气候技术值得关注：绿色氨（英）

Climate-Tech看:绿色氨 汉娜尔斯|2023年4月 绿氨最近引起了很多关注。该技术很有前途，但成本很高如果要减少，示范，基础设施和市场增长仍然是必要的意识到它的潜力。 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变革性技术。绿色氨有望在 重工业和农业系统转型以及低碳能源母舰。 目前的氨产量占全球一氧化碳的1.8%。2排放。从水电解和可再生中生产制造氨所需的氢气 能源（例如，绿色氨）是显着减少碳排放的途径。 全球绿色氨产业仍处于早期阶段，只有少数试点项目在运营中，却引起了业内人士的关注和 世界各地的政府。 降低成本，提高效率，扩大生产规模 扩展管道基础设施对于新应用和增加的管道基础设施至关重要需求的设想。 美国能源部应允许在现有的氨生产中使用绿色氢支持示范规模项目以及催化、反应器的研发工作 设计和分离，以进一步降低成本。公共资金用于示范新的最终用途将有助于为绿色氨创造市场。 itif.org 它是什么? 氨是一种广泛用于生产肥料的无色气体，已成为强烈关注的主题由于其作为能源载体和零碳燃料的承诺而引起的兴趣。生产氨是能源密集型，通常涉及化石衍生的氢和氮的反应 从大气中获得。大多数相关的碳排放来自使用天然气作为氢前体的原料。或者，从 其中可再生电力是能源（例如，绿色氨）的水电解是一种大幅减少氨生产碳排放的途径。1 为什么它很重要？绿色氨作为跨领域气候解决方案 过渡到一个零二氧化碳(有限公司2)全球能源系统需要的国家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。绿色氨被设想在破碎中发挥多种作用能源使用和公司之间的依赖关系2排放(例如,脱碳)重 工业和农业系统以及低碳能源载体。2 目前全球氨产量，主要用作生产肥料的原料，大致为：每年1.94亿吨，占全球一氧化碳的1.8%2排放。3广泛的因此，采用绿色氨可以显着减少农业的碳足迹。一个 最近的研究估计，使用绿色氨作为肥料，热量和燃料可以减少玉米和其他小谷物作物的化石能源消耗减少了90%。4 除农业外，绿色氨还为其他产品提供了额外的脱碳选择 行业。它具有高能量密度，并且与氢气不同，不需要储存在极低的温度或高压，使其更易于运输。5这些属性 尤其与海事部门相关，该部门约占全球的3%。排放。6国际能源署（IEA）将氨视为 航运脱碳，到2050年可能解决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。这是一个非常适合运输氢气，也可以用作长期储存 中等，在可再生能源发电量低时提供电力。在这种情况下，变量 可再生能源（例如风能，太阳能）可用于制造氢气，然后制造氨，从而可以存储。每当需要使用能量时，氨都可以重新转化为提供 那种能量。而且，由于跨季节储存电力的成本很高，氨可以减少在这方面的成本。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，虽然它本身不是温室气体，但氨泄漏可以与其他气体相互作用空气中的化学物质形成细颗粒物，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），尽管存在技术可以减少这些排放。10图1说明了景观的氨气 生成和使用。 全球进展 全球绿色氨产业仍处于早期阶段，但已引起 世界各地的行业参与者和政府，试点工厂已经在运行，包括英国和日本由风能驱动的公司。几家公司也 有商业规模的工厂正在开发中。挪威化学公司雅苒正在建造一个在澳大利亚工厂每年生产3，500吨绿色氨。最大的项目 迄今为止宣布是在沙特阿拉伯。一旦在2025年完成，它将提供120万吨每年格林氨。11 与此同时，许多公司和政府正在支持对新应用的研究。绿色氨。三菱正在开发直接燃烧氨的涡轮机，日本有 资助了一个项目，到2024年改造船舶以使用氨运行。领先的海上发动机制造商MAN和瓦锡兰都宣布了生产内燃机的计划 到2024年可以使用氨运行的发动机。12 在美国发展 绿色氨目前仅在美国以中试规模生产，但做出了重大努力正在实现商业化。能源部（DOE）发挥了 在资助早期研究、开发和示范（RD&D）方面发挥重要作用绿色氨生产项目。通过高级研究计划局-能源 （阿帕-E）加油计划，美国能源部已资助组件技术和试点系统氨作为碳中和液体燃料的生产和使用。在加油计划之后，ARPA-E向三角研究所额外拨款1000万美元，以证明 生产和使用可再生的氨。13此外,能源部办公室基本的能源科学界资助了六个基础研究项目，以帮助现有氨脱碳 市场。14 全球最大的氨生产商CFIndustries宣布计划建造绿色氨 2020年在路易斯安那州工厂。一旦它每年将生产20，000吨绿色氨于2023年开始运营。15 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氨的支持的帮助。碳氢生产。两党基础设施法拨款95亿美元用于 支持不断增长的清洁氢市场，2022年《降低通货膨胀法案》提供进一步的激励措施，包括生产税收抵免。