近日,國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)(IRENA)與氨能源協(xié)會(huì)(AEA)聯(lián)合發(fā)布報(bào)告《創(chuàng)新展望:可再生氨》,指出在未來幾十年內(nèi),氨作為氫載體、動(dòng)力燃料的新市場(chǎng)具有重要發(fā)展?jié)摿?,特別是在航運(yùn)部門。在1.5℃情景下,到2050年全球氨市場(chǎng)需求預(yù)計(jì)將達(dá)到6.88億噸,這些氨必須是低碳的可再生氨。目前生產(chǎn)可再生氨的成本高于采用CCS技術(shù)的化石氨生產(chǎn)成本,但從2030年開始,可再生氨的成本有望與采用CCS技術(shù)的化石氨持平。具體內(nèi)容如下:
一、未來氨產(chǎn)能和市場(chǎng)需求強(qiáng)勁
氨是用于生產(chǎn)所有其他化學(xué)產(chǎn)品的七種基本化學(xué)品之一。它是僅次于硫酸的第二大化學(xué)物質(zhì)。大約五分之四的氨用于生產(chǎn)氮肥,如尿素和硝酸銨;因此,它支持全球約一半人口的糧食生產(chǎn)。氨作為一種無(wú)碳燃料和氫載體,目前卻尚未大規(guī)模應(yīng)用。2050年對(duì)氨的需求預(yù)計(jì)將是2020年的三倍,并且這些氨均來自可再生能源生產(chǎn)的低碳氨。目前,大多數(shù)合成氨主要由天然氣(72%)和煤炭(22%)生產(chǎn)。氨產(chǎn)業(yè)每年排放5億噸CO2,約占全球排放總量的1%,占化工行業(yè)CO2排放的15%-20%。因此,解決氨生產(chǎn)中的碳排放問題是實(shí)現(xiàn)化工和農(nóng)業(yè)部門脫碳的關(guān)鍵因素,還將擴(kuò)大氨作為無(wú)碳燃料在交通運(yùn)輸行業(yè)的應(yīng)用。
圖1 2020-2050年1.5℃情景下全球氨產(chǎn)量的預(yù)測(cè)(單位:百萬(wàn)噸)
2020年,全球氨產(chǎn)量為1.83億噸。在1.5℃情景下,預(yù)計(jì)到2030年現(xiàn)有市場(chǎng)需求將增加到2.23億噸,到2050年將達(dá)到3.33億噸。生產(chǎn)化肥需要的氨預(yù)計(jì)將從2020年的1.56億噸增加到2050年的2.67億噸。此外,在未來幾十年里,氨作為氫載體、動(dòng)力燃料的新市場(chǎng)具有重要發(fā)展?jié)摿Γ貏e是在航運(yùn)部門。在1.5℃情景下,到2050年全球氨的市場(chǎng)需求預(yù)計(jì)將達(dá)到6.88億噸,較2025年增長(zhǎng)三倍以上。
圖2 2020-2050年1.5℃情景下全球氨市場(chǎng)需求的預(yù)測(cè)(單位:百萬(wàn)噸)
二、氨的工業(yè)生產(chǎn)正轉(zhuǎn)向可再生氨
可再生氨是利用可再生原料和能源(例如生物質(zhì)、太陽(yáng)能、風(fēng)能、水電、地?zé)?生產(chǎn)得到的氨。2021年可再生氨的產(chǎn)量不到2萬(wàn)噸,相當(dāng)于全球氨產(chǎn)量的0.01%。首個(gè)以可再生氫作為原料的氨生產(chǎn)工廠于2021年12月在西班牙投入使用,首個(gè)吉瓦(GW)規(guī)模的可再生氨工廠正在沙特阿拉伯建設(shè)中,計(jì)劃于2025年投入使用,年生產(chǎn)能力為120萬(wàn)噸。到2030年,可再生氨項(xiàng)目的總產(chǎn)能將達(dá)到1500萬(wàn)噸,約占目前全球氨產(chǎn)量的8%,包括54個(gè)項(xiàng)目,主要分布在澳大利亞、毛里塔尼亞和阿曼,可再生氨的發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁,但大多數(shù)已公布的項(xiàng)目尚未做出最終投資決定。IRENA分析表明,在1.5℃情景下,到2050年可再生氨的產(chǎn)能需達(dá)到5.66億噸。2025年后,可再生氨將成為全球流通的主要可再生能源商品之一。
三、到2050年可再生氨的生產(chǎn)成本有望低于化石氨
