用清洁氢气实现氨和氮肥的脱碳

用清洁氢气实现氨和氮肥的脱碳 合成肥料对于维持世界人口至关重要，但它们的底线。 生产占全球温室气体排放的1.8-2.4%。清洁氢气（随着成本的下降）在使肥料生产脱碳方面具有日益增长的潜力。氢气用于生产合成氨，这是大多数肥料的基础。由于肥料市场作为一个可靠的下游消费者，这种转变可能会支持清洁氢气总体的扩张，即使它在提高全球粮食安全方面起到促进作用。但这一转型可能需要调整，包括改变肥料类型，以及对现有补贴方案的修改。 化肥原料如尿素、硝酸钠和磷酸铵的生产需要氨，其中超过85%的氨生产专门用于肥料。因此，通过使用清洁氢气使氨合成脱碳，可以使肥料生产更加绿色。 最好的方法是什么来实现化肥生产的脱碳？ 公共披露授权 通过在合成氨的过程中用清洁的氢源替代化石燃料 化肥行业在全球农业中扮演着至关重要的角色，通过巴黎协定，旨在将全球变暖限制在2°C以下。 清洁氢能可以通过可再生能源生产，或者通过提高作物产量确保数十亿人由所谓低碳氢生产而成，本身和土壤肥力相关。然而，传统的化肥生产是化石燃料结合碳捕获产生的，能源密集型且依赖化石燃料，特别是天然气并且存储（CCS）。除了缩小天然气碳足迹，导致大量温室气体排放之外肥料生产，清洁氢能推动创新，用清洁氢源取代化石燃料。汽车—并且经济增长，创造市场机遇，以及降低肥料生产的强度，从而使农业供应链更具韧性，推进全球气候变化目标，例如那些设定的目标。 可再生能源氢是通过使用太阳能和风能等可再生能源发电产生的（见图1中的示例）。然后，这种氢气与从电动空气分离过程中获得的氮气结合，通过哈伯-博世工艺合成氨。由于大多数哈伯-博世工厂使用天然气作为原料，因此在氨的生产过程中会释放出大量的温室气体排放。 公共披露授权这份《能源领域管理援助计划》由世界银行编写，旨在支持氢能发展伙伴关系。H4D由全球近50个合作伙伴组织组成。它协助那些在其长期脱碳战略中包含低排放氢能的国家。 作者身份《活导线》的筹备工作由ESMAP能源专家Rafael Ben和ESMAP氢能主管Dolf Gielen协调完成。 生产氢气。生产过程中的部分是由氨合成反应产生的副产物蒸汽驱动的（放热反应）。但是，可再生氨工厂将最大限度地减少对化石燃料的依赖，并显著减少排放，因为可再生氢将取代天然气重整得到的氢。此外，基于可再生能源的电力将取代蒸汽，尽管蒸汽仍然会在氨合成反应中产生（MacFarlane等，2020）。 kindness 是将氨合成与可变可再生能源源整合的具有前景的一步（Boyles 2023；Rouwenhorst 2023a）。 可再生能源氨的生产因此需要： 3一种稳定的可再生能源，如水电，或多种可变可再生能源的组合，如太阳能和风能； 3连接到低碳电力电网，尽管在高峰需求期间这可能不太实际；或 在可再生氨生产中，一个主要挑战是哈伯-博世过程的灵活性，以匹配可再生能源的变异性。理想情况下，工厂的运行将是完全动态的，通过实时调整来匹配资源变异性波动。但是，由于涉及高温高压，这种完全的灵活性通常不可行。然而，最近的研究人员和公司，尤其是丹麦的研究人员和公司，在这一领域取得了进展。例如，部分灵活性允许工厂以设计率的几分之一运行。可能实现的灵活性程度取决于设备和制造商的设计。这一领域的创新 3现场储能，包括氢储存或氢管道输送，或两者的结合。 这些要求可能会提高成本，考虑到稳定可再生能源和氢存储的高成本。但部分灵活性是一个显著的技术进步，另一种选择是在钢铁工业（Aagaard等人，2023年）中提供固定、恒定的氢气流量，代价极高。 关于设备成本的不确定性，特别是电解槽等新技术，使得预测可再生氨的成本变得困难。目前的估计为每吨794-1,543美元——远高于灰氨的成本，每吨121-518美元，具体取决于天然气价格（Boyles 2023；Aagaard 等人 2023）。政府补贴和生产技术的改进正在努力降低成本，预计到2050年将实现显著的成本下降（Fasihi 等人 2020），这得益于可再生氢成本的下降。