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【干货】一文详解“氨-氢”能源路线

  氢能具有绿色、高效、无碳排放和应用场景范围广等优势,发展氢能于2019年被首次写入《政府工作报告》。2022年3月,国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业高质量发展中长期规划(2021—2035年)》,明确了氢的能源属性,是未来国家能源体系的组成部分,充分的发挥氢能清洁低碳特点,推动交通、工业等用能终端和高耗能、高排放行业绿色低碳转型。同时,明确氢能是战略性新兴起的产业的重点方向,是构建绿色低碳产业体系、打造产业转变发展方式与经济转型的新增长点。

  然而,若要实现氢能产业的大规模应用,面临的挑战主要是低成本高效能的燃料电池技术和安全高效的氢气储运技术。其中氢气储运难和安全性差是制约氢能产业高质量发展的主要“瓶颈”。

  首先,因氢气体积单位体积内的包含的能量低,需35~70 MPa的高压储运,导致氢气的储运成本高;其次,根据我们国家2019年发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》预计,2050年将建成1万座加氢站,按每座加氢站1500万~3000万元的建设成本估算,需投入高达1500亿~3000亿元,基建成本高;再次,2019年在挪威、韩国等国家20天内连续发生的三起因氢气储罐泄露引起的爆炸事故,暴露了氢气易燃易爆、本质安全性弱的缺点。

  因此,要突破氢能产业高质量发展的瓶颈,亟需结合中国能源及产业体系特点,发展成熟、安全、高效的特色储运氢的路线及其配套产业链。

  氨(NH 3 )是关系国计民生的基础化工原料,大范围的使用在化肥、环保、军事、制冷等领域。同时,氨作为高效储氢介质,具有以下显著优势:

  液化储运成本低。氨只需加压至1.0MPa即可以液态形式储运,一辆液氨槽罐车载氨量可达30t(约含5.29t氢),载氢量较长管拖车(载氢量不到400kg)提高1个数量级,因此运氨成本(约0.001元·kg -1 ·km -1 )也较运氢成本(0.02~0.10元·kg -1 ·km -1 )呈数量级降低。

  无碳储能。氨成熟的技术体系、标准规范及低成本合成、存储和运输,可实现季节性、远距离、“无碳化”的“氨-氢”储能。有研究表明,在目前主要研究的几类电制液体燃料技术(液氢、液氨、液化天然气、甲醇、有机液态储氢)中,电制氨的成本最低,效率仅次于其他电制液体燃料技术。

  安全性高。氨的火灾危险性仅为乙类,爆炸极限(16%~25%)较氢(4%~76%)更窄,因此更安全。其刺激性气味是可靠的警报信号。

  众所周知,合成氨已有一百多年发展历史,针对氨的生产、储运及使用已形成了完备的产业链、行业标准及安全准则规范。如若按照5000万吨的年产量(其中80%来自煤制合成氨,20%来自天然气合成氨)来计算,2030年合成氨工业将排放2.7亿吨CO 2 。

  我国是可再次生产的能源装机容量最大的国家,但因光伏、风电和水电等可再次生产的能源存在间歇性、波动性和季节性等缺点,导致存在大量“弃风、弃光和弃水”(简称“三弃”)现象。据国家能源局统计,我国2018年全年“三弃”电量高达1.023 × 10 11 kW·h,尤其大多分布在在西北、华北、西南等地区。探索和发展可再次生产的能源光解/电解水制氢耦合合成氨技术,可实现可再次生产的能源电力的“消纳和调峰”,实现低成本、跨地域长距离存储运输,并与丰富的氨下游产业相结合。

  如果采用氨分解制氢现场为加氢站供氢,可将加氢站的加氢成本降至35元·kg -1 以下;

  若开发耦合“氨制氢-燃料电池”的间接氨燃料电池技术,实现用户终端“氨变电”(NH 3 -to-power),发电成本约为1元·(kW·h) -1 或乘用车燃料成本约为25元·(100 km) -1 ,并使现有氢燃料电池系统的续航能力提升近1倍;

  若采用氨作为车用燃料加注,加油站仅需稍加改造即可用于加氨,预计加氨站的改建成本较加氢站的建设成本可降低1个数量级。依照2050年中国建成1万座加氢站的目标,可节约近千亿元的基础设施建设投资。

  因此,发展氨为储氢介质,可贯通可再次生产的能源、氢能和传统产业,开发出一条符合我国能源结构特点的“清洁高效氨合成→安全低成本储运氨→无碳高效‘氨-氢’利用”的全链条“氨-氢”绿色循环经济路线),对保障国家能源环保安全和社会经济可持续发展具备极其重大意义。

