氫氨醇産業現狀及發展前景

1 氫基能源曆史變革

       縱觀(guān)曆史，木材是最初的能量來(lái)源，是第一次能源革命的物質載體，直到19世紀末被煤炭取代，20世紀50年代油氣(qì)又取代煤炭成爲瞭(le)主要能源，油氣(qì)和煤炭成爲第二次能源革命的物質載體。目前，碳基燃料供應瞭(le)全世界85%的能源需求，但化石燃料燃燒對環境和人類造成的影響（溫室效應、酸雨等自然災害）是毀滅性的。緊迫的能源危機、氣候變化不斷催生能源轉型和技術變革。當前，人類對於資源的追求從消耗類礦藏資源向再生型天然資源演變，可再生能源代替煤炭、油氣成爲第三次能源革命的載體。但伴随著(zhe)新能源發電的裝機規模顯著提升，波動性、随機性和間歇性成爲瞭(le)新型電力系統穩定運行不可忽視的問題。

       氫能，作爲一種來源多元的二次能源，起初以其零碳、高效的特性受到生态環保領域廣泛關注；随著(zhe)人們對其儲運方式、應用場景等探究的不斷深入，氫能成爲企業和國家優化能源結構、構建新型能源系統的有效途徑。各國紛紛開始布局氫能産(chǎn)業、制定氫能發展戰略，将氫能規劃上升至國家能源戰略的高度。

       早在2002年，我國《“十五”國家高技術研究發(fā)展規(guī)劃（863計劃）電動汽車重大專項》確(què)立瞭(le)包括燃料電池汽車在内的電動汽車“三縱三橫”研發布局；2016年，《中國氫能産(chǎn)業基礎(chǔ)設施發展藍皮書（2016）》發布，首次提出我國氫能産(chǎn)業發展路線圖，對中長期加氫站和燃料電池車輛發展目标進行瞭(le)規劃；2022年正式出台氫能産(chǎn)業頂層(céng)設計《氫能産(chǎn)業發展中長期規劃（2021-2035年）》，明確(què)瞭(le)氫能未來發展的戰略定位。

       另外，氫氣(qì)可憑(píng)借其多元轉化的特性成爲化工、冶金、交通等行業的可持續原料（power-to-X），既解決瞭(le)氫氣儲運難題，同時又起到支撐(chēng)電網平衡的作用，促進可再生能源大規模整合，實現高效的全球能源物流。

      “風光氫儲氨醇一體化”是當前新能源行業普遍順應的發展路線。氨和醇是氫的理想儲運載體，同時兼具原料和燃料雙重屬性，實現瞭(le)新型電力系統從電源端到消納端的全産(chǎn)業鏈布局，解決瞭(le)高耗能行業的脫碳轉型問題，證明氫基能源轉換是新型能源系統發展的可行路徑。

2 綠氫産業發展現狀

       下面從生産(chǎn)工藝、應用場景和經濟性等角度著(zhe)重對綠氫行業現狀進行詳盡研究及分析。

2.1 綠氫制備工藝

       氫氣可以使用化石燃料或可再生能源通過不同的方法和技術生産(chǎn)，而綠氫通常被認爲基於(yú)可再生能源電解水産(chǎn)生，能夠顯著減少生産(chǎn)過程中與能源消耗相關的二氧化碳排放。

2.1.1 堿性電解水技術（AWE）

       堿(jiǎn)性電(diàn)解水制氫是以25%～30%KOH水溶液爲電解液對水進行電解，裝置主要由極闆、極框、隔膜和電極等組成。該技術目前已在氯堿生産(chǎn)、火電廠(chǎng)發電機組冷卻等領域應用多年。AWE的優點(diǎn)是技術成熟、使用壽(shòu)命高（約60000～100000小時）且制造所需原材料價格低廉；缺點(diǎn)是由於(yú)H₂/O₂混合存在爆炸風(fēng)險而無法在低負(fù)荷工況（＜20%）下運行、占地面積(jī)大、電(diàn)解質較高的電(diàn)阻損耗使效率被限制在50%～70%等。