转向可再生氨可以防止资产成为弃置资产；它也是实现短期减排、培养操作技能和习惯的有用选择。 碳捕集效率。在大规模模块化反应堆（SMR）中，大约三分之二的碳排放可以相对容易地捕获，但剩余的三分之一捕获更具挑战性和成本更高。相比之下，在先进热循环反应堆（ATR）中，高达99%的排放可以被捕获，这对于低碳氢生产可能更加经济和环境友好（Salmon and Bañares-Alcántara 2021a and 2021b）。 ATR中的高捕获率是可实现的，因为部分氧化和蒸汽重整是集成的，因此不需要像SMR那样产生低浓度烟气的额外加热。但是，ATR比SMR消耗更多的能量，尽管它提供了捕获的便利性，并且在可以使用更广泛的烃类原料的情况下增加了操作灵活性。这些优势使ATR成为低碳氢和氨生产的SMR的有希望的替代品。低碳氨生产的过程总结在图2中。 对于低碳氨，氢气最常见的是通过天然气蒸汽甲烷重整（SMR）与碳捕集与封存（CCS）相结合来生产。然而，一种更新的替代工艺，自热重整（ATR），可以通过提高来使低碳氢，从而低碳氨的成本更低。 ATR部分氧化天然气原料。这种部分氧化意味着天然气裂解所需的热量主要在反应器内部提供，并且只需要在反应器外部燃烧少量天然气来生产低碳氢。在受控环境中在反应器内部提供热量确保了（ ），其中废物流几乎纯净的二氧化碳 (CO₂)。 必须以液体形式应用，这可能更昂贵且耗时（Vogl，Åhman和Nilsson 2018）。这一转变将需要调整补贴制度以支持其他形式的肥料（Oni等人 2022）。 因此，分离变得更容易（且更便宜），因为不需要进行分离。对于氨的生产，将热量与哈伯-博世合成反应器产生的能量相结合，可以进一步减少甚至消除预热器（它产生的东西相当难以分离）所需的天然气燃烧。CO 补贴在化肥市场中扮演什么角色——这种情况可能如何变化？ 补贴与天然气价格以及其他因素相互作用，以塑造价格、供应链以及化肥的选择。 全球每年大约生产2亿吨氨，其中170至180亿吨用于农业肥料。剩余的20亿吨用于各种工业应用，包括生产炸药、塑料和其他化学品。每年大约有20亿吨氨被运往全球。鉴于氨的性质与液化石油气相似，运输氨既可行又经济有效，这对于保持其全球供应链至关重要。 流已经相当 集中一氧化碳的捕获 在氨工业中普遍存在，无论氢的生产过程是SMR还是ATR。但这不能被视为一种碳减排方法，因为碳与氨反应产生尿素用于农业用途，而尿素中的碳将迅速释放到大气中。1 化肥类型因地区而异。在美国，氨的直接应用很常见；在印度，尿素很常见；在欧洲，硝酸盐占主导地位。虽然可再生氢气将在中长期内使可再生氨的生产变得经济可行，但生产尿素等衍生物仍然是一个挑战。 高质量的可再生能源实现 通过降低生产成本实现低价氨的生产 电力成本。” 如前所述，天然气作为哈伯-博施工艺的原料和能源来源，其价格主要决定了氨的生产成本。2022/23年冬季的天然气高价格导致欧洲几家氨生产设施暂时关闭（Unkovich等人，2020年）（图3）。价格波动对氨生产的经济学有着强烈的影响，尤其是对低碳氨项目而言。考虑到这些成本动态，最先进的低碳氨项目主要集中在天然气价格低廉的地区，例如美国墨西哥湾沿岸。 因为使用尿素会排放碳，农业需要帮助从尿素（因其为固体而易于施用）转向其他低碳或无碳肥料，这些肥料通常仅从氨中生产，常以硝酸铵的形式出现，或与其他投入物混合，如磷酸铵或硝酸钙铵。其中一些肥料 可再生能源的品质严重影响可再生氨的成本。高品质的可再生能源通过降低电力成本，实现更低成本的氨生产。持续稳定的电力生产，通常通过结合风能和太阳能资源实现，从而最小化... 对季节性能源存储的需求。因此，在可再生能源状况有利的国家，化肥生产成本最低，使它们成为理想的化肥出口国。因此，那些化肥获取有限的发达国家有显著的机会，不仅可以在当地生产和消费化肥，还可以出口过剩的化肥。