双碳目标下绿氢-绿氨融合发展思路分析
王月中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院氢能研究所高级工程师
线上各位专家、同仁，各位听众，大家下午好！我是来自中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院氢能所的王月，我分享的主题是“双碳目标下绿氢、绿氨融合发展的思路分析”。
我将从以下四个方面来分享。
第一，氢能产业的发展背景。
“双碳”碳减排碳达峰这个情况也都比较清楚，2015年12月份《巴黎协定》提出来要本世纪下半叶实现温室气体的近零排放，作为一个响应，2020年国家主席习近平也在联合国大会上提出来了这样一个庄严宣誓，说中国要在二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。
在这样一个碳达峰碳中和的背景下，氢能作为一种以氢和氧两种元素无碳的一种燃料也好、原料也好，提高到了一个比较重要的战略位置。氢具有高能、高效、清洁的性质，同时作为一种能量的载体，具有存储方便、转换快的优势。特别是氢依托风光电这样可再生能源从源头上就杜绝了电的产生，是实现“双碳”目标的重要途径，氢未来的图景，以可再生能源，这是一个清洁的氢的原料来源，核能燃料也是氢的来源，氢能与传统能源以及可再生能源共同组成一个新型的能源系统。同时氢的用途也非常多，无论是交通领域做交通燃料，以及作为原料来做下游的合成氨、合肥、生物质以及做金属的炼制。
氢能作为一种能源也是保障国家能源安全的必要举措。我们国家的能源形势是贫油、富煤、少气，原油对外依存度70%，天然气对外依存度40%，这样过高的对外依存度也加剧了能源安全形势，氢能的发展对于我们来改变世界的能源格局、保障能源安全也是起到了重要作用。
氢能未来主要是依托可再生能源来制取，可再生能源具有波动性和区域分布差异。例如光伏随时间的波动性，以及区域分布上的差异，我们国家主要是“三北”地区，东北、西北、华北地区光伏资源比较丰富。同时像风能、地热能也是一样，具有区域分布差异随机性和波动性。因此氢能依托这样波动性的可再生能源来制取，氢作为一种可再生能源的载体，也是能够起到长时的储存和长距离运输的这样一个作用。
世界主要发达国家也都开展了氢能业务，主要的几个氢能发展模式，像我们国家模式是脱碳和能源安全，美国的模式是脱碳和战略储备，日本因为它是一个资源比较贫乏的过程，他的氢能战略是进口来保障能源安全。澳大利亚跟日本其实在氢能领域已经签署了氢的贸易协定，澳大利亚的模式是以氢作为一种出口的贸易。各个国家也都对于绿氢的供应制定了一些计划，特别的我们看到，美国的绿氢供应从2030年—2050年分别从1000万吨/年提高到5000万吨/年，这个体量其实还是挺大的，因为现在我们国家的氢是3000万吨的产能、5000万吨的产能，所以这样一个绿氢的供应体量还是比较可观的。
我们国家把氢能也提高到了一个战略高度，2020年是国家能源局将氢能列为了能源的范畴，列入了《能源法》，这也是一个非常标志性的事件，因为氢是以一种危险化学品的属性存在的，从2020年开始是作为《能源法》当中的能源属性。2022年发改委、国家能源局联合发布了一系列的体系规划，包括《“十四五”现代能源体系规划》《“十四五”新型储能发展实施方案》，明确指出我国能源体系和发展模式进入了非化石能源主导的崭新阶段。2022年3月份发布的氢能产业发展中长期规划，也是在业界引起了大家的关注，提出来氢能是未来国家能源体系的重要组们。我们从这个话也能看出来，氢能已经上升到了一种国家能源体系组成部分这样的战略高度。在这个规划当中也明确了分阶段的绿氢以及可再生能源氢的发展战略，2025年可再生能源制氢量达到10—20万吨，2030年形成完备的清洁能源制氢和工业体系，2050年交通、储能、工业等多领域的氢能应用，可再生能源制氢在终端能源消费比重明显提升。