  据上述分析,氨作为理想的储氢介质有望解决氢能产业高质量发展存在的储运成本高、单位体积内的包含的能量低和本质安全性弱等挑战性难题。国际上已陆续启动氨能源示范项目,如美国能源部的REFUEL (Renewable Energy to Fuels Through Utilization of Energy-Dense Liquids)计划、欧洲西门子公司及日本JGC公司针对“可再次生产的能源—氨—电”的示范项目等。

  发展以氨作为清洁高效的新能源,既实现了传统合成氨工业的节能减排,又贯通了可再次生产的能源和新能源产业,具有巨大的应用前景。在德国H2Ber氢能示范项目的启发下,图2描绘了“氨-氢”能源绿色循环经济路线未来的应用场景。

  “绿氨”的生产和应用成本主要受可再次生产的能源电价的影响。预计到2035年,“绿氨”的生产和应用成本为1700元·t -1 ,氨燃料电池的发电成本为1.0元·(kW·h) -1 ;到2060年,“绿氨”的生产和应用成本可进一步降至800元·t -1 ,“氨变电”成本降至0.5元·(kW·h)-1以下。为实现“氨-氢”能源循环经济路线,仍需解决如下技术挑战:

  技术挑战一——高性能低温低压合成氨和安全低温氨分解催化剂及反应器技术,以及面向直接氨燃料电池的新型高性能、高稳定性氨氧化(AOR)电催化剂及膜电极技术;

  技术挑战二——间歇性可再次生产的能源制氢-低温低压合成氨系统的动态集成匹配、设计优化及管控技术;

  技术挑战三——安全低温氨现场制氢系统和氨燃料电池系统的高效集成、紧凑化设计及智能协同控制技术。

  2022年,在双碳大背景下,伴随绿氢“风起”,绿氢合成绿氨也被化工企业看重,成为其减碳降碳的重要方式之一。其中,据全球氢能观察,中国天楹、吉电股份、远景科技集团、明拓集团、国家能源集团、国家电投、盈德气体、中国氢能、京能集团等企业竞相布局绿氢绿氨项目。

  9月,中国天楹股份有限公司(简称“中国天楹”)与通辽市人民政府、中国投资协会签署战略合作框架协议。三方将共同打造通辽千万千瓦级风光储氢氨一体化零碳产业园项目,总投资达600亿元,建成后将年产5万吨绿氢、30万吨绿氨等。

  同时,三方还将共同打造零碳产业装备制造中心,重点打造绿氢、绿氨等领域北方零碳装备制造业中心,总投资100亿元;此外,协议中还表示将共同发起成立通辽零碳产业母基金和子基金群,发起成立绿氢研究院、绿氨研究院等。

  9月,吉林电力股份有限公司(简称:吉电股份)发布了重要的公告称,大安风光制绿氢合成氨一体化示范项目已获得核准(备案)。依据公告内容,大安风光制绿氢合成氨一体化示范项目总投资为63.32亿元,规划建设700兆瓦风电项目、100兆瓦光伏项目、配套建设40兆瓦/80兆瓦时储能装置,同时还将新建制氢、储氢及18万吨合成氨装置。

  而在今年1月,吉电股份与伊藤忠(中国)集团有限公司就加强氢能产业链方面合作展开深入交流,明确希望双方加强氢能全产业链、碳中和等方面的深度合作交流,推动项目早日落地,促进绿氢、绿氨、绿醇生产耦合联动。

  京能集团由原北京国际电力开发投资公司和原北京市综合投资公司合并而成,经过多年的资源整合,由单一能源产业高质量发展为热力、电力、煤炭、健康文旅等多业态产业格局。

  今年8月,京能集团与内蒙古锡林郭勒盟多伦县人民政府签署了风光储氢制绿氨项目合作开发框架协议。依据协议,双方将合力推进风光储氢制绿氨项目实施进程,利用锡林郭勒盟南部区域可再次生产的能源资源生产绿电并电解制绿氢,绿氢转化为绿氨后供应国内外市场。项目建成后,预计电解制氢规模日产300吨,年产绿氨规模达60万吨。

  8月22日,近日,武汉众宇动力与中国能源建设集团联合投资打造的兰州新区氢能产业园项目正式开工。

  该项目规划建设“一基地三中心”功能的综合型氢能园区,包括绿氢供应基地、氢能示范应用中心、氢能装备制造中心和氢能研究中心。项目规划面积2.83平方公里,总投资150亿元,项目一期总投资30亿元,主要建设年产2万吨制氢能力和10万标方储氢能力的绿氢供应基地,以年产6万吨绿氨和氢能交通应用为核心的示范应用中心,以年产3000套氢燃料电池系统为核心的氢能装备制造中心,同时建设氢能研发创新中心、检测中心和人才培训中心。

