多边形！绿色氢氨醇具有载氢、固碳、减排多元功能
发布日期：2024/4/18
近期，在中咨公司氢能中心和能景研究共同举办的“2024氢基能源绿色发展论坛”上，中国华电氢能技术研究中心常务副主任、华电重工股份有限公司副总经理白建明发表了题为“氢氨醇现状及发展前景”的演讲。
演讲中，白建明围绕氢氨醇发展的必要性、发展现状和发展前景等为大家进行了精彩的介绍。现能景研究截取演讲中的部分内容及观点，供大家参考。部分内容如下（第一人称叙述）。
能源革命朝低碳化的方向发展，碳越来越少，氢越来越多发展绿色氢能是构建新型能源系统的有效途径。
2020年，中国在第75届联合国大会上提出中国的碳中和目标后，氢能行业飞速发展。氢能作为清洁低碳的二次能源，在国家能源体系和产业发展中具有重要战略地位。氢能是一种来源广泛、能量密度高、可规模化存储、环保低碳、应用场景丰富的二次能源。我国制定了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035）》，明确氢能是战略性新兴产业重点发展方向。
人类的能源利用一直朝着低碳的方向在发展。我们经历了三次能源革命，第一次能源革命是蒸汽机时代（生物质-煤炭），第二次能源革命是内燃机时代（煤炭-石油、天然气），第三次能源革命是电池时代（锂电池、氢燃料电池）。能源一直朝着低碳化的方向发展，碳越来越少，氢越来越多。氢氨醇是 21 世纪能源革命的一个关键技术。
全球正进入“氢2.0”时代，氢能产业向绿氨、绿色甲醇等“泛氢”能源方向发展。
氢能的发展也面临一些挑战。氢能分子量比较小，不利于存储、液化成本高等难题限制了氢能远距离输送。
氢能产业向绿氨、绿色甲醇等“泛氢”能源方向发展。世界各国已将“氨”纳入其政府能源策略，根据日本经济产业省公布的数据，到2030年，日本的发电用燃料中氢和氨将各占10%。中国作为传统合成氨生产大国，在绿氨生产和氨能利用方面正在积极发力。“氢经济”与“甲醇经济” 是能源革命的重要组成部分，诺奖得主乔治·奥拉提出“甲醇经济“，消纳吸收CO2，耦合可再生能源与化工，构建绿色化工体系。
另外，国内外的相关院士、专家学者也提出了三条主线构建新型能源体系。
第一个主线是开发以煤炭为核心的化石能源清洁高效利用和耦合替代新路线和新技术，突破高能耗、高耗水、高排放等瓶颈问题。
第二个主线是突破低碳能源多能互补与规模化应用难题，推进可再生能源高比例消纳，构建智慧能源系统。
第三个主线是前瞻布局化石能源/可再生能源/核能多元化能源系统融合发展路径，解决我国现有各能源技术体系缺乏关联，孤立发展的结构性缺陷。氢能储运具有较大难度，一是重量轻、密度小，二是液化温度低，三是原子半径小，四是性质活泼，氢能储运问题促进氢氨醇融合快速发展。
氢氨醇融合发展的3大驱动因素
一是作为氢的运输载体。
液氨储氢是一种非常好的储氢方式，液氨比液氢具有更高的体积能量密度，氨比氢气更容易液化，同体积的液氨比液氢多至少60%的氢，同时氨具有特殊的气味，为潜在的泄露提供预警。此外，氨的工业化生产和应用已经有百余年的历史，技术体系和储运基础设施完备。氨有管道、铁路、船舶、公路拖车和仓库等多种运输方式，可能是未来氢气储运的最佳方式之一。
甲醇储氢也是一种重要的储氢方式，甲醇储氢密度高，理论质量储氢密度高达12.5 wt%。甲醇闪电低，易燃烧，储存条件为常温常压，且没有刺激性气味，甲醇在需氧和水生环境中都易于降解。
二是作为固碳载体。
