氨的制備工藝包括灰氨、藍氨、綠氨三種工藝。綠色制氨（可再生氨）工藝主要指全程以可再生能源為動力開展的電解水制氫及空氣分離制氮再通過 Haber-Bosch 法制氨的過程，即通過綠氫制備綠氨。
灰氨主要由天然氣蒸汽重整氫氣及空氣分離的氮氣再通過傳統(tǒng)哈伯法（Haber-Bosch）進行合成，傳統(tǒng)的Haber-Bosch合成NH3工藝包括使用蒸汽甲烷重整（SMR）生產(chǎn)H2，其占全球年能耗的 1-2%，導致每年約 2.35 億噸CO2排放，這些 CO2排放中約 80%源自H2的生產(chǎn)（通過能源密集型 SMR 工藝與空氣中的N2反應生成形成 NH3）。由于作為 SMR 直接排放 CO2，因此該工藝難以脫碳。傳統(tǒng)的 Haber-Bosch 工藝已經(jīng)沿用上百年，對環(huán)境造成了較大的影響；藍氨工藝與灰氨基本相似，但會對工藝流程進行碳捕集與封存（CCS）。
綠色制氨（可再生氨）工藝主要指全程以可再生能源為動力開展的電解水制氫及空氣分離制氮再通過 Haber-Bosch 法制氨的過程，即通過綠氫制備綠氨。使用水電解制備H2為通過低碳電源進行水的電解，制備后僅產(chǎn)生H2和 O2（即H2O→H2+O2），因此，用可再生能源驅(qū)動的水電解代替 SMR 工藝以獲得用于Haber-Bosch 工藝的綠色H2可以實現(xiàn) NH3合成的大量脫碳。此外，綠色H2的使用可以促進小規(guī)模、模塊化的 NH3合成，這也將更有利于可再生能源進行能源的整合并提高肥料的獲取和分配平衡。
技術的發(fā)展現(xiàn)狀及態(tài)勢
目前的綠色制氨工藝通過使用可再生能源發(fā)電來進行 Haber-Bosch 工藝改進，其中主要使用幾種不同類型的水電解器進行綠色氫氣的合成。通過水電解產(chǎn)生綠色 H2 生產(chǎn)綠色 NH3 的流程如圖Ⅱ-15-01 所示。
圖Ⅱ-15-01 中，（A）為不同水電解槽生產(chǎn)綠色 H2：堿性水電解（AWE）、聚合物電解質(zhì)膜水電解（PEM WE）和固體氧化物水電解（SOE），（B）為N2由空氣分離裝置生產(chǎn)，（C）為通過改進的 Haber-Bosch 工藝合成綠色 NH3。其中綠色 NH3 生產(chǎn)能力通常為 10000 噸/日，太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)生的可再生電力為綠色 NH3合成工藝提供能源（即用于綠色H2生產(chǎn)的水電解槽、用于N2分離的空分裝置和用于綠色 NH3 生產(chǎn)的 Haber-Bosch 工藝）如綠色虛線所示。
堿性水電解（AWE）、聚合物電解質(zhì)膜水電解（PEM WE）和固體氧化物水電解（SOE）三種技術可根據(jù)電解槽中所使用的電解液進行區(qū)分，從技術成熟度情況來看，AWE 技術最為成熟，已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，是目前用于綠色H2生產(chǎn)的最常用技術，主要源于其具有高技術準備水平（TRL）以及使用較便宜的催化劑降低了成本支出（CAPEX）；PEM WE 是商業(yè)規(guī)模上第二成熟的電解技術，其主要優(yōu)點是使用固體聚合物電解質(zhì)、高度致密、可利用間歇可再生電力進行靈活操作和高壓操作；SOE 在高溫下良好的熱力學和動力學，因此具有較高的系統(tǒng)效率，因此有望實現(xiàn)大規(guī)模綠色H2生產(chǎn)。因此，以上三種類型的電解槽都可以用于綠色 NH3 生產(chǎn)，并且在未來可能具有經(jīng)濟和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的潛力。三種工藝的技術對比如表Ⅱ-15-01 所示。
