費(fèi)過程中的常規(guī)大氣污染物及溫室氣體排放量[19]。

模型將終端能源消費(fèi)劃分為工業(yè)、交通等部門，模型的運(yùn)行需要大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及預(yù)測(cè)性數(shù)據(jù)的輸入。這些數(shù)據(jù)主要來源于中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒、中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)、國(guó)內(nèi)外主要行業(yè)研究機(jī)構(gòu)和領(lǐng)先國(guó)家相關(guān)預(yù)測(cè)。根據(jù)氨的下游應(yīng)用場(chǎng)景不同，LEAP 模型將基于經(jīng)濟(jì)性與碳減排效應(yīng)，對(duì)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)部門與工業(yè)部門氨需求和新領(lǐng)域交通部門和發(fā)電部門氨需求進(jìn)行分析。分析思路如圖8所示。

圖8 分析方法基本原理Fig.8 Basic principles of the analytical methods

其中，不同制氫技術(shù)路線合成氨產(chǎn)生的碳排放可根據(jù)使用的能源與碳排放系數(shù)得到。其計(jì)算公式為：

FT為合成氨領(lǐng)域CO2排放量，單位：噸；ET，k為合成氨領(lǐng)域消耗的第k種能源量，單位：噸(標(biāo)煤)；FCO2,k為第k種能源的CO2排放因子，單位：噸(CO2)/噸(標(biāo)煤)。

3 合成氨與氫能需求預(yù)測(cè)

3.1 經(jīng)濟(jì)性

對(duì)于氨在船舶運(yùn)輸燃料與燃燒發(fā)電為代表的交通部門和發(fā)電部門的新應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)滲透率，需基于氨燃料利用技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性以及碳減排效益進(jìn)行綜合分析。

船舶運(yùn)輸燃料：傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船主動(dòng)力和輔助動(dòng)力均采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料為重油。氨燃料動(dòng)力船，主動(dòng)力采用氨發(fā)動(dòng)機(jī)，輔助動(dòng)力采用氫燃料電池。根據(jù)表1假設(shè)的傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船舶主輔機(jī)參數(shù)與亞歐航線設(shè)定，計(jì)算得到主機(jī)、輔機(jī)的油耗分別為240 t/d和16 t/d[20]。由于目前氨動(dòng)力總成尚未投入市場(chǎng)，由此采用等量熱值法換算得到氨動(dòng)力船舶氨的消耗量為419 t/d，折合氫耗為9 t/d。經(jīng)濟(jì)性分析如圖9 所示，當(dāng)重油價(jià)格為4000 CNY/t 時(shí)，在考慮傳統(tǒng)動(dòng)力船的碳排放情況下，根據(jù)重油的碳排放系數(shù)，當(dāng)碳價(jià)為500 CNY/t時(shí)，可再生氫氣價(jià)格為18 CNY/kg時(shí)，合成氨成本為3684 CNY/t，這時(shí)氨燃料動(dòng)力船具有成本競(jìng)爭(zhēng)性。

表1 傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船舶主輔機(jī)參數(shù)設(shè)定[20]Table 1 Parameter settings of the main and auxiliary engines of traditional fuel-powered ships[20]

圖9 可再生氫氣價(jià)格與船舶燃料經(jīng)濟(jì)性關(guān)系Fig.9 The economic relationship between hydrogen prices and ship fuel costs

燃燒發(fā)電：本文以火力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性和摻氨35%的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比。為了更好展現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果，本文主要考慮不同燃料以及碳價(jià)對(duì)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性影響，暫未考慮設(shè)備改造以及人工折舊等費(fèi)用?，F(xiàn)役燃煤火力發(fā)電廠平均供電煤耗以320 g標(biāo)煤/kWh計(jì)算，燃煤摻氨熱量比以35%計(jì)算，根據(jù)氨的燃燒熱值與標(biāo)準(zhǔn)煤的排放系數(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性計(jì)算對(duì)比如圖10，在考慮兩種發(fā)電技術(shù)產(chǎn)生的碳效益，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)煤的碳排放系數(shù)計(jì)算各自發(fā)電過程中的碳排放，在煤炭?jī)r(jià)格為1400 CNY/t、碳價(jià)為500 CNY/t時(shí)，可再生氫氣價(jià)格為16 CNY/kg左右，合成氨的成本為3275 CNY/t，燃煤摻氨發(fā)電才具備經(jīng)濟(jì)性。

圖10 可再生氫氣價(jià)格與發(fā)電價(jià)格經(jīng)濟(jì)性關(guān)系Fig.10 The economic relationship between hydrogen prices and power generation with different fuels

