可再生能源轉(zhuǎn)化為氨氫能源體系技術(shù)和經(jīng)濟性分析

0 背景

隨著“十四五”電力規(guī)劃的實施，我國正加速能源清潔化轉(zhuǎn)型進程，脫碳減排需求日益增長，為實現(xiàn)規(guī)模化低碳甚至無碳能源，回歸地球生態(tài)平衡，我國提出“碳達峰”“碳中和”目標

。然而，隨著具有地理上分散、生產(chǎn)不連續(xù)、隨機性、波動性和不可控等特點的可再生能源的占比增大，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成重要的影響，導致棄風、棄光問題，在一定程度上阻礙了能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。利用儲能技術(shù)可將波動性強的可再生能源發(fā)電以其它能源形式儲存并轉(zhuǎn)化為多種能源形式滿足負荷側(cè)需求，因此儲能技術(shù)是實現(xiàn)可再生能源平滑波動、調(diào)峰調(diào)頻、大規(guī)模接入電網(wǎng)的重要手段

。

氫能是一種理想的儲能媒介，被認為是智能電網(wǎng)和可再生能源發(fā)電規(guī)模化發(fā)展的重要支撐，在《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》中明確儲能屬性，要求積極開展儲能領(lǐng)域示范應(yīng)用

。但大力發(fā)展氫儲能技術(shù)，需重點突破電氫兩種能量載體之間的高效轉(zhuǎn)化、低成本大規(guī)模存儲運輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)?！熬G氨”既可以作為儲氫介質(zhì)，同時也是相對廉價的零碳燃料，終端也可以通過氨分布式裂解制氫，作為解決氫儲運技術(shù)關(guān)鍵路徑，逐漸形成氨氫能源體系。為了使氫氣在使用過程中經(jīng)濟上可行，特別在加氫站的氫能源價格每公斤控制在35元以下，使其在中長期內(nèi)達到目前液態(tài)天然氣（LNG）基礎(chǔ)設(shè)施相似的水平。我國可再生能源總量豐富，但地區(qū)上分布不均，大多數(shù)可再生能源位于經(jīng)濟落后、能源需求少的西部省份，而支付水平較高、能源需求不斷增長的東部及沿海發(fā)達城市往往缺乏足夠的可再生資源，故就地建設(shè)合成氨裝置，利用其載氫密度高、儲存運輸較氫方便、完全燃燒只產(chǎn)生水和氮氣等優(yōu)勢，形成可再生能源—氨氫能源體系，提供“綠氫”氫源，解決氫能產(chǎn)業(yè)局部“氫荒”問題。

1 可再生能源轉(zhuǎn)化為氨氫能源體系的技術(shù)路線

傳統(tǒng)的合成氨主要是以Haber-Bosch(HB)催化法為主。隨著氫能產(chǎn)業(yè)對于氫能源需求，氨作為氫媒介備受關(guān)注，可再生能源合成氨(power to ammonia,PtA)技術(shù)也成為研究熱點。PtA技術(shù)是以空氣和水為原料，以清潔且資源量豐富的可再生能源為動力進行氨的合成。近年來，大量學者研究了PtA技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟可行性。Rouwenhorst等

詳細分析了各種制氮、電解水制氫、合成氨、氨儲存和氨分離等技術(shù)的優(yōu)缺點，研究表明變壓吸附分離制氮技術(shù)(PSA)和質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)(PEM)耦合的合成氨工藝具有操作溫度和壓力較低的特點，對于高效節(jié)能的氨合成工藝開發(fā)具有很大的發(fā)展?jié)摿?。PSA-PEM-HB耦合的合成氨工藝將成為未來極具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉春铣砂惫に?/p>

，主要工藝過程分為可再生能源電解水制氫、空分制氮、合成氨等工序，終端通過氨裂解技術(shù)，可以分布式供氫（見圖1）。

前2類垃圾運回珠海垃圾場處理。此外島上還有4臺總處理能力為2 t/d的垃圾低溫熱解焚燒爐處理第3類垃圾。第4類垃圾運至海島東南角的海灣垃圾填埋場填埋。

1.1 電解水制氫技術(shù)及現(xiàn)狀

當前主流的可再生能源制氫技術(shù)是采用電解水制氫，即將棄風、棄光、棄水能源所發(fā)電力接入電解槽電解水制氫，并通過儲氫罐等設(shè)備存儲為后續(xù)合成氨作備用。其中，電解槽根據(jù)電解質(zhì)的不同主要可以分為堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽、固體氧化物電解槽三種，三種電解水制氫技術(shù)各指標對比如表1所示。

