值得关注的气候技术：绿色氨

Climate-Tech看:绿色氨 汉娜尔|2023年4月 绿氨最近引起了很多关注。这项技术很有前途，但如果要实现其潜力，仍然需要降低成本、演示、基础设施和市场增长。 关键的外卖 过渡到零有限公司2全球能源系统将要求各国部署一系列转型技术。绿色氨有望在重工业和农业系统的转型中发挥作用，并成为低碳能源载体。 目前的氨产量占全球一氧化碳的1.8%。2排放。从水电解和可再生能源（例如绿色氨）中生产制造氨所需的氢气是显着减少碳排放的途径。 全球绿色氨行业仍处于早期阶段，只有少数试点项目在运行，但它已经吸引了全球行业参与者和政府的关注。 降低成本、提高效率、扩大生产规模和扩大管道基础设施对于新应用和预期的需求增加至关重要。 美国能源部应通过支持示范规模项目以及催化、反应器设计和分离方面的研发工作，在现有的氨生产中使用绿色氢气，以进一步降低成本。为新最终用途的示范提供公共资金将有助于为绿色氨创造一个市场 。 itif.org 它是什么? 氨是一种广泛用于生产肥料的无色气体，由于其作为能源载体和零碳燃料的承诺，已成为人们强烈关注的主题。 生产氨是能源密集型的，通常涉及从大气中获得的化石衍生的氢和氮的反应。大部分相关的碳排放来自使用天然气作为氢前体的原料。或者，从水电解中生产氢气，其中可再生电力是能源（例如，绿色氨）是显着减少氨生产碳排放的途径。 为什么它很重要？绿色氨作为跨领域的气候解决方案 过渡到一个零二氧化碳(有限公司2全球能源系统将要求各国部署广泛的变革性低碳技术，以改变能源状况 生成、传输和使用。绿色氨有望在打破能源使用和一氧化碳之间的依赖性方面发挥多种作用2重工业和农业系统的排放（例如脱碳）以及作为低碳能源载体2。 目前全球氨产量，主要用作生产肥料的原料，每年约为1.94亿吨，占全球二氧化碳的1.8%。23因此，广泛采用绿色氨可以显著减少农业的碳足迹。最近的一项研究估计，使用绿色氨作为肥料、热量和燃料可以将玉米和其他小谷物作物的化石能源消耗减少90%4。 除农业外，绿色氨还为其他行业提供了额外的脱碳选择。它具有高能量密度，与氢气不同，它不需要在极低的温度或高压下储存，使其更易于运输.5这些特性在海事部门尤其重要，该部门约占全球排放量的3%.6国际能源署（IEA）将氨视为航运脱碳的重要解决方案，到2050年，可能满足45%的能源需求7 绿色氨也可能作为电力部门的能量载体发挥重要作用。它是运输氢气的良好候选者，也可以用作长期存储介质，在可再生能源发电量低时提供电力。在这种情况下，可变的可再生能源（例如风能，太阳能）可用于制造氢气，然后制造可以储存的氨。每当需要使用能量时，氨都可以重新转换以提供该能量。而且，由于跨季节储存电力的成本很高，氨可以降低该地区的成本8。 图1：绿色氨在未来能源系统中的作用 然而，扩大全球氨产量确实伴随着风险。氨是有毒的，虽然它本身不是温室气体，但氨泄漏可以与其他空气中的化学物质相互作用，形成细颗粒物，最终影响空气质量.9此外，燃烧氨而不是化石燃料会产生氮氧化物（NOx） ，尽管现有技术可以最大限度地减少这些排放.10图1说明了氨的产生和使用情况。 全球进展 全球绿色氨行业仍处于早期阶段，但它已经吸引了世界各地行业参与者和政府的关注，试点工厂已经在运营，包 括英国和日本的风能发电厂。一些公司也在开发商业规模的工厂。挪威化学公司雅苒（Yara）正在澳大利亚建造一座工厂，每年生产3，500吨绿色氨。迄今为止宣布的最大项目是在沙特阿拉伯。一旦在2025年完工，它将每年提供120万吨绿氨11。 与此同时，许多公司和政府正在支持对绿色氨新应用的研究。三菱正在开发直接燃烧氨的涡轮机，日本已经资助了一个项目，到2024年改造船舶以使用氨运行。领先的船用发动机制造商MAN和瓦锡兰都宣布计划到2024年将可以使用氨运行的内燃机商业化。 在美国发展 绿色氨目前仅在美国以试点规模生产，但为实现商业化正在做出重大努力。