第二，氢能产业发展现状及趋势。
氢能目前整体上三个环节：制氢、储运氢、用氢，三个环节进入导入期。从制氢角度来讲，制氢技术多样化发展，其中可再生能源电解制氢是为重要的发展方向。储运环节，氢气储运从物理储运也好、化学储运也好，多种方法并存，但整体上氢气储运受制于储运效率低、成本高、安全性较低的问题，一直是制约氢能产业发展的瓶颈。从用氢终端消费角度来讲，以炼油化工为主导，逐渐向燃料、储能、交通、建筑、发电等领域扩展。
首先展开分享一下制氢环节。目前产业化的制氢技术主要是煤制氢和天然气制氢，另外还有副产氢，现在比较热门的是电解水制氢，包括碱性电解水、质子交换膜电解水、固体氧化物燃料电池制氢，另外还有一些目前处于实验室研究阶段的像生物质气化、光解水。
煤制氢技术历史较悠久，我国的煤气化技术也达到了世界先进水平，天然气制氢技术也较成熟，电解水制氢目前是发展较迅速，碱性电解水制氢并跑国外，并且碱性电解槽的成本目前是低于国外技术的。质子交换膜电解制氢又成为PEM制氢，跟跑国外，目前成本以及电解水的规模和小序都是低于国外水平。电解水制氢技术可以依托于可再生能源的电力，理论上能够实现零碳排放，目前整体上是技术处于一个不断发展的阶段，成本也是不断降低，制氢成本2030年有望下降至与化石能源制氢成本相当，是未来重要的制氢技术路线。
氢气来源，我们讲的比较多叫灰氢、蓝氢、绿氢，提到比较多的也是电解水制氢，实际我们内行人来讲，目前氢气来源主要是灰氢、天然气制氢和煤制氢。从图上可以看到，现在全球的氢产量9400万吨，几乎都是来自煤制氢和天然气制氢，天然气制氢占62%、煤制氢19%，这个也是源于整个全球化石燃料的分布，天然气占大头、煤是其次。具体到我们国家的氢产量3500万吨，煤制氢占首位，57%煤制氢，21%是天然气制氢，另外还有一部分副产氢，其实极少数是电解水制氢。
随着可再生能源的发展，由中国氢能联盟预测了数据，在我们国家氢能的供给结构当中，绿氢的占比将逐步从2020年的3%提高到2030年的15%、2040年的45、2050年的70%，可以看到绿氢的位置将越来越重要，发挥的作用也将越来越大。
从储运的角度来讲，目前储运技术也非常多，高压气态储运、低温液态储氢。化学储氢方面有固态储氢、有液体储氢、氨储氢，总体上存在的问题是，储氢的密度较低，例如比较成熟的高压气态储氢，1%—5.7%的储氢密度，美国能源部提出来一个目标，轻型车辆质量储氢密度7.5%，事实上现有的储氢密度都存在较低的问题，其中氨储氢密度理论上能够达到17.6%，这样的储氢介质近年来收到了越来越多的关注。
这个表格对比了不同压力20兆帕的氢、70兆帕的氢、液氢、有机液体甲基环己烷储氢、液氨储氢的一些关键数据的对比。我们从体积能量密度来看，液氨是远高于气氢、液氢和甲基环己烷。从质量储氢密度、质量能量密度来看，液氨也是处于较高的水平。另外按一个很显著的优点是，氨比较容易液化，在常问常压零下33度或者常温0.9兆帕的情况下就能够液化，相比于氢的液化条件来讲是非常温和的。所以氨的这些优点，一是储氢密度大，二是储存条件温和，是适合大规模的储氢作为长时的储氢介质。