在鄉(xiāng)村振興中，農(nóng)民群眾主人翁的地位不容動搖和錯位。應(yīng)“以人民為中心”，更多地問需于民、問計于民、服務(wù)于民。這就需要基層工作創(chuàng)新群眾交流通道，打造百姓參與平臺，建立基層服務(wù)機制。激活農(nóng)民的鄉(xiāng)村振興主體地位，積極地創(chuàng)造有利條件，給農(nóng)民群眾賦權(quán)、放權(quán)。政府重在著眼宏觀，關(guān)懷微觀，有所為而不亂作為，增加公共產(chǎn)品和服務(wù)供給，有效提升政府服務(wù)供給質(zhì)量。具體規(guī)劃建設(shè)、項目推進，則應(yīng)由市場與村民自主銜接。這既可避免鄉(xiāng)村“千篇一律”“千城一面”，又能激發(fā)村民的首創(chuàng)精神和內(nèi)生動力，并不斷降低制度性交易成本，充分調(diào)動各方面的積極性、主動性、創(chuàng)造性，激發(fā)要素活力，優(yōu)化經(jīng)濟結(jié)構(gòu)。

由表1可以看出，堿性電解槽技術(shù)相對比較成熟，可以應(yīng)用于大規(guī)模制氫，且工藝簡單、成本低，但其難以快速啟動及適應(yīng)變載，無法快速調(diào)節(jié)制氫速率。質(zhì)子交換膜電解槽負荷范圍寬，運行更加靈活，更適用于平抑可再生能源并網(wǎng)的波動性，且冷啟動時間相較于堿性電解水制氫技術(shù)快一倍以上，適用于交通、航空等需要快速啟動的領(lǐng)域。固體氧化物電解水制氫技術(shù)應(yīng)用相較前者少得多，距離規(guī)?；茪鋺?yīng)用尚需相關(guān)材料和催化劑技術(shù)進一步攻關(guān)，但其能耗低、能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點將使其在未來成為主流可再生能源規(guī)?；茪浼夹g(shù)。

對于可再生能源制“綠氨”，裝置規(guī)模較大，電解水制氫的副產(chǎn)氧氣和空分的氬氣具有規(guī)模性，經(jīng)濟價值大。其中液氬市場價格超過18 000元/t，醫(yī)用氧達到300元/t。以四川省涼山州可再生能源電解水制氫、空分制氮為原料生產(chǎn)30萬t/a合成氨裝置為例，裝置總投資134 935萬元，其中建設(shè)投資128 300萬元，建設(shè)期利息2 640萬元，流動資金3 995萬元。需要人員配置132人，按液氨生產(chǎn)消耗定額和消耗品的市場價，其中電價按四川上網(wǎng)價0.18元/kWh計，計算“綠氨”單位生產(chǎn)成本為1 672元/t，具有很高利潤空間，單位生產(chǎn)成本見表3。

合成氨是成熟的生產(chǎn)工藝，在19世紀德國化學家弗里茨·哈勃在鐵的催化作用下可以將氮、氫結(jié)合起來合成氨。在德國化學家卡爾·博施的探索下，該合成氨反應(yīng)實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。國際上常用的大型氨合成有Kellogg、托普索、卡薩利、Braun、ICIAMV、ICILCA、KBRKAAP等工藝，目前國內(nèi)所應(yīng)用的工藝多數(shù)是從國外引進。

1.2 合成氨技術(shù)及現(xiàn)狀

會計電算化對會計核算工作的水準與能力起到了提高的作用：使得會計工作人員的勞動強度大大減少，使得同種工作的工作時間也盡可能的大幅度縮短，工作效率得到了極大地提高；對會計數(shù)據(jù)處理的周期起到了縮短作用；當然，會計數(shù)據(jù)處理的正確性和規(guī)范性也必然會只高不低。會計電算化也極大的提高了企業(yè)管理的水平：科學化管理已然成為當今社會發(fā)展的主流；事后管理也已經(jīng)起不到最好的作用，在事情發(fā)展過程中盡力控制，提前預(yù)測其發(fā)展方向和結(jié)果；另外企業(yè)全面現(xiàn)代化管理也不再是幻想，會計電算化對會計工作方法有著極大的積極作用。

目前，國內(nèi)氨裂解制氫最大使用規(guī)模不超過1 000 Nm

/h，最大氨裂解爐為300 kW，即單臺300 Nm

/h分解氣量，制氫量約為150 Nm

/h。通過可再生能源制“綠氨”，運輸至供氫點，就地分布式氨裂解制氫供應(yīng)，也可以并聯(lián)實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用（見圖2）。