能源部（DOE）在资助生产绿色氨的 早期研究，开发和示范（RD&D）项目方面发挥了重要作用。通过能源高级研究计划局（ARPA-E）加油计划，美国能源部资助了生产和使用氨作为碳中和液体燃料的组件技术和试点系统。在REFUEL计划之后，ARPA-E向三角研究所额外拨款1000万美元，以展示可再生氨的生产和使用.13此外，美国能源部基础能源科学办公室还资助了六个基础研究项目，以帮助现有氨市场脱碳.14 全球最大的氨生产商CFIndustries宣布计划于2020年在路易斯安那州建造一座绿色氨工厂。2023年投产后，每年将生产2万吨绿氨。 关键政策问题：创新以解决成本和规模问题。 工业界大规模生产绿色氨的努力得到了联邦政府对低碳制氢的支持。两党基础设施法拨款95亿美元支持不断增 长的清洁氢市场，《2022年降低通胀法案》提供了进一步的激励措施，包括生产税收抵免16。 尽管最近采取了激励措施，但绿色氨在提高竞争力方面仍面临重大障碍，尤其是在航运等新的最终用途中。以目前的成本计算-大约794美元到 每吨1，543美元——绿色氨不太可能在全球化肥市场上具有竞争力，或者 其他领域的解决方案。对于现有应用，绿色氨必须满足化石燃料的成本，从每吨121美元到375美元不等。 为了使绿色氨成为可行的低碳航运燃料，它需要与目前用于航运的化石燃料（包括重质燃料油（HFO）和船用柴油（MGO））具有经济竞争力。绿色氨还必须与生物柴油等其他低碳替代品竞争18。 图2：运输燃料的比较成本范围，每千兆焦耳19 液化天然气 重油 海洋气油 生物柴油 绿色的氨 $0$10$20$30$40$50$60$70 使用氨发电或储能引入了额外的经济和技术考虑因素。其中一个因素是往返效率，它衡量将可再生能源转化为氨 ，储存和运输氨，然后将氨转化为电能的效率。绿氨的端到端效率仅为11%至19%，这意味着由此产生的电力将比用于生产氨的原始电力贵五到九倍。日本对氨发电的建模发现，由于往返效率低，用氨发电的成本大约是可再生能源的两倍。虽然效率可能会提高，但绿色氨不太可能成为有竞争力的电源.20 降低成本、提高效率、扩大生产规模和扩大管道基础设施对于新应用和预期的需求增加至关重要。美国能源部通过资助研发加速创新，在克服这些障碍方面发挥着重要作用。对新催化剂、反应器设计和分离策略等领域的研究可以提高氨生产效率并降低成本。ARPA-E通过3600万美元的REFUEL计划资助了几个与低碳氨相关的研发项目。公共 还需要研发资金来解决与氨燃烧相关的环境和安全挑战，包括开发和测试减少氮氧化物排放的方法。21 支持最终用户对绿色氨需求的政策也至关重要。例如，美国能源部最近资助了两个研究燃气轮机中使用氨的项目 .22同样，国际海事组织正在努力制定安全使用氨作为船用燃料的准则，这将有助于扩大需求.23 期待 绿氨最近引起了很多关注。这项技术很有前途，但如果要实现其潜力，仍然需要降低成本、演示、基础设施和 市场增长。除了降低成本外，还需要政府研发来支持消除技术障碍的努力，例如往返效率低。 确认 作者要感谢EdRightor和RobinGaster对本报告的帮助。 关于这个系列 使能源清洁、负担得起和可靠的创新应该是气候和能源政策的核心目标，因为发人深省的现实是，由化石燃料的不 减排燃烧引起的气候变化将继续下去，直到清洁系统在价格和性能上与传统系统相匹配。但好消息是，如果创新政策帮助私营部门释放这些机会，那么实现这一目标的机会就有很多。 在本系列简报中，ITIF清洁能源创新中心概述了有前途的气候技术，强调了在这些技术方面取得的进展，还需要做什么，以及美国可以做些什么来使它们成熟，以便它们能够为向净零排放的过渡做出贡献。 关于作者 汉娜·博伊尔斯（HannahBoyles）是ITIF清洁能源创新中心的研究助理。此前，博伊尔斯曾在弗吉尼亚州夏洛茨维尔 的韦尔登库珀中心和ROMAC实验室担任研究助理，并曾在美国能源协会实习。