  盈德气体是一家致力于中国工业发展的大型专业气体公司,专注于现场供气、清洁能源、零售、工程与制造、氢能、稀特气体业务,以现场管道供气、液体零售、瓶装气等方式,供应氧、氮、氩、氢等高品质工业气体产品,并提供基于氢气及一氧化碳的合成气清洁能源解决方案。

  中国氢能有限公司是未来能源控股有限公司的全资控股子公司,致力于氢能研究与应用,拥有氢能全产业链相关资源与技术。

  今年7月,盈德气体集团与中国氢能有限公司签署合作协议,就在鄂尔多斯市达拉特旗投资建设绿氢、绿氨项目达成合作。此次签约项目以绿氢、绿电制取绿氮为主要的组成原材料,经过低温低压制合成氨工艺,生产纯度为99.9%的绿色合成氨,年产能包括0.93万吨绿氢和5万吨绿氨。

  6月22日,国家电投智慧能源(国核电力院)牵头总承包的达茂旗风光制氢与绿色灵活化工一体化项目开工。项目位于内蒙古自治区包头市达尔罕茂明安联合旗,最重要的包含200兆瓦风电、200兆瓦光伏,预计年发电量12.5亿千瓦时;采用风光电解制氢,年制氢1.78万吨;再以氢气和氮气为原料合成液氨产品,年产10万吨。

  国家能源集团是由中国国电集团公司和神华集团有限责任公司联合重组而成的中央骨干能源企业,拥有煤炭、电力、运输、化工等全产业链业务,产业分布在全国31个省区市以及美国、加拿大等10多个国家和地区,是全球规模最大的煤炭生产公司、火力发电公司、风力发电公司和煤制油煤化工公司。

  4月7日,国际氢能冶金化工产业示范区新能源制氢联产无碳燃料项目签约仪式在内蒙古包头九原工业园区举行。明拓集团有限公司、华陆公司以及水木明拓(包头)公司进行此次合作。项目内容围绕以绿氢、空气捕捉的氮为原料,建设中国首台套氢电催化合成技术的120万吨绿氨化工项目,推动形成绿色低碳化工产业链,实现冶金化工产业的全面碳中和。

  远景科技集团是一家全球领先的绿色科技公司,由旗下智能风电和储能技术公司远景能源、动力电池企业远景动力、智能物联网企业远景智能三大主体业务板块组成,共同构建能源转型整体解决方案,成为全世界企业、政府与机构的“零碳技术伙伴”。

  今年3月28日,赤峰市人民政府与远景科技集团举行战略合作协议签约仪式,依据协议,远景科技集团将在赤峰市建设风光制绿氢绿氨一体化示范项目,总投资约为400亿元,预计2028年前建成投产。其中,该项目规划年产152万吨零碳工业气体产品,一期项目将于两年内投产,成为全世界首个零碳氢氨项目。

  同时,该项目建成后,将为赤峰经济技术开发区区内工业生产提供零碳氨、氢、氧、氮等工业气体产品,削减园区碳排放量,依托零碳工业气体产品的优点及先进贮能型空分工艺,将元宝山化工园区打造成零碳化工园区。

  报告嘉宾:山秀丽,全国工程勘测考察设计大师,华陆工程科技有限责任公司首席专家

  报告嘉宾:盛宇星,中科院过程工程研究所、北京赛科康仑环保科技有限公司副研究员

  1、11月8日全天报到,“伊吾会场”参会代表安排接站晚宿伊吾县,“哈密市区会场”参会代表大巴接至哈密宾馆。

  (1)当天上午:“伊吾县会场”会议代表参观调研伊吾县伊吾工业园区,并在园区召开专题座谈会,午饭后返回伊吾县城。

  (2)当天上午同期:“哈密市区会场”召开“投融资和技术装备交流对接会”。

  (3)下午:16:00 开幕式及院士报告会(伊吾县为线下会场,哈密会场同步直播)① 领导致辞; ② 院士专家主旨报告 ; ③“高端对话”,主要领导+院士+知名专家(主题为:碳达峰、碳中和形势下的哈密市现代煤化工产业高质量发展); ④ 招商推介及签约仪式;

  3、11月10日全天会议(哈密会场为线日,哈密会场参会人员赴伊吾县伊吾工业园区调研考察,晚宿伊吾县或淖毛湖镇,参观代表性煤炭深加工园区和典型企业,参观典型新能源企业。