可再生能源制得“綠氨”，氫氣就隨著氨成熟的運輸及分銷網(wǎng)絡(luò)運輸至全國各地，可以解決在氫的應(yīng)用端——燃料電池所面臨的“供氫難”的困境。氨分解制氫可分為熱裂解技術(shù)、等離子體驅(qū)動氨裂解技術(shù)和電催化氨氧化分解技術(shù)。作為合成氨的逆反應(yīng)，氨熱裂解屬于吸熱反應(yīng)，在一定條件下氨的轉(zhuǎn)化率受到熱力學限制，反應(yīng)溫度在700℃及以上。工業(yè)上通常采用催化技術(shù)來提高生產(chǎn)效率，一般來說，Ru基催化劑對氨熱裂解具有更高的活性，而過渡金屬Ni基和Fe基催化劑更具有經(jīng)濟效益

。

1.3 氨裂解制氫技術(shù)及現(xiàn)狀

可再生資源合成氨組分簡單，氫氮氣配比精確。主要工藝過程是來自空分系統(tǒng)制得的氮氣，經(jīng)氮壓機增壓至3.2 MPa，與原料氫混合后換熱升溫到80℃，進入脫氧器脫除其中的微量氧氣，脫水干燥的氫氣和氮氣混合氣經(jīng)混合氣壓縮機壓縮后與循環(huán)氣混合進入循環(huán)機壓縮到氨合成壓力15 MPa。經(jīng)換熱升溫后分兩路進入氨合成塔，降溫液化制成液氨。故目前成熟的3.0 MPa電解水制氫技術(shù)適合再生能源制氫，但降低可再生能源合成氨生產(chǎn)能耗和成本，是未來“綠氨”合成工藝的研究重點。同時系統(tǒng)供給側(cè)可再生能源種類和波動等因素對可再生能源合成氨系統(tǒng)單元設(shè)計和操作及系統(tǒng)成本的影響，以及考慮氨的需求波動對可再生能源合成氨系統(tǒng)設(shè)計和操作的影響，需要考慮在系統(tǒng)中增設(shè)電池儲能單元以減少可再生能源波動和浪費

。

參考劉洪等的方法，采用P5探頭對樣品進行硬度測試。測試條件：測試前速度為2.0 mm/s，測試速度為2.0 mm/s，壓縮量為30%，數(shù)據(jù)采集頻率為200 pps，觸發(fā)力為5 g。

可再生能源合成氨結(jié)合電解水技術(shù)選擇中壓合成工藝，操作壓力為15 MPa，操作溫度為450~500℃。因氨合成壓力的高低，是影響氨合成生產(chǎn)中能量消耗的主要因素之一，主要能量消耗包括原料氣壓縮功、循環(huán)氣壓縮功和氨分離的冷凍功耗。與32 MPa高壓合成工藝相比，15 MPa中壓合成工藝雖然循環(huán)功率和冰機功率更大，但原料氣壓縮功率大大降低，節(jié)能效果明顯，同時降低了系統(tǒng)的漏損。由于操作壓力和溫度較低，對設(shè)備、管道的材質(zhì)要求較低，容易制造和管理。

2 可再生能源轉(zhuǎn)化為氨氫能源體系的經(jīng)濟性

我國合成氨企業(yè)平均能耗較高。根據(jù)中國氮肥工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，無煙煤、焦炭制合成氨的綜合能耗平均值為1 414 kg/tce(約40.15 GJ/t)，天然氣制合成氨的綜合能耗平均值為1 199 kg/tce(約34.04 GJ/t)，而能耗仍高于國外先進水平(約28 GJ/t)。通過可再生能源制“綠氨”，能耗主要包含電解水制氫能耗、各種類型壓縮機功耗和氨分離的冷凍功耗，算出合成氨的綜合能耗為78.31 GJ/t，其中耗電占比高達99.86%，采用可再生能源制氫合成液氨裝置的綜合能耗如表2所示。

用氨分解制得的分解氣為75%氫與25%氮，是一種良好的還原性保護氣體?？梢詮V泛地應(yīng)用于半導體工業(yè)、冶金工業(yè)、機械加工和熱處理以及其它需要氣體的生產(chǎn)和科研部門。經(jīng)過分子篩吸附凈化，可制得高純氫或氮混合氣，按理論計算，每千克液氨分解可得到混合氣2.6 Nm

，其中氫氣1.9 Nm

?；旌蠚獠捎米儔何郊夹g(shù)進行氮氣和氫氣分離，然后通過干燥器即可得到低露點（~-40~60℃）的純氫氣，純度高達99.999%，滿足燃料電池用氫要求。

電解水制氫工藝近年來發(fā)展迅猛，不斷突破技術(shù)瓶頸，并有大批規(guī)?；娊馑茪漤椖柯涞?，為可再生能源電解水制氫技術(shù)提供了實踐支撐。目前，我國電解水裝置的安裝總量在1 500~2 000套左右，電解水制氫年產(chǎn)量約9億m

