目前氨的火熱,是寄希望于氨起到什么作用呢?
1-做為氫載體在終端裂解制氫。
2-要么代替氫做為能源(比如氨摻燒發(fā)電、氨動(dòng)力船舶),邏輯上講還是解決氫儲(chǔ)運(yùn)問題。
3-從發(fā)電側(cè)來看,風(fēng)光電力企業(yè)站在高比例可再生電力消納(比如80%),就會(huì)面臨儲(chǔ)電的成本遠(yuǎn)高于制氫。電解水制氫消納電力后,氫的出路需要解決(還是儲(chǔ)運(yùn)問題)。
比如“上海市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2022-2035 年)”提到的有關(guān)氨-氫和氫儲(chǔ)運(yùn)的描述如下:(一)打造科技創(chuàng)新高地 2、加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力建設(shè):圍繞前瞻和顛覆性技術(shù)開展研究布局,重點(diǎn)開展新型氨氫轉(zhuǎn)換、固態(tài)儲(chǔ)氫、乙醇重整制氫、液態(tài)儲(chǔ)氫、新型催化劑等方面的研究,持續(xù)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究,強(qiáng)化顛覆性技術(shù)的前瞻布局。(三)筑牢供應(yīng)設(shè)施基礎(chǔ)2、逐步推動(dòng)氫能輸運(yùn)“網(wǎng)絡(luò)化” :重點(diǎn)發(fā)展高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和長(zhǎng)管拖車輸氫,按照低壓到高壓、氣態(tài)到多相態(tài)(低溫液態(tài)、固態(tài)、氨氫轉(zhuǎn)化等)的方向逐步提升氫氣的儲(chǔ)存運(yùn)輸能力。探索開展氫-氨、液氫的長(zhǎng)距離運(yùn)輸工程規(guī)劃,研究建設(shè)氫-氨轉(zhuǎn)化和液氫集散中心。整合長(zhǎng)三角地區(qū)富氫區(qū)域的氫能資源,構(gòu)建地區(qū)外供氫和制氫相結(jié)合的供氫方式,保障氫源穩(wěn)定供給。
氫-氨轉(zhuǎn)化集散中心,貌似是指的氨-氫轉(zhuǎn)化即氨裂解制氫?否則為啥跟液氫并列呢。合理么,會(huì)有效么?
我們來分析一下。
目標(biāo)加氫站:效率上氫-氨-氫只有60%

氨低位熱值是5.18,含氫比例3/17,氫低位熱值33.3kWh/kg,3*33.3/17=5.88。相當(dāng)于裂解制氫用途的氨熱值為5.88kWh/kg;考慮到電解水效率60-70%,則需要的熱值為8.4-9.8kWh/kg氨(5.88/0.6或0.7);電轉(zhuǎn)氨路徑的合成步驟電耗比較低,約為0.74kWh/kg氨:通過總能耗9.14-10.54kWh,獲得5.88kWh的氫(以1公斤氨形式存儲(chǔ))。氨裂解+純化總能耗約1.78kWh/kg氨,壓縮還需要0.56kWh/kg,5.88-1.78-0.56=3.54kWh,即3.54/5.88=60%。
氫-氨-氫效率=60%,從效率的角度講(非經(jīng)濟(jì)性),作者看空氨做為氫載體的價(jià)值。但是我們認(rèn)為從經(jīng)濟(jì)性上,氨裂解制氫有一定市場(chǎng)潛力,主要是針對(duì)加氫站。
氫-氨-氫有可能降低加氫站氫氣價(jià)格
上一篇我們討論了綠氨成本,舉了2篇技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的學(xué)術(shù)文章,分別被IRENA/AEA的“創(chuàng)新展望:可再生氨”2022引用了4處和6處。這次換一篇:Armijo J, Philibert C, Flexible production of green hydrogen and ammonia from variable solar and wind energy: Case study of Chile and Argentina, International Journal of Hydrogen Energy,2020
該篇發(fā)表僅2年,被引用高達(dá)90多次。IRENA/AEA的“創(chuàng)新展望:可再生氨”報(bào)告中9個(gè)位置提到該篇技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。有5個(gè)不同的政策性報(bào)告引述其分析結(jié)果,如下圖。

該文中的智利Taltal地區(qū),風(fēng)光互補(bǔ)性極強(qiáng)基本不需要儲(chǔ),見下圖。

圖A-a表明,平均日周期與太陽(yáng)周期具有良好的互補(bǔ)性,如圖A所示,從晚上10點(diǎn)到早上8點(diǎn),風(fēng)力強(qiáng)勁。在b中,可以看到,與太陽(yáng)輻射相反,冬季(六月至九月)的風(fēng)也更強(qiáng)烈。
這么好的資源,風(fēng)光耦合離網(wǎng)制氫和氨的成本是多少?綠氫為14.2元/kg,綠氨為3,262元/噸,以此為基準(zhǔn)進(jìn)行氨-氫路徑測(cè)算(過程見文末“測(cè)算過程1”),如下圖。