可再生氫：可再生氫的成本決定了綠氨在交通與發(fā)電領(lǐng)域的市場(chǎng)滲透率。如圖11所示，以2000 m3/h堿性電解水制氫項(xiàng)目為例，負(fù)荷率95%條件下，當(dāng)前水電、陸上風(fēng)電、海上風(fēng)電、光伏的度電平準(zhǔn)化成本分別為0.33 CNY/kWh、0.41 CNY/kWh、0.63 CNY/kWh、0.40 CNY/kWh，對(duì)應(yīng)的平準(zhǔn)化氫氣成本分別為22.89 CNY/kg氫氣、27.65 CNY/kg氫氣、40.05 CNY/kg氫氣、26.65 CNY/kg氫氣。其中度電成本對(duì)可再生氫成本的影響敏感性最高，約占總成本的70%～90%[1]?？稍偕茉囱b機(jī)規(guī)模擴(kuò)大和技術(shù)持續(xù)進(jìn)步將推動(dòng)可再生能源發(fā)電成本下降。到2035年后，光伏與風(fēng)電的新增裝機(jī)發(fā)電成本預(yù)計(jì)分別降至0.2 CNY/kWh 和0.3 CNY/kWh。到2050年新增光伏和風(fēng)電發(fā)電成本將降至約0.13 CNY/kWh和0.25 CNY/kWh，風(fēng)能和太陽能將成為最廉價(jià)和最豐富的電力來源[21]?？稍偕茉措娊馑茪涑杀緦⒌椭?1.63 CNY/kg 氫氣，不考慮碳稅情況下，已明顯低于化石能源+碳捕集與封存(CCS)制氫成本[22]。

圖11 可再生氫平準(zhǔn)化成本Fig.11 Levelized costs of renewable hydrogen

綜合以上分析，無論是綠氨合成還是船舶燃料、燃煤摻燒等新領(lǐng)域，均需要在氫氣價(jià)格較低時(shí)才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。一方面，需要盡快推進(jìn)可再生能源制氫規(guī)?；ㄔO(shè)低碳清潔氫氣供應(yīng)體系，發(fā)揮氫自身作為能源互聯(lián)互通媒介的作用，實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈綠色發(fā)展；另一方面，國(guó)內(nèi)碳市場(chǎng)交易機(jī)制與碳排放配額價(jià)格均難以支撐綠氨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要及時(shí)完善體制機(jī)制。

3.2 合成氨與氫需求量預(yù)測(cè)

我國(guó)合成氨行業(yè)氫能需求預(yù)測(cè)從兩方面考慮，一是化肥、化工等原有合成氨市場(chǎng)，二是船用氨燃料與燃摻氨燃燒等新應(yīng)用領(lǐng)域。

3.2.1 傳統(tǒng)合成氨領(lǐng)域

目前，我國(guó)合成氨行業(yè)步入微量增長(zhǎng)階段。隨著肥效提高和有機(jī)肥替代，未來合成氨在農(nóng)業(yè)消費(fèi)量將下降至60%。非農(nóng)業(yè)領(lǐng)域消費(fèi)量受環(huán)保、新材料、專用化學(xué)品等工業(yè)消費(fèi)拉動(dòng)，需求量增長(zhǎng)，但傳統(tǒng)合成氨需求量整體呈穩(wěn)中有降趨勢(shì)，預(yù)計(jì)2035年平緩下降至5700萬噸，氫需求量1040萬噸，2060年下降至5500萬噸，氫需求量972萬噸[1]。