目前,在擁有豐富太陽(yáng)能和風(fēng)能資源的地區(qū),可再生氨的生產(chǎn)成本估計(jì)為每噸720-1400美元,到2050年將降低到每噸310-610美元。可再生氨要想與現(xiàn)有的化石氨生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng),CO2的碳價(jià)須為每噸150美元。天然氣基氨和煤基氨的生產(chǎn)成本為每噸110-340美元,利用碳捕集與封存(CCS)技術(shù)可以對(duì)化石氨生產(chǎn)進(jìn)行脫碳,但CCS的成本因技術(shù)和捕集效率的不同而不同,CCS將使每噸生產(chǎn)成本增加100-150美元,因此低碳化石氨的生產(chǎn)成本將達(dá)到每噸210-490美元。雖然目前生產(chǎn)可再生氨的成本高于不進(jìn)行碳減排的化石氨生產(chǎn)成本,但預(yù)計(jì)到2050年可再生氨的成本將低于化石氨。可再生氨的成本在很大程度上取決于可再生氫的成本,可再生氫占可再生氨生產(chǎn)成本的90%。未來可再生氫生產(chǎn)成本的降低主要取決于可再生能源和電解槽成本的降低,以及Haber-Bosch氨合成工藝在效率和優(yōu)化存儲(chǔ)、緩沖、規(guī)模和靈活性方面的收益。由于資本密集型資產(chǎn)利用率的任何提高都能直接降低產(chǎn)品成本,故而每年的運(yùn)營(yíng)小時(shí)數(shù)(容量系數(shù))是決定生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素,這最終可能會(huì)給將來波動(dòng)性可再生電力項(xiàng)目帶來挑戰(zhàn)。但是通過太陽(yáng)能風(fēng)能互補(bǔ)耦合發(fā)電系統(tǒng),電解槽的容量系數(shù)可達(dá)70%。在該技術(shù)加持下,從2030年開始,可再生氨的成本有望與采用CCS技術(shù)的化石氨持平。
圖3 2020-2050年可再生氨與低碳化石氨的生產(chǎn)成本預(yù)測(cè)與對(duì)比(生產(chǎn)成本左軸單位:美元/噸,右軸單位:美元/吉焦耳)
圖4 可再生氨與其他燃料的價(jià)格對(duì)比(基于每單位能源的價(jià)格,左軸單位:美元/吉焦耳,右軸單位:美元/兆瓦時(shí))
四、可再生氨的應(yīng)用前景廣闊無(wú)論是化石能源還是可再生能源生產(chǎn)的氨,其化學(xué)結(jié)構(gòu)(NH3)是相同的,因此,可再生氨是化石氨的直接替代品,每年的需求量達(dá)1.83億噸(圖5)?,F(xiàn)有的化石氨生產(chǎn)工廠可以通過引入可再生氫,取代10%-20%的天然氣進(jìn)行脫碳生產(chǎn)。大多數(shù)擬建的可再生氨生產(chǎn)廠都使用太陽(yáng)能光伏和風(fēng)能發(fā)電,技術(shù)和運(yùn)營(yíng)創(chuàng)新結(jié)合精心選址和項(xiàng)目設(shè)計(jì),可以促進(jìn)太陽(yáng)能和風(fēng)能的集成一體化。在現(xiàn)有市場(chǎng)之外,可再生氨還可以作為低碳能源,例如用作氫載體,或作為燃料用于海運(yùn)、動(dòng)力和供熱。與碳基氫載體相比,氨的優(yōu)勢(shì)在于利用氮作為氫載體,因?yàn)榇髿庵械獨(dú)夂扛哌_(dá)78%,提純大氣中的氮的成本比CO2低,并且氨燃燒沒有CO2排放。到2050年,在1.5℃情景下,這些新能源市場(chǎng)的可再生氨需求將增加3.54億噸。
圖5 2019年全球氨需求市場(chǎng)情況
五、促進(jìn)氨生產(chǎn)向可再生氨過渡的十大行動(dòng)(1)對(duì)CO2排放設(shè)定較高的碳價(jià)。目前,當(dāng)CO2的碳價(jià)約為60-90美元/噸時(shí),才能彌補(bǔ)化石氨與低碳化石氨生產(chǎn)成本之間的差距;當(dāng)CO2的碳價(jià)約為150美元/噸時(shí),才能彌補(bǔ)化石氨與可再生氨生產(chǎn)成本之間的差距。
(2)努力推進(jìn)相關(guān)政策頒布實(shí)施。無(wú)論是否對(duì)CO2 排放定價(jià),對(duì)燃料標(biāo)準(zhǔn)和可再生能源配額或授權(quán)強(qiáng)有力的監(jiān)管措施,都可以最終促進(jìn)價(jià)格激勵(lì),從而實(shí)現(xiàn)可再生氨市場(chǎng)的持續(xù)增長(zhǎng)和投資。因而適當(dāng)?shù)恼呤侄问侵陵P(guān)重要的,這可以確保公平的稅收待遇,并為更廣泛地采用可再生氨和其他有前景的可持續(xù)燃料提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的價(jià)格下限。