1-氫-氨-氫路徑,實(shí)現(xiàn)加注口成本低于45元,綠氨成本很可能不能高于4200元/噸(目前氨的市場(chǎng)價(jià))2-運(yùn)輸距離需要大于一定值,比如100公里以上,才能體現(xiàn)氨的價(jià)值。3-考慮長(zhǎng)距離運(yùn)輸,氨-氫路徑是降低加氫站成本的潛在手段。4-如果利用氨分解做為“門站”(所謂氫-氨集散中心?),門站到加氫站的運(yùn)輸成本不可忽略不計(jì)。門站供氫采用氨分解,需要像天然氣門站似的流量可控,這就要氨分解可開可??烧{(diào)產(chǎn)能,個(gè)人認(rèn)為不如直接站內(nèi)制氫。5-氨-氫路徑是個(gè)復(fù)雜的臟活累活技術(shù)活,風(fēng)光-氫-氨-氫,每一步都需要優(yōu)化/降本增效,才能保住終端加氫站用氫的質(zhì)量和成本具備經(jīng)濟(jì)型。圖中36元已經(jīng)是非常樂觀的最低值了,每一步的不及預(yù)期都會(huì)提高最終成本。6-邏輯上(筆者沒有計(jì)算)甲醇-氫路徑跟氨-氫路徑類似。區(qū)別在于,甲醇可以直接做動(dòng)力能源。合成天然氣也是。
未來風(fēng)光發(fā)電、電解槽的成本下降50%是可期的,那么最終的氨以及其它X產(chǎn)品的成本也將降低30%左右。樂觀的估計(jì)2050年,世界上最好的資源,可以達(dá)到綠氫和綠氨分別達(dá)到10元/公斤,2,282元/噸(0.54元/kWh)。
綠氨成本依然受制于儲(chǔ)氫成本
變成氨可以解決運(yùn)輸問題,可解決不了儲(chǔ)氫問題!
綠氫的最大問題就是制氫波動(dòng)性和用氫穩(wěn)定性的矛盾,必須通過儲(chǔ)氫來解決。電池僅能解決小時(shí)級(jí)別的氫波動(dòng)。儲(chǔ)氫罐,一筆帶過可以說是緩沖罐(buffer),說的輕松,成本極高!儲(chǔ)氫到底有多貴?本次引述的綠氨經(jīng)濟(jì)性分析,儲(chǔ)氫采用高壓氣態(tài),400美金/公斤。這一數(shù)字是國(guó)際上經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析經(jīng)常采用的“偏低值”。什么?氫運(yùn)輸才多少錢一公斤,咋儲(chǔ)氫就兩三千一公斤了?!運(yùn)輸費(fèi)用是折合整個(gè)生命周頻繁周轉(zhuǎn)的,每次周轉(zhuǎn)都有收入。P2X的儲(chǔ)氫罐就放在那里給自己的裝置用,產(chǎn)能固定,收入固定,一年充放氫1次和充放氫365次對(duì)儲(chǔ)氫成本攤薄沒有作用。依然以上一篇440MW電解水,42500噸氫(116噸/天)、24萬(wàn)噸氨每年為例,如果儲(chǔ)5天就是2.32億美金儲(chǔ)氫投資。按WACC為7%,壽命30年,OPEX占比2%計(jì)算,折合每噸97美元(630元/噸)。見文末測(cè)算過程2。
不想儲(chǔ)氫怎么辦?合成X的裝置具備良好的靈活性!
上圖片,該圖片展示的電轉(zhuǎn)氨項(xiàng)目地址是阿根廷巴塔哥尼亞:
根據(jù)作者的模擬計(jì)算,40%合成氨靈活性和80%合成氨靈活性,帶來的結(jié)果除了儲(chǔ)氫量的大幅降低(3.5天降低至0.58天),還帶來了風(fēng)-光-電解水功率配置不同,最終每噸氨的成本又710美金降低為517美金!?有沒有便宜的儲(chǔ)氫方式?有,但都依賴于地質(zhì)條件,即地質(zhì)儲(chǔ)氫。以后會(huì)單獨(dú)發(fā)文講儲(chǔ)氫和氫儲(chǔ)能。本文先拋出一些參考資料。
鹽穴儲(chǔ)氫和壓縮氣態(tài)儲(chǔ)氫對(duì)比
儲(chǔ)氫方式
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放氫速度
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所需容量
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儲(chǔ)氫單價(jià)
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1天儲(chǔ)氫投資
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5天儲(chǔ)氫投資
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鹽穴 60-200Bar
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8%每天(40%氣體需要留存保障壓力)
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2416噸
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115元/kg*
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2.78億
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2.78 億
放氫速度慢,但足夠13天。
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儲(chǔ)罐 20-200Bar
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100%每天
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116噸
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2,600元/kg
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3億
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16億
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*Fasihi,Applied Energy 294 (2021) 116170;M. Reu? et al. / Applied Energy 200 (2017) 290–302,采用50萬(wàn)m3鹽穴的成本是 81,000,000Eur.
美國(guó)能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)最近發(fā)表的“面向多能源輸送途徑和電網(wǎng)服務(wù)的氫能儲(chǔ)存技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估框架”(Energy, 249, 2022),根據(jù)其開發(fā)的氫能儲(chǔ)存評(píng)估工具(HESET),評(píng)估如何最大化氫儲(chǔ)能帶來的效益,采用的是Salt Cavern鹽穴儲(chǔ)氫。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室NREL在2021年發(fā)表的“支持高可變可再生能源電網(wǎng)的長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能和靈活發(fā)電技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析”(Hunter et al., Joule 5, 2021),氫儲(chǔ)能方面也采用的鹽穴和地下管線儲(chǔ)氫(Underground Pipeline),如下圖。
彭博新能源財(cái)經(jīng)BNEF2020年氫經(jīng)濟(jì)展望,在預(yù)測(cè)未來氫至用戶成本時(shí),同樣采用了鹽穴儲(chǔ)氫和巖洞儲(chǔ)氫(Salt Cavern)。
來源:BNEF: Hydrogen Economy Outlook Key messages March 30, 2020
由于地質(zhì)條件限制我們無法實(shí)現(xiàn)鹽穴儲(chǔ)氫,那么對(duì)于離網(wǎng)的P2X,出路只有兩個(gè):1-項(xiàng)目地點(diǎn)限制于風(fēng)光互補(bǔ)、波動(dòng)性低的地理位置。2-合成工藝步驟高靈活性動(dòng)態(tài)操作,減少氫氣儲(chǔ)存量,使得高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫成本可接受。目前對(duì)于合成氨和合成甲醇,動(dòng)態(tài)操作目前處于早期發(fā)展階段(傳統(tǒng)工業(yè)上不需要?jiǎng)討B(tài)操作)。據(jù)說某國(guó)外項(xiàng)目,遇到惡劣天氣,合成氨停車后需要一周多才能重新恢復(fù)到正常負(fù)荷生產(chǎn)。當(dāng)然,在風(fēng)光電力不足時(shí),接入電網(wǎng)電來獲得穩(wěn)定性,技術(shù)上沒有任何問題。本文的邏輯僅限于離網(wǎng)集中式。X里有一個(gè)例外,即生物法甲烷化可以動(dòng)態(tài)操作,即采用厭氧菌為催化劑的反應(yīng)工藝(常溫常壓或低溫低壓),如下圖。