2.1.2 質子交換膜電解水技術（PEMWE）

       質子交換(huàn)膜電(diàn)解水制氫是以質子交換(huàn)膜（PEM）爲電解質傳(chuán)導質子、隔絕陰陽極，使用純水進行電解制氫的方法。裝置主要由質子交換膜、催化劑層(céng)、氣體擴散層(céng)和雙極闆等組成，具有電流密度高（＞2A·cm^-2）、轉化效率高（80%～90%）、産氫純度高（＞99.99%）的特點(diǎn)，更具備(bèi)靈活性強、響應速度快的優勢，能夠更好地适應可再生能源的波動性、間歇性和随機性，提高風光消納水平。與AWE相同，PEMWE是處(chù)於(yú)商業化階段的兩種電解水制氫技術之一，二者搭配可平衡建設成本和消納水平，擁有非常廣闊的發展前景。

2.1.3 陰離子交換(huàn)膜電(diàn)解水技術（AEMWE）

       作爲(wèi)AWE和PEMWE的替代方案，陰離子交換膜電解水技術兼顧二者優勢，使用陰離子交換膜作爲固體聚合物電解質生産(chǎn)高純(chún)度氫氣。生産(chǎn)裝置主要由陰離子交換膜（AEM）、電(diàn)極(jí)材料、集流器、雙極(jí)闆和端闆等組成。AEMWE目前處於(yú)實驗室階段，受到廣泛關注源於(yú)其較高的成本效益：可採(cǎi)用過渡金屬催化劑取代鉑系催化劑；使用的AEM與Nafion膜相比更便宜；可選用更經濟的不鏽鋼作爲多孔傳(chuán)輸層(céng)和雙極闆。

2.1.4 固體氧化物電解水技術（SOEC）

       固體氧化物電解是基於(yú)固體氧化物陶瓷電解質傳(chuán)導O^2-離(lí)子的電(diàn)解水技術，電(diàn)解槽通常在600～900℃運行，對生産(chǎn)過程中用到或産(chǎn)生高溫蒸汽的用戶頗具吸引力。盡管前景廣闊，但固體氧化物電(diàn)解水技術研究水平相對較低，與其材料、壽命、對溫度波動的适應性、循環次數有關。

2.2 綠氫應用場景

       化工行業的應用集中在合成氨、甲醇、煉化領域。作爲化工原料和燃料，綠氫替代灰氫成爲化工産品生産原料的路線逐漸被打通並(bìng)完善，綠氨和綠色甲醇可以延長可再生能源應用的産業鏈；另外，《“十四五”全國清潔生産推行方案》明確(què)提出對石油化工行業實施綠氫煉化降碳工程，煉廠的綠氫滲透率将持續提升，因而綠氫化工成爲化工行業深度脫碳的重要途徑。2022年全球工業用氫量約爲5300萬噸，預計2030年将增至7000萬噸。

       鋼(gāng)鐵行業，代替焦炭直接還原。煉鋼(gāng)的傳(chuán)統工藝是利用焦炭燃燒提供的熱量和CO還原鐵礦石，但會産生大量CO₂，據估計噸鋼碳排放量接近2噸(dūn)。而氫氣的還原産(chǎn)物僅爲水，綠氫替代可作爲鋼鐵行業的低碳冶煉技術得到廣泛推廣。預計到2060年，鋼(gāng)鐵行業被用作高熱燃料和原料的氫氣需求量将分别達(dá)2000萬噸和1500萬噸。

       交通領域，應用於(yú)重卡、公交車(chē)等車(chē)型。燃料電池汽車(chē)是氫能在交通領域應用的主要途徑，比燃油車(chē)更加環保，相較電動車(chē)在重型車(chē)輛上續航、載重、運行環境等方面更具優勢。2021年全球交通用氫總消費量超3萬噸，隻占氫消費總量的0.03%，氫(qīng)作爲交通燃料僅(jǐn)占交通用能的0.003%，預計2030年交通用氫量有望達到800萬噸(dūn)；在我國，随著(zhe)各地方政府的政策推廣，到2025年氫燃料電池車(chē)的目标總量将達(dá)到11.8萬輛。