博伊尔斯拥有弗吉尼亚大学航空航天工程理学学士学位。 关于ITIF 信息技术与创新基金会（ITIF）是一个独立的501（c）（3）非营利、无党派的研究和教育机构，多次被公认为 世界领先的科技政策智库。其使命是制定、评估和促进政策解决方案，以加速创新和提高生产力，以刺激增长、机会和进步。有关更多信息，请访问itif.org/about。 尾注 1.“氨：零碳肥料、燃料和能源储存”（英国皇家学会，2020年2月），https://royalsociety.org/- /media/policy/projects/green-ammonia/green-ammonia-policy-briefing.pdf。 2.国际能源署(IEA),氨技术路线图迈向更可持续的氮肥生产（国际能源署，2021年10月）， https://iea.blob.core.windows.net/assets/6ee41bb9-8e81-4b64-8701-2acc064ff6e4/氨技术路线图.pdf。 3.“氨水”(英国皇家学会)。 4.尼古拉·琼斯，“从肥料到燃料：'绿色'氨能成为气候解决方案吗？Yale360,一月20，2022https://e360.yale.edu/features/from-fertilizer-to-fuel-can-green-ammonia-be-a-climate-fix. 5.MariaGallucci，“为什么航运业在氨上押注很大，”光谱IEEE,2021年2月23日，https://spectrum.ieee.org/why-the-shipping-industry-is-betting-big-on-ammonia。 6.同前。 7.国际能源机构,到2050年实现净零排放全球能源行业路线图（国际能源署，2021年5月），https://iea.blob.core.windows.net/assets/deebef5d-0c34-4539-9d0c-10b13d840027/NetZeroby2050-ARoadmapfortheGlobalEnergySector_CORR.pdf。 8.国际能源机构,氨技术路线图。 9.乔纳森·刘易斯，“无碳燃料”（清洁空气工作组（CATF），2018年12月），https://www.catf.us/wp-content/uploads/2018/12/Fuels_Without_Carbon.pdf。 10.NickAsh和TimScarbrough，“在太阳能上航行绿色氨可以使国际航运脱碳吗？”（环境保护基金（EDF），2019年5月），https://www.edfeurope.org/news/2019/02/05/shipping-can-reduce-climate-pollution-and-draw-投资发展中国家;PaulWolfram等人，“使用氨作为运输燃料可能会破坏氮循环，”自然能源（2022年10月），1112–1114，https://doi.org/10.1038/s41560-022-01124-4。 11.琼斯,“从肥料燃料。” 12.国际能源机构,氨技术路线图。 13.三角研究所（RTI），“RTI国际从美国能源部的ARPA-E获得1000万美元，用于演示可再生氨的生产和使用”，新闻稿，2021年5月6日，https://www.rti.org/news/rti-international-awarded-funding-us-department-energy;“通过利用能量密集液体将可再生能源转化为燃料”，ARPA-e，2023年2月16日访问，https://arpa-e.energy.gov/technologies/programs/refuel。 14.特雷弗·布朗，“美国能源部资助可持续氨合成研究，”氨能源协会