从成本的角度来讲，我们来对比一下氢和氨，分别储存1天、15天、182天的成本，都换算成每公斤氢的成本，可以看到氨如果储存一天成本气氢和液氨分别是5元/公斤和0.2元/公斤，如果储存182天季度的储存氨的优势就更加明显，气氢的储存成本94元/公斤、液氨3.4元/公斤，30多倍的差异。另外我们比较一下，运输气氢以及把氢储存到氨当中来运输氨的成本，分别对比了船运1万公里、管道运输2000公里和每公里公路运输的成本，都能看到液氨的运输成本都是低于气氢，特别是在长距离的运输方面，液氨成本的优势就更加明显，这些数据来源于一些权威的文献。
以上我们指出来，无论是从性能角度来讲，还是从成本角度来讲，氨都是一种良好的储存介质。另外一点，我们从氨的体量来讲，合成氨是非常大宗的化学品，他的产量是居于全球产量第二的，产能2.2亿吨，产量超过1.8亿吨，这样的大体量也能够支撑氢的规模化的利用。我们国家也是最大的氨生产国和消费国，产能7000万吨、产量5000万吨，占全球产能的31%。
从氢的利用角度来讲，目前氢主要是用于炼油、化工领域，合成氨实际上是用氢大户。我们从全球氢的消费结构来看，氨占到了消费总量的36%，从中国氢消费结构来看，氨占到了氢消费量的28%，能看得出来氢和氨有着密切的联系。
在绿氢的场景下，氢的应用将会逐步拓展到交通、电力、建筑等领域，我们现在也能了解到，氢能燃料电池车在快速发展当中，氢发电以及氢供暖这些领域也在处于一个示范阶段。
随着这些应用领域的拓展，我国氢需求也将显著增加，通过氢能联盟研究院的预测，到2040年氢的需求量将达到5700万吨，2050年达到9690万吨，2060年达到1.3亿吨。
第三，氨和氢产业中的作用路径。
上一部分我们已经分享了氢的几个环节，制氢、储存、运输和氢的利用。目前氢的制取，电解水制绿氢是一个比较有前景的发展方式。氢的储运现在遇到的问题是储运密度小、储运成本高。运输方面，氢的运输存在成本高的问题。氢的利用方面，主要以炼油、化工为主导，逐渐向燃料、发电、交通等领域增长。实际在各个环节氨都能发挥一定的作用，在制氢环节，绿氢的发展能够驱动绿氨的合成，对于合成氨这样一个碳排放大户而言，能够助力合成氨的碳减排。
在储存环节，氨是作为一种氢的载体，为低成本、跨季节的储氢提供解决方案。在运输方面，氨为低成本跨地域的输氢能够提供解决方案。在利用角度，因为氨是氢和氮这两种元素组成的，氢的含量占17.6%，所以氨作为一种氢的载体，能够发挥一是储氢载体的作用，二是氨也作为一种零碳燃料，例如氢作为燃料利用、发电利用、交通利用，氨实际上也能够在这些领域有所应用，同时氨的传统利用方向，包括化肥和化学品。
以下分别从制氢、储存和应用几个角度展开来讲。首先，氨的生产在工艺上哈伯法是一个主流方法，距今也有100年的历史，哈伯法的发展历程中也孕育了4位伟大的科协家、诞生了3位诺奖得主。工业合成氨一个很大的问题是，主要是以化石能源为原料，排放二氧化碳较高，据统计排放二氧化碳约5亿吨。
哈伯法是在不断发展过程当中，一方面是改进工艺，另外一方面是通过催化剂的改进来降能耗。在合成氨工艺方面，中石油环球公司也是一个独立的自主产权的专利商。合成氨催化剂的开发，经历了四氧化三铁熔铁催化剂，以及第二代铁基催化剂、钌基催化剂，在催化剂的开发上石化院氢气所也参与开发钌碳催化剂，这个催化剂目前也已经工业应用。合成氨的能耗，按照能效领跑者的标杆企业，能耗之和8700—10000KWh，这个数据我们做一个详细的分析。这个数据我们做一个详细的分析。