在工藝成本方面，由于 NH3 的價格很大程度上取決于H2的價格，具有成本競爭力的綠色H2生產(chǎn)將是加速綠色 NH3 經(jīng)濟所必備路徑。根據(jù)所使用的每種水電解器的綠色 H2價格的變化來評估綠色 NH3 生產(chǎn)可行性的進行技術經(jīng)濟分析（TEA）必不可少。意大利比薩大學 LigangWang、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）Umberto Desideria、美國德克薩斯理工大學 Mahdi Malmali、加拿大卡爾加里大學 Md Golam Kibria、多倫多大學 Edward H. Sargent、英國牛津大學 René Ba?ares-Alcántara、劍橋大學 Laura Torrente-Murciano、巴斯大學 Alfred K. Hill等國外機構(gòu)研究人員已經(jīng)進行了相關研究以確定與傳統(tǒng) Haber-Bosch 工藝相比綠色 NH3生產(chǎn)的可行性。
在經(jīng)濟性方面，耶魯大學 Boreum Lee 等建立了研究模型進行使用主要電解技術（即 AWE、PEM WE 和 SOE）生產(chǎn)綠色 NH3 的經(jīng)濟預測和環(huán)境影響評估。據(jù)其預測，在 2050 年前，堿性水電解（AWE）、聚合物電解質(zhì)膜水電解（PEM WE）和固體氧化物水電解（SOE）三種中的任何一種綠色 NH3 合成工藝都均將與傳統(tǒng) Haber-Bosch 工藝相競爭。由于綠色氨合成工藝相關的 CO2排放量較低，因此CO2 稅對綠色 NH3 生產(chǎn)的成本影響相對較小。此外，鑒于對與 CO2 排放相關的全球環(huán)境問題日益凸顯，由于對傳統(tǒng) NH3 生產(chǎn)產(chǎn)生的 CO2 排放罰款、未來 CO2稅的采用、貨幣膨脹等因素將導致綠色 NH3 合成的平價年提前，考慮到碳的價格與沒有碳定價政策的情況相比，綠色 NH3 的經(jīng)濟平價可以提前十多年實現(xiàn)。
總體來看，根據(jù)科學家預測，未來在堿性水電解（AWE）、聚合物電解質(zhì)膜水電解（PEM WE）和固體氧化物水電解（SOE）三種類型中，固體氧化物水電解（SOE）與 Haber-Bosch 工藝相結(jié)合可能成為未來大規(guī)模綠色 NH3 生產(chǎn)最有潛力的工藝類型。
技術發(fā)展的競爭態(tài)勢
近年來，全球能源巨頭爭相布局并爭奪綠氨市場，其中使用電解水供應綠氫的綠色 NH3 合成項目近兩年已經(jīng)被 Air Products、Siemens、OCP、Thyssen Krupp和 Fertiberia 等大型公司商業(yè)化。國內(nèi)方面，我國國家能源集團、國電投、京能集團等也已布局多個綠氨示范項目。根據(jù)亞化咨詢《中國綠氨產(chǎn)業(yè)鏈年度報告2022》數(shù)據(jù)顯示，目前全球已布局超過 40 個綠氨項目，如美國能源部 REFUEL計劃、丹麥商業(yè)化綠氨工廠、中東 Neom 項目、澳大利亞 AREH 項目等，全球綠氨規(guī)劃總產(chǎn)能超過 1500 萬噸/年。
國際項目中，較為典型的是美國空氣產(chǎn)品公司在中東布局的項目，美國空氣產(chǎn)品公司（Air Products，AP）近兩年在綠色制氨方面進行了一系列超大規(guī)模的投資和布局。2020 年其與沙特國際電力和水務公司（ACWA 電力）和沙特NEOM 新城簽署了全球最大的無碳氫項目，三方將共同投資 50 億美元建造一座利用可再生能源的世界級綠色氫基氨工廠，三家企業(yè)在該項目中持有相同的股份。該項目將坐落在位于沙特阿拉伯王國西北角的以“NEOM”命名的可持續(xù)生活新城，并將生產(chǎn)出口到全球市場的綠色氨。該項目將包括超過 4 GW 太陽能和風能可再生能源電力的創(chuàng)新集成，采用蒂森克虜伯（Tthyssenkrupp）技術通過電解法日產(chǎn) 650 噸氫氣，利用空氣產(chǎn)品公司的技術通過空氣分離法生產(chǎn)氮氣，采用托普索公司（Haldor Topsoe）的技術年產(chǎn) 120 萬噸綠色氨，項目定于 2025年投產(chǎn)。
