明尼苏达州分布式绿氨路线图

明尼苏达州分布式绿氨路线图 报告/2024年6月 作者和致谢 Authors QuailanHomannTJKirk AntonKrimerSheranMunasingheElinaRodriguezJoaquinRosas 作者按字母顺序列出。除非另有说明，否则所有作者均来自RMI。 联系人 TJKirk,tkirk@rmi.org AntonKrimer,anton.krimer@rmi.org 版权和引文 TJKirk，AntonKrimer，SheranMunasinghe，ElinaRodriguez，JoaquinRosas和QuailanHomann，明尼苏达州分布式绿色氨路线图，RMI，2024，https://rmi.org/roadmap-for-distributed-green-氨在明尼苏达州/. RMI重视协作，旨在通过分享知识和见解来加速能源转型。因此，我们允许感兴趣的各方通过CreativeCommonsCCBY-SA4.0许可证来参考、分享和引用我们的工作。https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/. 除非另有说明，否则所有图像均来自iStock.com。 Acknowledgments 我们要感谢氨利益相关者工作组的成员对本报告的宝贵反馈和贡献。贡献者包括农业利用研究所，Ammobia，AmmPower，Power-to-XAnalyticsLLC，TalusRenewables和明尼苏达州商务部。 我们还感谢NatalieJanzow，KyleClark-Sutton，PatrickMolloy，OleksiyTatarenko和其他合作者在整个项目中提供了宝贵的贡献和反馈。 这项研究是在突破能源的支持下进行的。结果反映了作者的观点，而不一定是支持组织的观点。 关于RMI RMI是一家独立的非营利组织，成立于1982年，名为落基ft研究所，通过市场驱动的解决方案改造全球能源系统，以适应1.5°C的未来，并为所有人确保清洁，繁荣，零碳的未来。我们在世界上最关键的地区开展工作，并与企业、政策制定者、社区和非政府组织合作，确定和扩大能源系统干预措施，到2030年将气候污染减少至少50%。RMI在科罗拉多州的玄武岩和博尔德设有办事处；纽约市；加利福尼亚州奥克兰；华盛顿特区C.尼日利亚阿布贾和北京。 目录 Introduction5 美国化肥Market7 分布式绿色氨机会9 分布式绿色氨的开发明尼苏达16 第一波在明尼苏达州的势头 商业Projects22 钥匙Recommendations32 Conclusion37 附录38 尾注46 Introduction 氨（NH3）占全球温室气体（GHG）排放量的1％以上，生产规模约为每年1.85亿吨（tpa），是化肥生产中必不可少的商品，也是气候变化的原因。1氨生产目前集中在低成本天然气和煤炭地区，如美国海湾、中国和俄罗斯。目前的氨供应链涉及复杂的多步骤过程，跨越数千英里，因为生产通常与消费相去甚远。在低化石燃料价格和通过船舶，管道和卡车进行高效运输的时期，现有的供应链结构充分确保了化肥的生产，购买和应用所需的数量。但是，这种供应链的稳定性和低定价并不能保证。地缘政治因素和极端天气事件暴露了当前集中式系统的脆弱性和现有供应链对化石燃料的依赖，所有这些都直接影响到化肥消费者。 俄罗斯入侵乌克兰凸显了高度集中的化肥供应链和天然气生产过程的几个弱点。战争中断了氨和天然气的生产，导致供应有限和价格上涨。来自俄罗斯的天然气供应减少导致欧洲和美国的高价格的国内天然气原料。由于天然气是氨生产的主要原料，因此高天然气价格将氨推向了生产者无法证明的成本点，从而使欧洲的氨供应量减少了70％，在俄罗斯入侵后立即将价格提高了三倍以上，从美国历史市场平均水平为516美元/tNH3的1,600美元/tNH3。