       電力行業，主要是分布式發電、熱電聯供等方向。新能源作爲新型電力系統的電源端，需配置短時功率調節和長(zhǎng)時能量調節的儲(chǔ)能系統來解決随機性、間歇性和波動性造成的問題。氫能實現大規模、長(zhǎng)周期儲(chǔ)能，是實現新型電力系統穩定、可靠運行的重要載體。目前氫能發電尚不足全球發電量的0.2%，2030年發(fā)電(diàn)用氫電(diàn)力裝機有望超過5.8GW，電(diàn)氫耦合技術具有廣(guǎng)闊的應用前景。

2.3 綠氫經濟性分析

       綠氫的降本空間在於(yú)電力、設備(bèi)、運維及原料等成本。其中電力占總成本的60%～80%，是決定電解水制氫經濟性的關鍵因素，因此降低電價和設備(bèi)電耗是主要的降本路徑。由於(yú)堿性電解槽和PEM電解槽等購置費用有較大差别，雖占比不高，但會影響固定成本和運維費用，通過技術進步和規模化生産(chǎn)可實現降本。當設備(bèi)年運行時間≥2000h、電價爲0.20元/kW·h時，制氫成本在13～19元/kg，接近化石能源制氫成本；電(diàn)價(jià)低至0.10元/kW·h時，制氫成本在8～12元/kg，綠氫與灰氫相比具備(bèi)經濟競争力。另外，通過降低電解槽電耗，可減少制氫能耗成本。對於(yú)設備(bèi)成本而言，一方面，提高設備(bèi)電流密度能夠減少材料用量、降低設備(bèi)成本；另一方面，技術成熟、規模化生産使得各個環節成本持續下降，預計在2030年前電解槽成本将下降60%～80%。

3 綠色氨醇發展現狀

       氫能在大規(guī)模發(fā)展過程中也面臨一些挑戰：（1）運輸用車載儲氫問題；（2）缺少現成的氫儲(chǔ)運基礎(chǔ)設施。氨和甲醇可以和氫實現轉換，成爲氫能的運輸載體，助力各行業綠色低碳轉型。全球範圍來看，氫氨醇示範項目大多分布在南非、歐盟、澳大利亞和沙特等可再生能源豐富的國家和地區。

3.1 綠氨發展現狀

       最常見(jiàn)的氨生産(chǎn)工藝是哈伯—博施（Haber–Bosch）工藝，哈伯在1918年因其發展而獲得諾貝(bèi)爾(ěr)獎。該合成過程通常在高溫（400～550℃）和高壓（10～25MPa）下，採(cǎi)用鐵基催化劑(jì)，在具有2～4個(gè)催化劑(jì)床的反應器中進行，氨轉化率爲15%。原料氮氣通常來源於(yú)深冷空分、變(biàn)壓吸附（PSA）或膜分離法，而氫氣的來(lái)源有多種方式。目前全球每年氨産(chǎn)量約爲2.5億噸左右，其中98%來(lái)自於(yú)化石能源制氨。在沒有CO₂捕獲(huò)的情況(kuàng)下，煤制氨碳排放量爲3.2tCO₂/tNH₃，天然氣制氨碳排放量爲1.8tCO₂/tNH₃，共産生約5億噸的CO₂排放，占全球碳排放量的1%～2%；而綠氨由綠氫和氮氣反應得到，以太陽能、風能等可再生能源作爲電(diàn)力來源，對於(yú)實現制氨行業零碳排放至關重要。