例如，肯尼亚的化肥消费量仅为全球平均水平的1/3，但该国在化肥的可再生生产方面具有有利的状况。因此，在肯尼亚和其他类似经济体中生产可再生氨，为国内外市场提供了机会（Nayak-Luke等人，2022年）。 图4展示了不同类型肥料的成本结构，以印度为例。绿色条形代表肥料的制造成本；黄色条形代表使肥料对农民来说负担得起的估计补贴。传统尿素受益于政府的大量补贴，这显著降低了农民的使用成本。相比之下，2030年可再生能源氨的预测成本高于最低成本的传统尿素（但低于2022年价格上涨期间观察到的最高市场价格）。这突显了可再生能源氨提供价格稳定性和抵御市场波动的潜力，尽管它仍需要补贴以与传统的尿素竞争。 尽管氨的主要用途在历史上一直是作为肥料，但在脱碳经济中，其角色很可能发生改变，例如，作为船用燃料、长期能量存储介质或氢载体。这种领域耦合的潜力可能会导致降低成本的有效性，但也可能引入竞争，从而使一些行业中的价格上涨（Terazono, Pickard, and Evans 2022）。 该图表突显了补贴在确定印度肥料可负担性方面的重要作用。虽然可再生氨水可能需要每吨500-1200美元的补贴才能在2030年与传统尿素竞争，但它预计将提供价格稳定性。然而，可再生能源肥料的广泛应用可能需要额外的激励和政策措施，例如支持从尿素转向替代肥料。这些措施在当前分析中未被考虑。 在转向零碳肥料生产以使用清洁氢气呈现可行机会的同时，除非生产得到碳税或政府补贴的支持，否则由于支付意愿低而受到阻碍。 每年可再生氨产量预计将达到数千万吨，并计划于2026年下半年开始运营。该项目最终投资决策于2024年8月达成，标志着印度国家绿色氢能任务的一个重大里程碑。项目将利用当地可用的可再生能源，帮助印度实现脱碳，并减少对基于化石燃料的氨生产的依赖（NS Energy 2024）。该项目将为传统、碳密集型的氨生产方法提供一个低碳替代方案。其可再生氢将使用640兆瓦的先进加压碱性电解槽生产，这些电解槽能够从太阳能和风能中提取氢气（由John Cockerill在其合作框架下向AM Green提供）。这种可再生氢将被合成成可再生氨，化肥行业可以利用它。这一大规模项目凸显了印度对可持续农业的承诺，并将该国定位为全球实现净零排放进步的领导者（Bailey 2024）。 太阳能和电解技术的发展预计将降低可再生氨的成本，通过降低肥料成本使其在农业中成为一个可行且有竞争力的选择。然而，为了避免过度使用及其相关的环境风险，如氮氧化物排放，有必要实施谨慎的监管。战略性的政府政策有助于在经济效益和环境保护之间取得平衡（Müller等人，2023年）。 清洁氨生产的状态如何？ 重要项目已投入运营，众多案例研究和试点项目也已启动。 框1突出了新兴市场和发展中经济体最显眼的几项可再生能源和低碳合成氨项目。 可再生能源氨的生产在印度取得了显著进展。主要项目正在推动化肥行业的绿色转型。其中一个旗舰项目是由AM Green在安得拉邦的卡基讷达开发的一个设施，预计年生产能力为100万吨。 智利已启动了多个可再生能源项目，这些项目正在推进化肥行业可再生氨的生产。其中最引人注目的是HyEx项目。 箱 1. 选择的可再生和低碳氨项目 全球范围内，存在许多可再生能源和低碳氨项目。大多数尚未宣布其产品的预期用途，但对于许多项目而言，肥料是其产品的主要需求案例。表B1.1提供了四个可见项目的关键统计数据。 项目，由英纳克斯和瓦锡兰合作展开。该项目利用来自智利北部的太阳能生成可再生的氢气，然后将这些氢气合成可再生的氨。此可再生氨将被用于生产硝酸铵，这是肥料和炸药中一个不可或缺的成分，对采矿行业尤为重要（Rouwenhorst 2023年B类参考文献）。另这样一个项目就是在南地区的HNM 项目，涉及奥地利能源、Ökowind和哥本哈根基础设施合作夥伴。该项目旨在每年利用3.5吉瓦（GW）的风力和3吉瓦的电解槽产能生产约135万吨的可再