氨醇是非常好的固碳载体。碳捕集利用与封存（CCUS）是我国实现“碳达峰、碳中和”的关键技术手段，但前端的碳捕捉环节成本高，而后端的碳封存环节不具备经济效益，且CCUS在二氧化碳转化利用环节仍普遍存在规模小、不成熟等挑战，限制着我国CCUS的发展。
绿色甲醇具备较高的二氧化碳消纳能力，每吨绿色甲醇可转化1.4吨二氧化碳。以化工行业为例，我国每年约有8000万吨甲醇产能，若大规模推广绿色甲醇，可直接消纳1.1亿吨级二氧化碳，相当于增加2.7亿立方米的森林积蓄量。
同时，绿色甲醇拥有丰富的应用场景，随着绿色甲醇应用场景拓展，二氧化碳消纳能力将呈现指数级攀升。另外，与化石能源相比，绿色甲醇燃烧不会产生额外新增的二氧化碳，用碳但不增碳，推动碳捕捉与碳利用形成闭环。
三是促进绿色低碳转型。
合 成氨行业是中国碳排最高的化工行业，因此发展绿氨是解决碳排放的重要方式。此外，富煤少气的能源禀赋使煤制甲醇为甲醇主要来源，均以灰醇为主，如大力发展绿醇代替灰醇，也可以促进甲醇产业进行绿色低碳转型。
绿氨生产过程接近“零碳”，有助于实现“双碳”目标。
2021年全球合成氨的二氧化碳直接排放量约为4.5亿吨。氨自身的碳减排是重点，而经由绿电、绿氢产生的绿氨能够实现接近“零碳”排放。根据国际能源署 (EA) 预测，在可持续发展情景中，基于电解水制氢技术和CCS，到 2050 年氨生产的碳排放强度将下降 78%。
中国同时是氨和甲醇的世界最大生产国和消耗国，绿色供应占比将逐渐增加
从 2020 年到现在，国家出台了很多氢氨醇相关的产业政策。
这些政策鼓励绿色技术创新和绿色环保产业的发展，推进重点领域节能减排和绿色转型。国家将绿氢、绿醇、绿氨都纳入了国家鼓励类发展项目，为绿色氢氨醇创造了发展条件。
我国同时是氨和甲醇的世界最大生产国和消耗国，已经开始大力提升绿氨、绿醇的比重。中国作为氨、甲醇的世界最大生产消耗国，在“氢氨醇联动”方面正在积极发力，力争在国际能源产业创新前沿占据一席之地。2022年，国家能源局提出，积极探索绿氢、甲醇、氨能等替代化石能源的新方式、新途径。
另外，鉴于西部、东北部分地区优越的风、光、水资源禀赋， 相关部门秉持贯彻“绿氢消纳绿电，绿氨/绿醇消纳绿氢”， 打通“绿电—绿氢—绿氨/绿醇”一体化产业链。
政策、市场多方面因素驱动下，绿色氢氨醇供应比例将逐渐增大。
氢气方面，2022年中国年氢气产量3781万吨，占全球37.1%。与全球制氢结构相比，中国凭借丰富的煤炭储量目前以煤制氢为主，未来随着“双碳”政策的实施以及对清洁能源的需求增加，中国将持续增加更加清洁的制氢方式的比例。目前中国氢能行业市场规模已超五千亿元人民币，预计到2027年中国氢能行业规模接近全球一半，中国氢能行业的发展很大程度上立足政府的扶持和推动，包括宏观层面的氢能发展规划以及执行层面的财政补贴，近几年国家相关部委也发布了很多的揭榜挂帅、重大攻关等课题来推动行业的发展。
合成氨方面，到2050年全球氨的需求量估计将是2025年预期需求量的三倍多，且新增的氨供应大部分来自可再生能源生产的绿氨，拥有数万亿市场规模。目前绿氨生产仍处于探索和起步阶段，尽管国内目前布局的项目非常多，但是绿氨的产业化发展还需要进一步推动。近年来整体上中国合成氨产业呈现产能逐年减少、产量总体稳定、仍需进口填补缺口的局面。
甲醇方面，截止2022年底，全球甲醇产能已经超过1.79亿吨，中国产能已经超过1亿吨，占全球总产能将近58%；中国已成为全球第一大甲醇生产国。同时由于中国拥有极为庞大的工业体系，对于甲醇这一基础化工品的消耗需求巨大，国内的产能无法满足自身的消耗需求，仍需通过进口来填补甲醇的供应缺口，2022年中国甲醇进口量约为1200万吨，价值41亿美元左右。