有對(duì)生物法CO2+H2甲烷化感興趣的,請(qǐng)聯(lián)系我們。請(qǐng)注意:實(shí)驗(yàn)室階段;P2X從能源屬性上看目前都沒有經(jīng)濟(jì)性。
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測(cè)算過程1:1kg的氨,運(yùn)送至加氫站端,經(jīng)過裂解和純化獲得的氫為4.1kWh(不含壓縮)。3.26元/kg氨,3.26/4.1=0.79元/kWh,0.79*33.3=26.3(H2熱值33.3kWh/kg),壓縮之前價(jià)格為26.3元/kg;加氫站成本假設(shè)為10元/kg,則加注口成本為36.3元/kg。以本周合成氨均價(jià)4200元/kg,則氨-氫路線的加注口成本為44元/kg。3260元/噸綠氨 = 36.3元/kg H2(加注口價(jià)格)灰氨市場(chǎng)價(jià)=44元/kg H2(加注口價(jià)格)氫的成本約為14.2元/kg,假設(shè)100多公里運(yùn)輸(小規(guī)模,點(diǎn)對(duì)點(diǎn),不考慮集中儲(chǔ)氫)約14元/kg,則至加注口成本為14.2+14+10=38.2元/kg,比氨-氫高5%。假設(shè)500公里綜合儲(chǔ)運(yùn)20元/kg(見上一篇),則14.2+20+10=44.2元/kg,比氨-氫高21%。柴油重卡百公里油耗35L和氫重卡百公里耗氫8公斤計(jì)算:
碳稅:柴油碳排放約2.7kg/L(網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)),假如碳稅高達(dá)700元/噸,折合約1.89元/L生產(chǎn)成本=,ANF是Annuity Factor年金因子,CAPEX是設(shè)備資本成本,OPEX是運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本,F(xiàn)uel是燃料(電力)成本。WACC是加權(quán)平均資本成本W(wǎng)ACC(weighted average cost of capital)。WACC=7%,壽命-30年,對(duì)應(yīng)8%的年金因子ANF。CAPEX=116*1000*5*400=232,000,000美金CAPEX*8%+OPEX=23,200,000美金單位成本為:23,200,000/240000=97美金/噸