3.2.2 新興合成氨領(lǐng)域

交通領(lǐng)域，對(duì)于氨燃料在船用能源滲透率方面，基于我國(guó)加速推行氨燃料船的技術(shù)研發(fā)的假設(shè)下，實(shí)施中高強(qiáng)度的能源轉(zhuǎn)型政策，提高燃料船的能源消費(fèi)清潔化率，前期在優(yōu)勢(shì)地區(qū)逐步實(shí)行試點(diǎn)。結(jié)合圖9和圖11經(jīng)濟(jì)性分析的結(jié)果，在達(dá)到經(jīng)濟(jì)性時(shí)逐漸加大滲透力度，隨著可再生能源度電成本的迅速降低，尤其是光伏發(fā)電率先在2035年平準(zhǔn)化氫氣成本低于15 CNY/kg 氫氣，預(yù)計(jì)在2035 年左右氨動(dòng)力船舶經(jīng)濟(jì)性將與傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船持平，同時(shí)技術(shù)成熟度達(dá)到TRL9，具備規(guī)模化推廣的條件，氨動(dòng)力船舶實(shí)現(xiàn)1%的滲透率，合成氨的需求量達(dá)到117萬噸，氫需求量21 萬噸；此后滲透率快速增加，2040年與2050年氨動(dòng)力船舶在船舶燃料中滲透率迅速上升至5%和25%，2060年氨在船舶燃料領(lǐng)域需求量滲透率超過40%，合成氨的消耗量近6500萬噸，氫需求量1150 萬噸，如圖12 所示。發(fā)電領(lǐng)域，根據(jù)全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織對(duì)我國(guó)2020—2060年電力裝機(jī)預(yù)測(cè)，2025年我國(guó)煤電裝機(jī)達(dá)到峰值11 億千瓦，此后煤電裝機(jī)逐年下降，至2060年，煤電裝機(jī)將全部退出我國(guó)電源結(jié)構(gòu)[23]。2035 年，摻氨發(fā)電經(jīng)濟(jì)性可與煤電競(jìng)爭(zhēng)，摻氨比例按國(guó)家能源集團(tuán)示范燃煤鍋爐燃燒35%比例混氨燃料，預(yù)計(jì)氨需求量達(dá)到540 萬噸，氫需求量100萬噸。2050年，隨著摻氨發(fā)電在煤電應(yīng)用的滲透率逐步提升至30%，氨需求量4700 萬噸，氫需求量840萬噸。

圖12 2020—2060年合成氨與氫能需求量預(yù)測(cè)Fig.12 Demands for synthetic ammonia and hydrogen from 2020 to 2060

整體來看，合成氨行業(yè)的氫氣總需求量呈現(xiàn)逐年上升后微調(diào)回落的趨勢(shì)，從2019年1080萬噸氫氣增長(zhǎng)到2050年的2500萬噸，隨后由于煤電的退出導(dǎo)致?lián)桨卑l(fā)電需求減少，到2060年減少到2128萬噸。根據(jù)模型預(yù)測(cè)結(jié)果，隨著技術(shù)進(jìn)步、可再生氫成本的降低以及碳市場(chǎng)的成熟，主要增量在以氨為燃料的船運(yùn)和摻氨發(fā)電等新興領(lǐng)域，2060 年新興領(lǐng)域所需要的氫氣達(dá)到1150 萬噸，超過合成氨行業(yè)氫需求總量的50%。

4 合成氨行業(yè)氫能供給結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

4.1 經(jīng)濟(jì)性分析

我國(guó)目前以化石燃料為原料的合成氨工藝的總成本包含固定投資的折舊成本、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本和原料能耗成本。為了更好地體現(xiàn)不同原料替代對(duì)合成氨經(jīng)濟(jì)性的影響，而且不同工藝折舊成本和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本相差不大，因此主要考慮原料和能耗成本的差異。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知[17,19,24]，經(jīng)濟(jì)性分析模型參數(shù)如表2，并結(jié)合不同工藝所需要的動(dòng)力電和冷卻水等計(jì)算不同工藝經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如圖13。

表2 經(jīng)濟(jì)性分析模型參數(shù)Table 2 Economic analysis model parameters

傳統(tǒng)化石能源合成氨的原料成本按煤炭?jī)r(jià)格1400 CNY/t，天然氣價(jià)格3.0 CNY/m3，工業(yè)電價(jià)為0.56 CNY/kWh計(jì)。在考慮不同工藝的碳排放情況，以碳價(jià)為500 CNY/t計(jì)算各合成氨工藝的綜合成本，如圖13所示?；?030年碳市場(chǎng)成熟，碳價(jià)達(dá)到500 CNY/t 的假設(shè)條件下，煤合成氨+CCS技術(shù)相較于煤合成氨具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)性提高6%；天然氣合成氨配備CCS成本幾乎不變。當(dāng)可再生能源制氫價(jià)格分別達(dá)到23元與21.5元左右時(shí)，綠氨與煤制氨、煤制氨+CCS價(jià)格持平；當(dāng)氫氣價(jià)格進(jìn)一步下降至21 元左右時(shí)，可再生能源制氫合成氨價(jià)格與天然氣制氨持平。根據(jù)圖11 可再生氫平準(zhǔn)化成本分析，預(yù)計(jì)2030 年可再生氫將比化石能源合成氨具有競(jìng)爭(zhēng)力。

圖13 氫氣價(jià)格與合成氨工藝經(jīng)濟(jì)性關(guān)系Fig.13 Relationship between hydrogen prices and the process economy

4.2 合成氨行業(yè)氫源供給結(jié)構(gòu)