16 尽管最近采取了激励措施，但绿色氨仍然面临重大障碍，成为 具有竞争力，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，绿色氨必须满足成本化石燃料，从每吨121美元到375美元不等。17 要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相比具有经济竞争力，包括 重质燃料油（HFO）和船用柴油（MGO）。绿色氨也必须与之竞争其他低碳生物柴油等替代。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 使用氨发电或储能带来了额外的经济和 技术考虑。其中一个因素是往返效率，它衡量效率将可再生能源转化为氨，储存和运输氨，然后 将氨转化回电能。绿氨的端到端效率只有 在11%到19%之间，这意味着产生的功率将在5到9倍之间比用于生产氨的原始电力更昂贵。氨的建模- 日本的火力发电发现，用氨发电的成本大约是其两倍由于可再生能源的往返效率低。虽然效率可能会提高，绿色氨不太可能成为有竞争力的能源。20 降低成本、提高效率、扩大生产规模、扩大规模 管道基础设施对于新应用和预期增加的需求至关重要。 美国能源部通过资助研发加速，在克服这些障碍方面发挥着重要作用创新。研究新催化剂、反应器设计和分离策略等领域 可以提高氨生产的效率并降低成本。ARPA-E资助了几个 通过3600万美元的REFUEL计划与低碳氨相关的研发项目。公共 还需要研发资金来解决与以下方面相关的环境和安全挑战：氨燃烧，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项目来研究氨在燃气轮机中的使用。22类似地, 国际海事组织正在努力制定安全使用氨的准则船用燃料,这将有助于扩大需求。23 期待 绿氨最近引起了很多关注。该技术很有前途，但成本很高如果要减少，示范，基础设施和市场增长仍然是必要的发挥其潜力。除了降低成本外，还需要政府研发来支持努力消除往返效率低等技术障碍。 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，因为发人深省的现实是，气候变化造成的有增无减化石燃料的燃烧将继续，直到清洁系统的价格与传统系统相匹配和性能。但好消息是，有很多机会可以做 如果创新政策有助于私营部门释放它们。 在本系列简报中，ITIF的清洁能源创新中心概述了 有前途的气候技术，突出了在这些技术上取得的进展，仍然是什么需要做，美国可以做些什么来使他们成熟，以便他们能够 助力向净零排放过渡。 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。以前博伊尔斯是韦尔登库珀中心和ROMAC实验室的研究助理。 弗吉尼亚州夏洛茨维尔，并曾在美国能源协会实习。博伊尔斯持有弗吉尼亚大学航空航天工程理学学士学位。 关于ITIF 信息技术和创新基金会（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。它的使命是制定， 评估并推广加速创新和提高生产力以刺激的政策解决方案成长、机遇和进步。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/AmmoniaTechnologyRoadmap.pdf。 3所示。“氨水”(英国皇家学会)。 4.尼古拉·琼斯，“从肥料到燃料：'绿色'氨可以解决气候问题吗？耶鲁360，一月 20，2022https://e360.yale.edu/features/from-fertilizer-to-fuel-can-green-ammonia-be-a-climate-fix. 5.MariaGallucci，“为什么航运业对氨下了大赌注”，SpectrumIEEE，二月 23，2021，https://spectrum.ieee.org/why-the-shipping-industry-is-betting-big-on-ammonia. 6。同前。 7.国际能源署，《到2050年实现净零排放全球能源部门路线图》（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。IEA,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.尼克·阿什和蒂姆·斯卡布罗，“在太阳能上航行能否使绿色氨脱碳国际航运？（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以破坏氮循环，“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。IEA,氨技术路线图。 13.三角研究所（RTI），“RTI国际从美国国务院获得1000万美元 能源公司的ARPA-E将展示可再生氨的生产和使用，“新闻稿，5月6日， 2021，https://www.rti.org/news/rti-international-awarded-funding-us-department-energy;“可再生通过利用能量密集液体转化为燃料，“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