N₂＋3H₂→2NH₃ ∆H＝–92kJ/mol

       哈伯—博施法較苛刻的反應條件導緻對綠電的消耗需求較大，按照化石燃料原料連續生産(chǎn)要求優化設計的生産(chǎn)工藝對電力來源的穩定性要求較高，這些都與可再生能源的特性相矛盾。因此在此基礎(chǔ)上研發出第二代钌基催化劑，在相對較低的溫度（≤400℃）和較低壓力（≤10MPa）下實現氨的高效合成，不僅能夠降低能耗，還可使裝置朝小型化、靈活化方向發展。當(dāng)前，钌基催化劑的研發主要從(cóng)尺寸效應、形貌效應、載體選擇、助劑添加等方面展開。

       光催化、電化學、等離子體、膜反應器等新型合成氨工藝也進入發展期，較溫和的反應條件和靈活性使它們能夠更好地适應可再生能源的發電特性；但目前集中於(yú)實驗室階段，合成産(chǎn)率和效率等限制商業化的問題還有待解決。綠氨合成過程及應用領域詳見圖1。

       随著(zhe)綠氫的快速産(chǎn)業化發展，帶動綠氨也成爲未來能源系統的重要能源載體。氨的儲存條件相對溫和（常壓下–33℃，10bar下25℃），體積（–33℃，12.6MJ/L）和質量（18.6MJ/kg）能量密度較高，燃燒時無碳排放，且生産(chǎn)和運輸基礎設施完善、相關規範條例明確(què)。因此，綠氨可直接利用，或通過分解爲氫氣再利用，能夠成爲下一代能源載體，實現運輸、工業、建築等領域的脫碳目标。根據國際可再生能源署（IRENA）預測(cè)，氨作爲氫的載體将從(cóng)2030年的100～300萬噸增加到2050年的1.1～1.3億噸。

       化工領域，綠氨可以用於(yú)制備(bèi)各種化工産品，如硝酸、尼龍、聚氨酯、氮肥等，這些産品被廣泛應用於(yú)制藥、塑料、紡織、建築等行業。

       除瞭(le)能源運輸、儲存和化工原料外，氨還可直接用於(yú)高效高溫固體氧化物燃料電池（SOFC）、内燃機或燃氣輪機的發電。氨作爲無碳燃料在使用時因不需要分解成氫氣和後續的純(chún)化過程，因此能夠實現零碳足迹，且直接利用可以提高效率。氨用於(yú)高溫（200℃以上）固體氧化物燃料電(diàn)池，分解反應吸熱有助於(yú)SOFC的降溫，性能與氫燃料電池相似甚至更好。氨也可以用作内燃機和燃氣輪機燃料，實現對碳基燃料（天然氣、汽油、柴油）的替代；與氫相比，具有可操作範圍更寬、功率輸出大的優點(diǎn)。目前，大多數研究都集中在将氨用於(yú)海上運輸的大型内燃機和用於(yú)固定發電的燃氣輪機中。2022年，國際海事組織IMO根據噸位5000噸(dūn)以上的國際貿易用船消耗情況推測(cè)出全球燃油總消費量約2.189億噸(dūn)，按熱值折算，對(duì)應綠氨約5.3億噸(dūn)；同期全球合成氨産(chǎn)量約1.9億噸(dūn)，因而綠氨在遠洋航運場(chǎng)景存在巨大市場(chǎng)。

       氨通過摻(càn)氨或純氨燃燒應用於(yú)發電領域時，作爲燃料，具有高辛烷值、較高含氫量；作爲還原劑，在稍微缺氧的環境下能夠将燃燒産生的NO_x還原爲N₂，減少環境污染。

       當(dāng)前，綠(lǜ)氨的成本爲720～1400美元/噸，預計到2050年将降至310～610美元/噸，降本空間在於(yú)電力成本、設備(bèi)成本及合成氨工藝的成熟度等方面。綠氫成本每降低1元/kg，影響氨成本約176元/噸；電價每降低0.1元/kW·h，綠氨成本可降低約1000元/噸。未來随著(zhe)電價的降低和碳價的影響，綠氨将初步具備(bèi)經濟競争力。