。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)、東芝能源系統(tǒng)公司等單位，在福島縣浪江町建設(shè)了10 MW可再生能源制氫示范項目，于2020年2月底竣工并投入運行。我國也有眾多可再生能源制氫項目，吉林風光電結(jié)合海水制氫技術(shù)前期研究預(yù)計總裝機容量400 MW，其中示范制氫10 MW；河北沽源風電制氫綜合利用示范項目一期年底投產(chǎn)后可形成年制氫700.8萬m

規(guī)模，是全球最大的風電制氫項目。

經(jīng)過以上分析，影響合成氨生產(chǎn)成本主要因素是電價。當電價為0.3元/kWh時，“綠氨”生產(chǎn)成本是2 829元/t，加上運輸成本（每噸約270元），剛好與液氨市場價3 100元/t持平。如采用可再生能源的“四棄”，電價為0.1元/kWh時，經(jīng)濟效益可達到近2 000元/t的利潤（見圖3）。

目前，液氨運輸方式采用“槽車+鐵路”運輸方式為主，運輸成本約為200~300元/t。如滿足日加注1 000 kg加氫站用氫需求，采用分布式氨裂解制氫，規(guī)模為450 Nm

/h，液氨以市場價3 100元/t，每公斤氫氣成本35元，剛滿足氫燃料電池汽車示范推廣要求。氨裂解制氫單位生產(chǎn)成本見表4。

當采用“可再生能源制“綠氨”+氨運輸體系+分布式氨裂解制氫”時，終端用氫成本優(yōu)勢巨大。當采用可再生能源電價為0.1元/kWh，每噸“綠氨”成本為900.55元，考慮運輸成本（每噸約270元），終端用每噸液氨成本是1 170.55元，采用分布式氨裂解制氫每公斤成本為18.13元，每公斤氫氣利潤約50%，有16元利潤空間，經(jīng)濟效益已經(jīng)很明顯（見圖4）。

其中，f(T)的具體表達形式與脆弱性數(shù)量n、脆弱性變換周期intervali(1≤i≤n)以及變換的相對時間關(guān)系有關(guān)，在實際NDD體系中，可結(jié)合動態(tài)安全策略部署情況確定n和intervali(1≤i≤n)，并通過概率分布擬合的方式得出f(T)的表達式.

3 總結(jié)

對可再生和可持續(xù)能源系統(tǒng)而言，氫能是一種理想的能量儲存介質(zhì)。采用氫儲能技術(shù)可有效解決我國可再生能源消納及并網(wǎng)穩(wěn)定性的問題，但是純氫氣也存在大規(guī)模的儲存難、運輸成本高且安全性較低等問題。通過“綠氨”運輸體系，建立可再生能源合成氨氫系統(tǒng)。以清潔且資源量豐富的可再生能源為動力進行氨的合成，通過氨的運輸網(wǎng)絡(luò)，采用分布式供氫或點供，能解決氫能社會的氫能源供應(yīng)體系，真正建立可再生能源儲存體系。

本文從技術(shù)路線分析了“氨氫能源路徑”適合可再生能源體系，電解水制氫裝置在規(guī)模化效應(yīng)下，已基本實現(xiàn)工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，具有較好的可再生能源適應(yīng)性。“綠氨”采用中壓法更加與當前電解水裝置耦合，引入儲能電池體系，可以平抑可再生能源波動以保證合成單元在可再生能源不足時的持續(xù)穩(wěn)定運行。在終端采用成熟氨裂解點供，氫氣純度高達99.999%，滿足燃料電池用氫要求。從經(jīng)濟性分析了可再生能源制氫合成液氨裝置的綜合能耗是煤或天然氣合成液氨裝置的綜合能耗的約2倍，其中電價是可再生能源—氨氫體系最敏感因素。通過控制電價，特別是利用可再生能源“棄水、棄風、棄光”先天優(yōu)勢，合成氨生產(chǎn)成本優(yōu)于傳統(tǒng)方式，終端用氫競爭力明顯。同時可以利用副產(chǎn)品液氬、醫(yī)用氧，實現(xiàn)更高的經(jīng)濟效益。采用“可再生能源制“綠氨”+氨運輸體系+分布式氨裂解制氫”時，當電價為0.1元/kWh，每公斤氫氣利潤可以達到近50%，經(jīng)濟效益明顯，終端用氫成本優(yōu)勢巨大。建立可再生能源-氨氫體系，能降低化工和能源板塊的化石能源消費的比重，助力實現(xiàn)我國碳達峰、碳中和目標，符合我國綠色低碳的能源發(fā)展方向。

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