  哈密集丰富的煤炭、油气、风能、光能等能源资源于一地,能源富集且多样化,是全疆乃至全国传统能源(煤炭)与可再次生产的能源(风、光)组合开发条件最为优越的地区之一。

  据了解,哈密市煤炭预测资源量5708亿吨,占全国预测资源量的12.5%,占新疆预测资源量的31.7%,居全疆第一位,具有低灰、低硫、低磷、高热值、高含油率、高挥发分“三低三高”特点,特别是三塘湖、淖毛湖矿区已探明的煤炭资源中大部分为高含油煤,各煤层煤焦油产率平均达10%以上,最高接近20%,是全国乃至全世界罕有的富油煤种,风能、太阳能资源是全疆最好的地区。油气资源储量大,已探明的6个含油区块石油总资源量5.7亿吨,煤层气预测资源量约1.63万亿立方米,页岩气预测资源量约2770亿立方米、油页岩资源预测资源量约41亿吨,被自然资源部确认为亿吨级油田。哈密是全国风资源和光资源最好的地区之一,有全疆九大风区中的三塘湖—淖毛湖风区、十三间房风区及东南部风区,哈密市70米高度风功率密度等级≥每平方米200瓦、≥每平方米250瓦、≥每平方米300瓦和≥每平方米400瓦的技术开发量分别为3.03亿千瓦、2.44亿千瓦、1.9524亿千瓦和1.3亿千瓦;太阳能资源理论蕴藏量22.6万亿千瓦时,资源可开发量达49.38亿千瓦,技术可开发量达32.09亿千瓦,被国家确定为以千万千瓦级风电、百万千瓦级光伏发电示范基地为主的国家级综合能源基地。哈密辖区内新能源建设区域多为荒漠、戈壁地貌,地势平坦,适合大规模基地式集中连片开发建设,具备建设荒漠、戈壁大型风光电基地的土地资源优势。在“碳达峰、碳中和”战略引领下,哈密能源产业高质量发展迎来了历史性机遇。

  伊吾县位于新疆东北部,天山北麓东段,总面积19519平方千米,户籍人口21218人,有汉族、尔族、哈萨克族等17个民族。下辖4乡3镇1个牧民搬迁开发区、1个自治区级工业园区。辖区内有兵团淖毛湖农场、边防连等十余家驻地单位和部队。先后被国家、自治区评为“全国民族团结进步创建活动示范县”“国家卫生县城”“国家级园林县城”“自治区级优秀平安县”“自治区级生态文明建设示范县”“自治区文明县”等称号。

  伊吾县矿产资源十分丰富,现已探明矿产资源有煤、铁、铜、金、煤、石油、芒硝、花岗岩等28种四十余处矿产地,开发利用的有石油、铁、煤、金等。风、光能资源十分丰富,伊吾淖毛湖风区90米高度平均风速7.41m/s-8.49m/s,风功率密度在741-1196瓦/平方米,是新疆风资源最好的地区。光伏规划区年均日照大于6h的天数在300天左右,全年日照时数为3300至3500小时,年平均太阳总辐射量为6214.66兆焦/平方米,是全国太阳能资源最为优越的地区之一,开发利用潜力大。其中,煤炭资源储量大、品种多、易开采,具有低硫、低磷、低灰粉、高发热量“三低一高”的特点,焦油产率在10%以上,最高可达16.3%,是全国乃至全世界罕有的富油煤种,是煤炭深加工项目的理想原料。已探明煤炭资源储量241.5亿吨,矿区总规修编后,矿井田由6个增加至15个,煤炭规划产能由2900万吨/年提高到1.43亿吨/年,目前已建成煤矿企业2家。

  伊吾工业园区规划面积20平方公里,于2016年建成自治区级园区,已建成面积21.23平方公里,2018、2019、2020年度连续三年在全疆开发区土地集约利用评价中名列第一,是哈密现代能源与化工产业示范区发展的重要支撑和承载平台,实行以煤炭清洁高效利用为主的淖毛湖煤化工循环经济产业区、白石湖煤炭高效综合利用产业区和以有机农副产品深加工为重点的盐池特色农产品产业区,“一园三区”发展格局。近年来,围绕煤炭分级分质利用和煤制甲醇两条产业链,不断延伸产业链条。煤炭分质利用已建成1930万吨/年,在建3100万吨/年;焦油加氢已建成110万吨/年,年可产汽柴油100余万吨,在建100万吨/年;利用富产的荒煤气建成制乙二醇40万吨/年、发电4×5万千瓦机组及2×13.5万千瓦机组等项目,规划建设荒煤气制乙二醇、甲醇、甲缩醛、发电等产业延长项目。煤制甲醇产业链中,已建成甲醇120万吨/年、甲缩醛15万吨/年、多聚甲醛4万吨/年、乌洛托品2万吨/年、聚丙烯20万吨/年项目;“十四五”规划建设300万吨/年二氧化碳捕集及驱油示范项目、年产50万吨聚乙醇酸项目、风光互补联合制氢捕集二氧化碳合成绿色高值化学品项目、百万千瓦风光多能互补绿色低碳高值煤基化学品新材料项目、400万吨/年煤油共炼项目,发展甲醇制聚烯烃、MMA等产业延长精细化工项目。返回搜狐,查看更多

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