此外，在綠氨制備和存儲的產(chǎn)業(yè)化嘗試方面，西門子也走在全球前列，其早在 2018 年便已在英國牛津哈威爾展開世界首個氨儲能先導計劃，該項目包括風力發(fā)電機組、氮氣產(chǎn)生器、電解水系統(tǒng)、30KW 發(fā)電機與哈伯法反應爐，通過哈伯法生產(chǎn)氨氣。該示范廠目標是將電力、水和空氣無碳轉(zhuǎn)化為氨氣，將氨氣儲存在儲罐后，用于燃燒發(fā)電、當作車用燃料出售，或用于工業(yè)制冷等，西門子的該示范計劃儲存量和發(fā)電量較小，旨在證明氨氣儲能系統(tǒng)的可行性。
國內(nèi)方面，隨著國內(nèi)雙碳政策體系的確立，2022 年 2 月四部委聯(lián)合印發(fā)的《高耗能行業(yè)重點領域節(jié)能降碳改造升級實施指南（2022 年版）》，國家能源局《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》，工信部《工業(yè)領域碳達峰實施方案》等涉及綠氨存儲和應用方面的政策出臺，2022 年我國綠氨的發(fā)展明顯加速。根據(jù)公開資料顯示，2022 年 3 月國家氫能中長期規(guī)劃發(fā)布以來，國內(nèi)綠氨規(guī)劃并落地的年產(chǎn)能已超過 156 萬噸，對應超 28 萬噸/年的綠氫需求。
國內(nèi)項目中，多數(shù)項目集中在內(nèi)蒙古、甘肅、青海等西北地區(qū)。其中較為典型的有如下項目：
2022年遠景科技與內(nèi)蒙古赤峰市人民政府合作在赤峰市建設風光制綠氫綠氨一體化示范項目，總投資約達 400 億元，該項目預計 2028年前建成投產(chǎn)，計劃總投資約為 400 億元，預計 2028 年前建成投產(chǎn)。
北京能源國際控股有限公司與內(nèi)蒙古錫林郭勒盟多倫縣合作簽署風光儲氫制綠氨項目協(xié)議，該項目預計電解制氫規(guī)模日產(chǎn) 300 噸，年產(chǎn)綠氨規(guī)模達 60 萬噸。
中國氫能有限公司與盈德集團合作在鄂爾多斯市達拉特旗投資建設綠氫、綠氨項目，簽約項目年產(chǎn)能包括 0.93 萬噸綠氫和 5 萬噸綠氨。
國家能源集團投資23 億元在內(nèi)蒙古新建年產(chǎn) 30 萬噸綠氨。
蘭州新區(qū)政府將投資 30 億元建設年產(chǎn) 2 萬噸制氫能力和 10 萬標方儲氫能力的綠氫供應基地，以年產(chǎn) 6 萬噸綠氨和氫能交通應用為核心的示范應用中心。
總體來看，我國綠氨的生產(chǎn)項目主要集中在西北地區(qū)，而產(chǎn)業(yè)鏈下游的應用項目覆蓋全國。
技術產(chǎn)業(yè)化的前景
市場前景方面，根據(jù)全球著名市場研究和咨詢公司 Future Market Insights 發(fā)表的綠色氨市場報告表明，未來十年，全球綠色氨市場預計將以驚人的 90%的速度發(fā)展，在 2030 年前將達到 54 億美元。到 2028 年底前，歐洲綠色氨市場預計將擁有全球最大的市場份額，產(chǎn)生 5.5803 億美元的收入，高于 2019 年的 749萬美元，這得益于 2022～2032 年預測期間的 65.37%的估計復合年增長率。亞太地區(qū)預計將占據(jù)全球第二大市場份額，收入潛力為 1.9069 億美元。就單個國家而言，荷蘭可能到 2028 年擁有最大的市場收入，達到 2.712 億美元，而德國市場收入預計在預測期間將以最快的速度增長 86.35%。
產(chǎn)業(yè)化瓶頸方面，資本密集型性質(zhì)是綠色制氨產(chǎn)業(yè)化的主要障礙，主要源于通過可再生能源和電解槽等路徑制備綠氨的成本高于傳統(tǒng)工藝，因此除非成本進一步下降，否則多數(shù)合成氨制造商將較難從傳統(tǒng)的合成氨生產(chǎn)轉(zhuǎn)向綠色合成氨生產(chǎn)。就目前來看，中國、日本的大型化工企業(yè)仍繼續(xù)采用天然氣蒸汽甲烷化的傳統(tǒng)技術，近兩年投資建廠的綠氨項目主要以全球巨頭、我國大型企業(yè)和政府支持項目為主。
總體來看，在碳減排的全球化背景下，部分國家加強碳稅收政策、我國政府資金支持低碳項目，國際巨頭及我國大型企業(yè)積極響應政策號召，帶頭布局綠氨能源并提前布局市場，未來十年內(nèi)，在政企的聯(lián)合推動下，綠氨產(chǎn)業(yè)將飛速發(fā)展。
來源：流程工業(yè)