2 高碳强度，集中生产和原料价格波动的复合挑战表明，需要建立在低碳分散工艺基础上的互补氨生产系统-即在消费中心附近部署的分布式绿色氨（DGA）。 在美国，明尼苏达州是启动分布式氨项目浪潮的主要候选人。该州是化肥的主要消费国，但由于运输成本较高，明尼苏达州的农业部门面临着与全国平均水平相比更高的化肥成本。这强调了局部氨生产的紧迫性和潜在的积极影响。明尼苏达州还展示了强有力的政策支持，为本地化化肥生产提供了专门的赠款，为氨行业的创新企业奠定了基础。有了这些因素，明尼苏达州准备率先推进分布式氨项目，预示着中西部乃至美国其他地区的范式转变。 明尼苏达州推进DGA的路线图侧重于氨生产的脱碳和氨作为肥料的直接应用。与使用化肥相关的排放很大，但这个问题超出了本报告的范围。该路线图包括对商业模式，技术经济动态以及必要的政策框架的评估，这些政策框架对于将这些愿望转化为明尼苏达州的可行项目至关重要，明尼苏达州是一个非常了解当地无碳化肥生产的好处的州。关键分析要素包括：。 •对明尼苏达州有利环境的评估，包括高水平的市场分析、需求概况、排放强度、可再生能源容量和潜力、技术经济分析以及现有的政策支持 •通过双边对话和焦点小组讨论，与明尼苏达州低碳肥料领域的主要利益相关者互动，包括国家机构，金融机构，非营利组织，项目开发商和原始设备制造商（OEM） •通过减排目标，商业模式建议和政策建议制定DGA的目标和建议的实施策略 美国化肥市场 在美国，由于获得天然气储备和完善的管道基础设施的战略访问，氨的国内生产由17个制造商主导，并且在地理上集中在墨西哥湾沿岸地区。CFIdstries、Ntrie和KochIdstries三个主要的氨生产商提供了整个国内氨供应的64％，其大部分氨制造工厂集中在路易斯安那州，俄克拉荷马州和德克萨斯州（见图表1）。3 Exhibit1按地点和公司划分的氨生产能力概况 美国60％的氨气产量集中在路易斯安 那州，德克萨斯州和俄克拉荷马州 2023年供应商产 能 OCI 7% Other 29% 年产能 年总容量（千tNH3 0 5,000千吨NH3 ）：18,007 5,000tNH 3 2,500 科赫工业公司.10% 营养14% 500 CF工业公司.40% RMI图。来源:RMI分析；营养，https://nutrien-prod-asset.s3.us-east-2.amazonaws.com/s3fs-public/uploads/2024-01/Nutrien_2023Fact%20Book_Update_12624.pdf 美国大约80％的氨消耗用于农业肥料，中西部的农场代表了主要的消费中心，玉米带动了美国所有农业氨需求的约50％。 明尼苏达州是第四高消耗的氨肥国家，推动超过10％的市场需求，但没有氨生产设施位于州（见图表2） 。 明尼苏达州与许多其他中西部州一起，依靠从海湾通过复杂的网络运输的氨，该网络包括管道，驳船，铁路和卡车，由市场中介机构提供便利，从物流和分销实体到批发商，农业零售商，综合分销商和合作社 （见图表3）。 现有的市场结构，同时作为化肥分销的支柱 明尼苏达州和更广泛的中西部地区在确保化肥价格和化肥量的一致稳定方面表现不佳。 附件2 美国中西部玉米作物的氨需求 137,250每年1,162,050tNH3 北 Dakota 明尼苏达 南 Dakota 威斯康星州 密歇根州 爱荷 内布拉斯 伊利诺俄亥 印第安纳州 堪萨斯 密苏里州 肯塔基 RMI图形。来源:RMI分析；美国农业部，https://downloads.usda.library.cornell.edu/usda-esmis/files/j098zb09z/0z70b374s/w9506686w/acrg0622.pdf Exhibit3说明化肥市场结构 天然气供应商 氨生产商 化肥生产商 农民 氨生产商也经常生产化肥 批发商和零售商 集成分销商 合作社 RMI图片。