氢氨醇的制备工艺，多元技术并行
绿氢制备方面，碱性电解槽、质子交换膜电解槽的应用已非常广泛。
尤其碱性电解槽发展比较快。目前，中国华电碱性电解槽从100标方到2000标方都已进行量产，今年我们准备下线3000标方的碱性电解槽，且整个电解槽的技术性能大幅提升。
质子交换膜电解水技术能够适应风光波动，国内大力发展该项技术，随着材料国产化的推进、产能产线逐渐扩大，未来降本优势将会逐渐明显。固体氧化物电解水技术跟阴离子交换膜电解水技术目前还是在小试跟实验室阶段，未来也有较大的发展前景。
氨的制备有三种方式。
第一种就是传统的Haber-Bosch法（哈伯-博世法），热催化+高温高压耦合绿氢，应用最为成熟。
第二种是柔性合成氨工艺，热催化+低温低压耦合绿氢，是目前国内广泛采用的技术。该工艺主要通过对催化剂及流程工艺的革新，使得合成氨装置在较低的温度（400 ℃以下）下和较低的压力下（10 MPa以下）仍能实现高效的氨合成过程，有效降低了能耗。
华电集团已经开发完成了20万吨低温低压制绿氨项目，今年华电集团将布局多个绿氨项目，目前好几个项目已经在前期阶段了。
第三种是光催化制氨技术，目前还没有大规模使用，仍在中试和实验室阶段。
甲醇的制备有三种技术路线。
第一种是电解水路线（电制甲醇），第二种是生物甲烷路线（生物甲醇）。
第三种是生物质气化路线（生物甲醇）。华电集团在甲醇方面做了深度布局，如华电襄阳电厂布局了生物质气化甲醇项目。
另外，甲醇的制备方法也分为高压法、低压法和中压法。因为时间关系就不再讲。
氢氨醇均具有广泛多元的应用场景
氢的应用场景非常广泛，主要有绿色化工、冶金、交通、发电等。
一是氢可应用于绿色化工领域，主要集中在甲醇合成氨炼化领域。合成氨、合成甲醇、炼化是化工用氢的三大领域，全球氢气90%以上应用于这三个领域。从2020年全球氢需求9000万吨，我国氢需求3300万吨的规模来看，绿氢在工业领域的替代空间巨大。
二是氢可应用于氢冶金领域，过去我们用焦炭炼钢，现在是用氢气炼钢。目前国内已有多个氢冶金示范项目，包括宝钢、河钢等都开展了氢冶金项目。
三是氢可应用于交通领域，主要是重卡、公交车等车型。最近，山东省出台氢燃料电池车上路免高速费、过路费的相关政策，内蒙古出台电解水制氢加氢站不用进化工园区的政策，打破了氢能交通应用的瓶颈，为氢在交通领域的发展创造了良好的条件。
四是氢可应用于发电领域，主要是分布式发电，热电联供等方向。氢储能具有跨季节、中长周期的能量储存特性，氢储能可以参与电网调峰调频辅助服务，进行现货交易。同时在用户侧也能推动冷-热-电-气多能互补，提升终端能源效率和低碳化水平。
氨的应用场景也比较多，有农业、化工、动力、燃料等。
一是农业方面，主要是化肥。
二是化工方面，绿氨可以用于制备各种化工产品，如硝酸、氨水、尼龙、聚氨酯等。绿氨在肥料生产中的主要应用是合成氮肥。氨气和其他原料（如二氧化碳和磷酸盐）经化学反应生成尿素、硝酸铵、磷酸铵等氮肥。
三是动力方面，2022年，国际海事组织IMO根据吨位5000吨以上的国际贸易用船消耗情况推测出全球的燃油需求总量约2.189亿吨，按热值折算，对应绿氨约为5.3亿吨，可以说绿氨在远洋航运场景潜在应用空间巨大。据英国劳氏船级社预测，在2030-2050年间，氨能作为航运燃料的占比将从7%上升为20%，是取代液化天然气等成为最主要的航运燃料。
作为船用燃料，与吨氨热值对应的燃油量为0.418 t，排放CO2 1.33 t。整体来看，在绿电价格0.1～0.2元/kW·h 时，绿氨成本处于燃料油价格2600～4800元区间竞争范围内。综上，绿氨作为零碳减排的替代船用燃料，与传统燃油相比也是具有一定的经济竞争力的。