當(dāng)前合成氨行業(yè)的氫源主要來自于煤氣化制氫和天然氣重整制氫等非低碳?xì)?，全部?yīng)用于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與工業(yè)部門。未來，在傳統(tǒng)合成氨應(yīng)用領(lǐng)域，隨著可再生能源電解水制氫逐步具有競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)考慮到可再生氫與CCS技術(shù)經(jīng)濟(jì)性均在2030年左右顯現(xiàn)，而CCS 技術(shù)為過渡性技術(shù)，產(chǎn)業(yè)投資熱情遠(yuǎn)低于可再生能源電解水制氫技術(shù)，因此本文預(yù)測(cè)現(xiàn)有非低碳?xì)溆煽稍偕鷼渲鸩教娲?。在新興合成氨應(yīng)用領(lǐng)域，其產(chǎn)業(yè)部署主要受脫碳因素驅(qū)動(dòng)，本文對(duì)需求量預(yù)測(cè)基于可再生氫成本下降發(fā)展趨勢(shì)，因此，船舶運(yùn)輸用氨燃料以及氨發(fā)電領(lǐng)域的氫全部來源于可再生氫。2030 年后可再生氫部署加快，2035年可再生氫占比20%，2040年可再生氫將在合成氨氫源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位，到2060 年可再生氫所占比例將會(huì)達(dá)到97%以上。如圖14所示。

圖14 我國(guó)2020—2060年合成氨行業(yè)氫源供給比例Fig.14 The hydrogen source structure of China’s synthetic ammonia industry from 2020 to 2060

合成氨行業(yè)碳排放量方面，根據(jù)氫源供給結(jié)構(gòu)的LEAP模型預(yù)測(cè)結(jié)果得到合成氨行業(yè)的碳排放趨勢(shì)，如圖15 所示。在可再生能源制氫降本速度加快和電解水裝機(jī)大規(guī)模部署下，預(yù)計(jì)我國(guó)合成氨行業(yè)將在2030 年左右達(dá)峰，碳排放峰值為2.22 億噸二氧化碳。此后碳排放逐年減少，2060 年碳排放降至920萬噸。

圖15 碳排放趨勢(shì)預(yù)測(cè)Fig.15 The carbon emission trend forecast

5 結(jié)論

本文借助LEAP相關(guān)模型和方法，實(shí)現(xiàn)了基于經(jīng)濟(jì)性驅(qū)動(dòng)的我國(guó)合成氨領(lǐng)域發(fā)展情景分析，在不同氫源結(jié)構(gòu)的滲透率下推行合成氨產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型進(jìn)行了模擬研究，得出如下結(jié)論：

（1）綠氨在船舶運(yùn)輸、發(fā)電與供熱等新終端應(yīng)用場(chǎng)景尚不具備經(jīng)濟(jì)性。但是綠氨制備具備經(jīng)濟(jì)性(電價(jià)在0.3 CNY/kWh內(nèi)條件下)，可以優(yōu)先推動(dòng)綠氨的合成。在可再生能源豐富的地區(qū)優(yōu)先開展電解水制氫合成氨示范項(xiàng)目，加大力度開展電解制氫以及溫和條件合成氨關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用，盡早實(shí)現(xiàn)低碳合成氨技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用。

（2）氫能在合成氨領(lǐng)域的需求：隨著可再生氫成本的降低、碳市場(chǎng)的成熟與合成氨利用技術(shù)等的進(jìn)步，合成氨行業(yè)在以氨為燃料的船運(yùn)和摻氨發(fā)電等新興領(lǐng)域得到釋放。2060 年合成氨需求量1.2億噸，氫需求量2128萬噸，其中新興領(lǐng)域所需要的氫氣達(dá)到1150 萬噸，超過合成氨行業(yè)氫需求總量的50%。

（3）可再生氫在合成氨領(lǐng)域碳減排貢獻(xiàn)：我國(guó)合成氨行業(yè)能源供給結(jié)構(gòu)由化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)換有著巨大的潛力，2030 年后可再生氫部署加快，預(yù)計(jì)我國(guó)合成氨領(lǐng)域?qū)⒃?030 年左右達(dá)峰，碳排放峰值為221.8百萬噸二氧化碳。2035年可再生氫占比20%，2040 年可再生氫將在合成氨氫源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位，到2060 年可再生氫所占比例將會(huì)達(dá)到97%以上，碳排放降至920萬噸。

（4）氨燃料船技術(shù)是全球公認(rèn)能實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)碳中和的重要技術(shù)路徑，但我國(guó)船用氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)薄弱，與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比處于跟跑階段，科研投入不足，建議加大對(duì)此方面的國(guó)家科技重點(diǎn)專項(xiàng)、重大科技示范工程的支持力度。