(3)積極推廣現(xiàn)有可再生氨技術(shù)部署。目前的重點(diǎn)應(yīng)該是大規(guī)模實(shí)施現(xiàn)有技術(shù),而不是開發(fā)新的突破性技術(shù),因?yàn)榭稍偕眱r(jià)值鏈中的大多數(shù)副產(chǎn)物都已證實(shí)具有經(jīng)濟(jì)效益。目前部署的重點(diǎn)應(yīng)在于提高氨合成工藝的靈活性,提高電解槽的性能,提高氨裂解裝置的性能,以及降低當(dāng)前技術(shù)的成本。通過部署現(xiàn)有技術(shù)來創(chuàng)造短期市場(chǎng),從而長(zhǎng)遠(yuǎn)推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新。
(4)支持整個(gè)供應(yīng)鏈的發(fā)展。資助項(xiàng)目應(yīng)將范圍擴(kuò)大到氨和其他氫載體。單一技術(shù)(如氫或太陽(yáng)能電池板)的資助項(xiàng)目更傾向于支持早期的研發(fā)和試驗(yàn)項(xiàng)目。更廣泛的資助項(xiàng)目側(cè)重于這些技術(shù)的應(yīng)用(如電制燃料、能量?jī)?chǔ)存),通過連接跨生產(chǎn)的價(jià)值鏈來支持部署。由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)可能無(wú)法滿足需求,也需要引入外資,以支持全球供應(yīng)鏈的發(fā)展。
(5)促進(jìn)國(guó)際合作以降低供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。為了在生產(chǎn)和消費(fèi)地區(qū)創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)并鼓勵(lì)有競(jìng)爭(zhēng)力的可再生氨新產(chǎn)業(yè),必須促進(jìn)國(guó)際合作。同時(shí),增加對(duì)可再生氨產(chǎn)能的投資可以擴(kuò)大能源和原料供應(yīng)范圍,并將政治風(fēng)險(xiǎn)降至最低。
(6)開發(fā)并資助電解槽制造技術(shù)。未來十年千兆瓦規(guī)模的電解槽工廠的需求量將不斷增加。由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展,這種大規(guī)模電解槽工廠的發(fā)展必然會(huì)降低電解槽生產(chǎn)的成本,將使可再生氨比化石氨更有競(jìng)爭(zhēng)力。
(7)政府將采取措施降低早期投資風(fēng)險(xiǎn)。政府需出臺(tái)相關(guān)激勵(lì)措施幫助首批建設(shè)千兆瓦規(guī)??稍偕睆S的投資者降低投資風(fēng)險(xiǎn)。在運(yùn)營(yíng)支出(OPEX)方面,投資可以通過CfD或綠色溢價(jià)、可再生授權(quán)、采購(gòu)合同和承購(gòu)擔(dān)保,或拍賣項(xiàng)目的中間擔(dān)保買家來降低風(fēng)險(xiǎn)。
(8)不斷優(yōu)化可再生氨生產(chǎn)技術(shù)。目前生產(chǎn)尿素的合成氨工廠可以通過整合CCS技術(shù)、eSMR技術(shù)(電氣化蒸汽甲烷重整)改造或用可再生氫氣替代化石燃料實(shí)現(xiàn)脫碳,這代表著現(xiàn)有的每年約8000萬(wàn)噸合成氨的產(chǎn)能可以實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)。
(9)支持需求側(cè)逐步淘汰化石燃料。政府和監(jiān)管機(jī)構(gòu)應(yīng)該鼓勵(lì)現(xiàn)有的化石燃料資產(chǎn)加速向可再生能源過渡,減少對(duì)化石燃料的需求。改造現(xiàn)有設(shè)備往往比建設(shè)新設(shè)備更具有成本效益,特別是在初始擴(kuò)大規(guī)模階段。對(duì)于電力部門和海運(yùn)部門,目前的技術(shù)可以通過改裝設(shè)備來使用氨燃料,這比建造新設(shè)備的成本更低。
(10)重新評(píng)估氨在氫能戰(zhàn)略中的作用。在肥料生產(chǎn)的背景下,大多數(shù)氫能戰(zhàn)略只考慮了氨作為氫的消費(fèi)者,而忽略了它作為燃料和氫載體的潛在功能。在將氨作為氫載體的情況下,氨應(yīng)在可能的情形下直接使用,而不是使用從氨分解中獲得的氫氣。因此,氨可能是大規(guī)模進(jìn)口氫氣的最具成本效益的載體,并且對(duì)氨的直接使用可以進(jìn)一步提高成本效益,需重新評(píng)估氫和氨在國(guó)家氫能戰(zhàn)略背景下的角色。
原標(biāo)題:IRENA:可再生氨發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁 競(jìng)爭(zhēng)力仍有待提升