四是燃料方面，主要是关于火力发电厂的掺氨燃烧，目前在国际上日本韩国发展的比较快，日本在两台30万机组上，掺氨燃烧35%，已经取得了良好的效果。国内相关单位也在开展这方面的研究，华电集团今年也在进行掺氨燃烧方面的工作。
甲醇的应用场景，有储氢介质、绿色化工、船燃等。
全球范围来看，约65%的甲醇由天然气加工生产而得，煤制甲醇约占35%，甲醇的绿色替代有较大的市场空间。
一是甲醇可以作为储能储氢介质。
二是甲醇可以作为绿色化工原料，甲醇制烯烃、甲醇燃料、甲醇制甲醛长期为甲醇最为主要的三大下游需求场景，从全球范围来看，甲醛是甲醇应用占比最大的用途，27%的甲醇用于甲醛的生产。
三是甲醇可以作为新型船用燃料，绿色/低碳甲醇是中短期内较为理想的替代LNG与传统燃油的品类，未来5年全球甲醇需求每年将增加1400万吨，增量主要是绿色甲醇。全球研究和咨询公司BLUE Insight和法国必维国际检验集团合作编写的《2020年低碳船舶燃料与能源指南》指出，低碳船舶燃料市场的潜在估值高达1.4万亿美元。国际可再生能源署曾预测，到2050年，绿色甲醇供应有望达到3.85亿吨。
电力成本的降低将推动绿色氢氨醇的经济性不断提升
绿氢的降本依靠电力成本降低。
电力成本为电解水制氢核心因素，电力成本在碱性电解水制氢路线中大约占比75%左右 ，在PEM电解水制氢路线中大约占比60%-65%左右，降低电解槽的单位造价至关重要。目前碱性电解槽的单位造价从过去的2000-3000元/kw降到现在的1500元/kw ，PEM电解槽的单位造价从过去的8000元/kw降到现在的4000元/kw，电解水制氢成本下降非常快。
根据电能来源的不同，可将可再生能源制氢分为并网型、离网型两种，目前并网制氢商业化落地较为成熟。随着技术的不断推进，电解水制氢成本将会快速下降。当用电价格在0.1-0.2元/kw.h时，电解水制氢与煤制氢相比具有一定的竞争优势。
绿氨的降本依靠氢成本的降低。
绿氨的降本空间重要来自于绿氢电解槽成本的降低，目前绿氨氮成本还远高于灰氨的成本。从国内的示范项目来看，就目前技术条件下合成氨耗氢量约176 kg/t，耗电量约1000 kW·h/t。氢成本每降低1元/kg，绿氨成本可降低约176元/t。
绿色甲醇初步具有盈利性。
绿色甲醇（电制甲醇）成本结构主要由合成原料、合成工艺与设备以及运营成本三大部分组成。绿氢与可再生二氧化碳两大合成原料的价格是决定绿色甲醇成本高低的首要因素。目前在国际上马士基绿色甲醇的成交价格大约是1400美元/吨，在此价格水平下，目前的技术水平生产的甲醇能够有利润。此外，二氧化碳捕集技术、生物质来源的丰富性等均会助力甲醇成本下降，可以说甲醇成本下降是必然趋势。
技术、标准的发展将推动氢、氨、醇的生产与流通逐渐成熟。
技术方面，目前就全国范围来看，需开发集中化、大型化的合成绿氨/绿甲醇的绿电消耗需求。受制于传统产业的升级改造成本，目前还是对合成氨/甲醇部分传统产能的绿色化改造，未来对绿氨/绿甲醇的核心技术攻关迫在眉睫，需要不断的示范和验证，来提高氨醇生产工艺灵活性适应可再生能源波动性。
标准方面，目前绿氨在国际上没有官方组织的认证，绿色甲醇有相关国际组织的认证，大家都比较熟悉，就不再介绍了。未来我国推动绿色氢基能源标准融合统一，一是需要在国家层面明确绿氢（氨、醇）标准并纳入认证体系；二是推进氢市场和碳市场深度融合；三是推进绿氢与绿证的耦合发展。
来源：能景氢研 作者：能景氢研