       據統計，我國目前建成、在建和規劃階段的綠氨項目合計規劃産(chǎn)能已達(dá)800萬噸(dūn)，其中内蒙古和吉林爲規(guī)劃涉及主要省份。

3.2 綠色甲醇發展現狀

        我國傳統的甲醇生産(chǎn)原料以煤爲主，包括煤氣化、變(biàn)換、低溫甲醇洗、甲醇合成和純化等過程。我國甲醇行業年碳排量在2億噸以上，綠色轉型成爲迫切需要。綠色可再生甲醇由綠氫和CO₂、生物質、工業廢物、城市廢物等原料生産(chǎn)，分爲生物甲醇和電(diàn)制甲醇。

CO₂＋3H₂→CH₃OH＋H₂O ∆H＝–49.2kJ/mol

       生物甲醇能夠(gòu)實現生物質資源的高效利用，減(jiǎn)少化石燃料的消耗和溫室氣體的排放，技術路線有兩種：生物質氣化路線利用生物質氣化的合成氣體（主要有CO和H₂）經氣體重整合成綠色甲醇，可達(dá)到較高的轉化效率和反應速率；生物沼氣路線利用微生物将生物質厭氧發酵産(chǎn)生沼氣，加水轉化成氫氣與一氧化碳合成甲醇，但沼氣發酵反應過程緩慢且需較大量的土地。另外，綠氫耦合生物質可實現對氫碳比的調節，使碳源得到充分利用。

       電(diàn)制甲醇通過(guò)碳捕集得到的CO₂和可再生能源電(diàn)解水制得的綠氫合成，通常有直接催化加氫和間接加氫兩種方法，催化劑(jì)主要包括：以Cu爲主要活性組分的Cu基催化劑，以Pd基催化劑爲代表的負(fù)載型貴(guì)金屬催化劑，以In₂O₃爲例的具有半導(dǎo)體性質的金屬氧化物。其中，銅基催化劑因其低成本和高效合成而得到廣泛研究。從(cóng)使用鋅—鉻氧化物催化劑的高壓法甲醇合成，到新型Cu–Zn–Al銅基催化劑的中壓合成，反應條件、成本、效率都有極大優化。基於(yú)碳捕集的綠色甲醇合成過(guò)程及應用領域見圖2。

       綠色甲醇的應用十分廣泛，從能源存儲(chǔ)介質，到傳(chuán)統的化工原料，再到燃料的替代品，均展現出巨大的應用潛力。

       甲醇易於(yú)儲存和運輸，建立供應鏈隻需對現有基礎設施進行微小改動。甲醇在室溫、常壓下爲液态，其運輸和儲存比氣态或低溫燃料（如液氫、液化天然氣）更安全、更便宜，能夠有效解決當前氫能儲運技術與标準體系不成熟導緻的應用難題。同時，作爲固碳載體，綠色甲醇具備(bèi)較高的CO₂消納能力，每噸(dūn)綠(lǜ)色甲醇可消納1.375噸CO₂。以化工行業爲例，我國(guó)甲醇産(chǎn)能約有8000萬噸(dūn)/年，若大規模推廣(guǎng)綠色甲醇，可直接消納1.1億噸二氧化碳。

       在化工領域，烯烴、燃料和甲醛是甲醇最主要的三大下遊需求場景，産品廣泛應用於(yú)塗料、建築、汽車、家電等行業。綠色甲醇的推廣應用可以補(bǔ)充當前原料的缺口，有利於(yú)CO₂資源化利用。

       由於(yú)甲醇和氫、氨相比具有更高的能量密度和相對易於(yú)儲(chǔ)存和處理的優勢，與其他碳基燃料相比能夠有效利用CO₂並減少NOx、SOx和顆粒物的排放，被公認是一種較有應用前景的交通替代燃料。在車(chē)用燃料方面，假如國(guó)内三分之一車(chē)輛使用甲醇燃料，就能減少8000萬噸石油進口，使1.32億噸CO₂得到利用。在航運燃料方面，考慮到甲醇和柴油同爲液體燃料，現有的傳統燃料運輸和儲(chǔ)存基礎(chǔ)設施隻需進行些微改造即可将甲醇作爲船用燃料供應。目前，世界各地有100多個(gè)港口可裝卸甲醇，許多港口都擁有運輸和供應甲醇用作船用燃料的基礎(chǔ)設施。McKinlay等人根據2020年數據測算，若要滿足每年5萬(wàn)艘船舶的需求，甲醇年産(chǎn)量需增加859%，随著(zhe)技術成熟和産(chǎn)量增加，綠色甲醇将成爲主力。綠色甲醇在技術上是減少排放的可行選擇，盡管甲醇燃料發動機目前無法取代柴油發動機的主導地位，但相信綠色甲醇在交通運輸領域前景無限。