对于煤制合成氨而言，按照上一张表格，煤制合成氨综合能耗折合成标煤是1000—1300千克标煤/吨氨，如果按照主流的煤制合成氨，煤制合成氨综合能耗是13750千克标煤/吨氨，我们对比一下煤制合成氨和电解制氢合成氨，因为现在发电主要是以煤发电为主，煤发电、网电、电解制氢最后再合成氨，这样一个路径我们分析一下它的综合能耗达到了3300千克标煤/吨氨。所以得出来一个结论是，在当前以煤发电的情景下，我们如果以煤电这样一个火电做电解水制氢，氢再合成氨这样一个路径，综合腾好相比于煤直接合成氨，是煤直接合成氨的2倍—3倍。因此在当前这种火电的情景下，我们做电解制氢再合成氨，这个路线从能耗角度来讲是不可行的，电解制氢合成氨这样的路线还需要在可再生能源发电的情景下来讨论。
新型合成氨的工艺主要是聚焦在两个方向：第一个就是基于可再生能源电解水的哈伯法，也就是说我们把氢的来源从煤制氢、天然气制氢换成可再生能源制氢这样的哈伯法的路线。第二种是反应、分离条件都更加温和的非传统路线。
现在绿氨整体上也是一个非常热门的关注点，国内外也规划了以及在建的、拟建的绿氨项目也非常多，包括像林德公司、法液空都有规划，我们国家绿氨的项目主要是集中在内蒙地区，例如30万吨每年的绿氨，用铁基催化剂在内蒙德一个项目，国家能源集团国华投资也在内蒙，以风光发电制氢为氢源的绿氨项目。
新型的合成氨的工艺，包括化学链工艺、光电催化工艺、等离子体辅助工艺、生物固氮工艺。这些目前还在实验室研究阶段，距离工业化还有非常远的距离，现阶段的情况先绿氨唯一具备产业化前景的一个路线，就是基于可再生能源电解水制氢、氢氮合成氨这样一个路线。
基于以上分析我们提出来氨的作用。
路径1，基于电解水的哈伯法绿氨替代灰暗，我们课题组也做了一个成本的分析，用电解水制氢，氢再合成案，这个结论是，绿氨的制备成本主要是受到电价的影响、电解效率的影响，其中用电成本占到了80%。
现阶段如果电价按4毛/度算，电解效率按60%，我们对比了两种模式，一种方式是新建电解水制氢装置以及新建合成氨装置，另外一种模式是新建电解制氢以及利用原有的合成氨装置，分析了整体的成本。这两种模式下，绿氨的成本分别是4900元/吨和4600元/吨。市场价格是3000—4000元/吨，因此在4毛/度的电价情况下，绿氨的成本还是没有优势。当电价降低到2毛/度的情况下，绿氨的成本降到2800元/吨和2400元/度，在这个情景下绿电制氢合成氨将能够与灰暗进行竞争。
从运输的季度来讲，现在氨国内没有陈距离的管道运输，陆地运输主要以铁路和卡车运输为主，但实际上美国和俄罗斯已经有了长管道运输，像美国有4000公里、将近5000公里氨的管道，俄罗斯有2400公里的氨的管道，国内只有一个82公里的输氨管道。所以以氨作为氢载体，未来如果要降低运输成本，强是要依赖长距离管道的建设。
路径2，氨作为氢载体进行跨区域的运输，我们对比了全链条从氢到氨的制取，铁路运输到氨分解变成氢，整体上也是基于一个前提，电价4毛/度，电解效率60%，运输的距离按1000—5000公里的铁路运输，目前这个成本电价4毛钱的情况下氢的成本40—54元/公斤，2毛钱电价的情况下成本28—42元/公斤的氢。我们看到，4毛/度的情况下，这个氢的成本还是非常高的，远高于我们终端消费地本地氢的成本，在2毛/度的情况下，这个成本已经与现在电解水制氢的成本相当了。
路径3，氨跨季节的储氢，就是以氨作为氢的一个载体，长时跨季节来储氢，我们对比分别计算了氢储存15天、储存182天，氨作为氢的载体储存之后再分解成氢的全链条的成本，可以看到，储存15天氯氨储氢与氢储存15天成本相比是非常接近的，但如果储存182天，绿氨的储存成本是氢储存成本的不到1/3。所以绿氨作为跨季节储氢、长时储氢这样一个角色，它的优势更加显著，对于短时的储氢，利用氨储氢就显得不是很有必要。