来源：美国能源部的RMI改编，https://liftoff.energy.gov/wp-content/uploads/2023/12/20230921-Pathways-to -commercial-Liftoff-Chemicals-refining.pdf 分布式绿色氨机会 DGA可以解决当前化肥市场的挑战。DGA缩短了供应链，使生产更接近氨消耗，并将原料从天然气原料转移到可再生电力，增加了消费者的供应确定性和价格稳定性。 分布式绿氨技术简介 新一波高效、经济地生产氨的技术，其规模远小于传统的氨厂，创造了将化肥生产转向分布式商业模式的机会。常规的氨合成方法在按比例增加生产量方面已经看到显著的成本降低。因此，大多数单位的尺寸可以生产100,000到超过100万tpa。 新的生产工艺，源自哈伯-博世(HB)工艺，i采用具有不同运营和设计优势的技术，从而放弃了对大型工厂的需求，以降低生产成本。区域规模的系统稍微修改了传统的综合氨合成工厂 优化高达100,000tpa的生产，而单农场系统依赖于新颖的模块化容器式单元，以易于复制的构造和标准化的批量 生产，最适合高达3,500tpa的生产规模（请参见图表4，下一页）。这些新的氨生产技术可以专门定制以满足 承购商的需求。它们非常适合单个大型美国农场的需求，该农场最多需要3,500tpa。ii达到一个农业合作社的规模 ，需要3500到100,000tpa。 这些较新的氨生产系统的商业成熟度较低，但技术成熟度通常较高，具体取决于所考虑的特定工艺。尽管存在尚未达到完全技术就绪水平（TRL）的替代氨生产方法，但本报告主要关注源自Haber-Bosch工艺的TRL9技术。 部署DGA项目对于充分利用学习曲线是必要的，特别是对于模块化系统，因为通过增加技术安装可以实现成本效益。开发DGA项目只会加强成本降低和技术降低风险，从而形成成本下降的正反馈循环。项目必须克服与首创项目开发相关的挑战，但一旦项目启动，DGA可以为消费者、当地社区、开发商和金融家提供广泛的利益，而不是现有的氨生产技术和商业模式。 iHaber-Bosch是指常规的工业氨合成工艺，其中氢气和氮气在高压和高温下混合。 ii3,500tpa的金额是基于利益相关者的参与和平均使用量。 Exhibit4不同规模的氨生产，以当前绿色氨项目为例 小型/单一农场Scale 区域/合作Scale 常规/大规模 3,500 每年2百万+tNH3 1,500 100 17,000 50,000 100,000 120万 H2FNEOM绿色氢络合物 IberdrolaandFertiberiainPuertollano,西班牙 •100兆瓦太阳能光伏，5兆瓦电池存储，20兆瓦PEM电解， 11个高压储氢罐 •自2022年以来，H2F生产17,000mtpa的绿色氨在其邻近的工厂 沙特阿拉伯的NEOM，ACWA电力和空气产品 •4GW的太阳能，650mtpd的氢气，节省超过300万塔的二氧化碳 •正在建设中，并计划于2025年上线，生产120万tpa的绿色 氨 RMI图。来源：RMI分析；费氏，https://www.fertiberia.com/en/greenamima/h2f-project/;空气产品公司,https://www.airproducts.com/energy-transition/neom-green-hydrogen-complex 绿色氨景观中的活跃参与者 对于小规模系统，对Haber-Bosch技术进行了修改和改进，使其可以更好地与可再生能源系统集成，并通过集装箱化和低维护设备在单个农场级别运行。TRL级别因OEM而异（3到9），但这些系统可以分为三类： 1.小型化Haber-Bosch，一种优化小规模生产合成回路的工艺 2.增强的Haber-Bosch合成，该过程通过反应器和催化剂改性，在较低的压力和较低的资本支出（资本支出）下比