       綠色甲醇的降本空間在於(yú)電力成本、設備(bèi)成本及CO₂成本等方面。若綠(lǜ)氫(qīng)成本降至10元/kg，綠色甲醇成本可降至約3200元/噸；通過發酵産(chǎn)生的生物沼氣、生物乙醇等碳源相對更爲經濟，但可用性與體量極爲有限。綠色甲醇要實現規模化應用，需選擇生物質燃料碳捕集與封存、直接空氣捕集等技術，雖然這類技術成本更高，制得的綠色甲醇成本也相對較高，但長期來看供碳能力更強、實施更靈活；因此碳捕集技術的發展對於(yú)綠色甲醇的推廣至關重要。當前，綠色甲醇成本爲800～1600美元/噸，随著(zhe)技術的進步和電(diàn)價的降低，預計到2050年将降至250～630美元/噸。

       截止至2024年初，我國(guó)已投産(chǎn)綠色甲醇項目約爲30萬噸(dūn)，建成、在建和規(guī)劃階段的綠色甲醇項目涉及50餘家，産能共計約2200萬噸/年。

4 氫基能源發展前景

       在全球碳減排背景下，具有載氫、固碳、減排等多元功能的綠色氫基能源得到廣泛關(guān)注並(bìng)逐漸成爲實現能源轉型的載體。據國際氫能委員會（The Hydrogen Council）預測，2030年全球将開(kāi)始大規(guī)模使用氫能，2040年氫能将承擔18%的全球終端能源需求量，2050年氫能利用能夠減少20%的全球二氧化碳排放；到2050年，全球對氨的需求預計是2020年的三倍，且大部分來源於(yú)綠氨，綠色甲醇需求量有望達(dá)2.5億噸(dūn)。氫基能源從(cóng)技術、應用、政策等方面均具有廣闊的發展和提升空間。

（1）生産應用工藝改造升級空間大。制備(bèi)技術難題上，綠氫在於(yú)可再生能源電力系統适應風光波動供應的靈活性；綠氨在於(yú)生産的連續性與原料和能源波動性的問題以及下遊的能源應用技術方面（燃燒性能、氮氧污染物的排放、燃料發動機）；綠色甲醇在於(yú)降低碳捕集技術成本。

（2）儲(chǔ)運方式向高效率、低成本方向發展。未來氫基能源規模化發展，管道将成爲長(zhǎng)距離運輸的主要形式、其他運輸方式爲中短距離運輸的主要形式，成熟儲(chǔ)運系統的建立将助力氫基能源的應用推廣。

（3）與新能源耦合模式、下遊消納途徑多樣化。各地發展氫能的熱情高漲，爲避免出現同質化現象，探究光伏治沙＋制氫＋能源化工、熱電氣聯儲(chǔ)聯供等多種耦合模式，有效發揮氫基能源低碳清潔屬性和多元應用潛力，加快交通、電力、建築、工業等領域的相關技術和配套設施研發，共同推動氫基能源全産(chǎn)業鏈的發展。

（4）綠色氫基能源标準認定體系更加明確(què)。未來我國會逐漸建立起符合國情且與國際标準協調統一的綠色氫氨醇标準體系，從而降低貿易壁壘與監管風險；推進綠色價值認證，以碳排放量激勵氫基能源規模化進程、促進全産(chǎn)業鏈成本降低，保證綠色氫基能源高質量發展推廣。