从终端应用角度来讲，氨目前的用途主要是化肥，从全球85%的氨是用做化肥，80%的氨用做化肥，另外在工业领域做工业脱硝，及内酰胺的制取、硝酸铵的制取。新兴用途包括燃烧发电，船燃作为交通燃料的利用，发电用的燃料电池，氨分解制氢作为氢的载体，新兴用途也是在氢能产业中与氢的利用息息相关的。
氨用作船用燃料发电以及氢载体，市场主要研究机构对氨未来的规模也进行了预测，我们对氨未来的规模也做了分析和计算，利用船用燃料用氨，假设未来2050年氨能够替代100%的船用燃料需要氨6亿吨、假设能替代50%的船燃需要氨3亿吨、假设氨替代30%的船燃需要氨1.8亿吨，这个预测结果也与主要的一些预测机构的结果较一致。
路径4，氨作为燃料使用。目前氨虽然它作为燃料存在很多优势，包括辛烷值高、抗爆性能好、不产生碳排放，但现在纯氨燃料仍然面临一系列技术难题，比如最小点火容量高、热值低、燃料效率低。掺氨燃料能够改善燃料性能，但目前还有一些问题，比如能源利用率低和NOx排放。氨作为燃料使用还有一个技术是氨燃料电池包括直接氨燃料电池和间接氨燃料电池，这个技术是处于起步阶段，以直接氨SOFC的燃料电池为主。所以氨作为燃料发挥的作用目前只是对于脱碳和能源安全的意义较大，但是离大规模应用还有一定距离，需要解决一系列的技术问题。
小结一下，氨是具有化工原料、储氢载体和燃料的三重性质。作为化工原料，短期很难与化石能源直接竞争，这种绿氨工艺与灰氨相比成本较高，但是对于支撑国家碳达峰的战略意义较大。未来随着可再生能源电力价格的降低、电解槽效率的提高，绿氨的成本将能与化石能源合成氨相竞争。作为储氢载体，解决氢的长时，特别是跨季节储存、长距离输运的问题，还是起到了很重要的作用。作为燃料，规模化发展仍然需要攻克较多的技术瓶颈。
第四，机遇与挑战分析。
简单做一个总结。绿氨的合成路线的实现，现在有望快速产业化有的技术只有一种，可再生能源电解制氢化成按路线。电催化合成氨技术在学术界受到广泛关注，但仍然处在实验室研究阶段。绿氨作为化肥原料这种传统用途路线的实现，受制于它的成本较高的问题，目前只能在可再生能源资源丰富、电价较低的地区具有成本优势。
绿氨作为氢能载体路线，对于长距离1000公里—5000公里，长时的储存，月度、季度、年度的场景下，已经具有了成本优势，具有推广价值。
绿氨作为燃料路线的实现，作为一种含氢燃料，可以对标汽油、柴油、煤油等燃料。从清洁角度来讲，是一种非常清洁的无碳燃料。从原料来源角度来讲，是氮和水，摆脱了对化石能源的依赖。从技术成熟度角度来讲，仍然有待进一步推广、验证，解决较多的技术瓶颈。
面临的挑战，首先从安全角度来讲，氨具有强烈刺激气味、腐蚀性、毒性的产品，需要加强储运设施的安全防护。现阶段受限于成本较高，虽然国内外规划的绿氨项目都非常多，但是实际落地的还是较少。另外一点，绿氨合成一定是依托绿氢的来源，但现阶段近期绿氢产量仍然较少，我们从中长期规划的数据也能够看到，2025年绿氢10—20万吨/年，实际合成氨总产量已经达到了5000万吨，绿氢的理论需求量888万吨，绿氢供应量和合成氨行业用氢量之间还是存在巨大的缺口，不能实现合成氨原料绿氢的完全替代。随着可再生能源的发展，按照氢能联盟的预测，到2060年氢、绿氢0.75—1亿吨，将能够满足绿氨的用氢需求，因此绿氢合成氨还是一个值得期待的路线，氢作为一个长时储运的载体，它发挥的作用也是我们值得肯定的。
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