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“氨-氢”转换，开辟绿色航道！全面解析全球最大绿色氢氨工程首期投产

时间：2024-04-19 来源： 浏览：

“氨-氢”转换，开辟绿色航道！全面解析全球最大绿色氢氨工程首期投产

清洁高效燃煤发电技术
清洁高效燃煤发电技术

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氨被视为氢能的一种载体形式，是助力“双碳”目标的新路径之一。
 
2024年2月，全球首艘氨燃料动力集装箱船订单花落中国；3月15日，新加坡一艘船只成功在新加坡港进行了世界上第一次船用氨燃料加注作业。可见氨燃料船只即将迈入商用，这意味着全球航运业在清洁能源领域又迈出了新的步伐。
 
氨作为船只的燃料前景如何，我国的氨燃料船只发展怎么样，在推广过程中又面临着哪些难点？

为什么是“氨”？

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 过去几个世纪里，航运一直都是长距离大量运送货物最经济高效的方式。船舶是现代经济的“动脉”，能够促进地区间、大洲间的海上贸易，推动经济增长，但海运船舶也造成了极大的污染。
面对日益严峻的环境问题，国际和国内公约对航运业污染物排放的要求日趋严格。国际海事组织(IMO)提出了2050年世界范围内航运业的温室气体排放总量相比2008年至少下降1/2的减排目标。
发展船用清洁能源是寻求航运业绿色低碳发展的重要途径，近些年液化天然气、甲醇、氢和氨等清洁能源在船上的应用实例竞相出现。其中，用清洁氢气制取的绿色氨是很有前景的替代燃料。
氨既不含碳也不含硫，主要由氢气和氮气合成制取。氨比氢气更容易液化，常压下氨气在-33℃就可以液化，而且同体积的液氨比液氢多至少60%的氢，被业内认为是破解氢大规模储运难题的有效手段。另外，氨可以作为能源直接燃烧，且燃烧产物只有氮气和水，被看做是“零碳”燃料最优的选择 。
2023年9月，国际能源署（IEA）在其《净零排放路线图》2023年更新版中预测，氨燃料将在全球航运业脱碳中将发挥关键作用。 到2050年，国际航运活动将增加一倍以上，氨在最终能源消耗中的份额将从2022年的0%上升到2050年的44%，生物燃料和氢燃料各占19%，而呼声很高的甲醇仅占比3%。这意味着，在净零排放（NZE）情景下航运业每年将消耗2.33亿吨绿氨。
除了国际能源署，英国劳氏船级社、挪威船级社等行业研究机构均预测氨最终将成为顶级船用燃料。近日，世界上最大的独立油轮公司Euronav表示，计划为新增120艘零碳船舶，这些订单将包括60艘大型氨动力船只。
在可以预见的未来， 绿氨作为航运业的脱碳燃料具有广泛的市场。国际可再生能源机构（IRENA）预测氨作为氢的载体将从2030年的100万吨增加到2050年的1.1-1.3亿吨 。
 

中国走在了前列 

  

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 据 工信部网站消息，2023年中国造船业全国造船完工量、新接订单量和手持订单量三大指标连续14年位居世界第一。作为名副其实的世界第一，中国船舶业也在与时俱进地围绕着双碳战略，大力推动氨燃料降碳技术应用。
2022年3月，由中国船舶集团有限公司旗下上海船舶研究设计院自主研发设计的中国首创首款氨燃料动力7000车位汽车运输船（PCTC）正式获得DNV颁发的原则性认可（AiP）证书。这标志着中国造船业在清洁能源动力汽车运输船设计领域实现了重要突破。
2023年8月22日，威海重工科技自主开发的氨燃料供应系统顺利通过专家组验收，获得全球首张中国船级社船用产品试验证书，成为国内首个在模拟船舶场景下成功运行氨燃料供应系统的厂家。
2023年11月30日，我国首台中速大功率氨燃料发动成功点火。中国中车此次点火的12V240H-DFA型氨燃料发动机，以柴油机为基础，进行了燃烧、控制、安保、排放控制等技术创新，单缸功率可达208kW，氨能占比85%，降低碳排放80%，排放满足船舶国标二阶段标准。
今年1月，中国中车12V240H-DFA型氨燃料发动机取得中国船级社首张氨柴油双燃料发动机原理认可证书，中车氨燃料发动机正式“持证”。代表着该机型原型机原理技术不仅满足设计要求，而且满足船舶规范及法规要求。
2月份，由中国船舶集团上海船舶研究设计院自主研发设计的1400箱无舱盖集装箱船GREEN SEALION 1400获得来自比利时船东CMB.TECH的订单。该型船是全球首艘氨燃料动力集装箱船。此次中国获得全球首艘氨动力集装箱船订单，被解读为中国此前将重点放在价格和数量上的攻势正在向高附加值环保领域拓展。
氨作为海事业青睐的替代燃料选择之一，未来具有广阔的商业化应用前景。目前，氨燃料动力船舶已成为中国、韩国、日本和欧洲造船业共同关注和争相研究的焦点。中国在氨燃料船舶领域已经表现出了占据市场领先地位的雄心，正在积极进行技术开发和经验积累。

氢燃料仍存在挑战

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 不过，绿氨通向作为船舶燃料的道路并非一片坦途。目前来看，氨燃料的市场化还需要解决氨燃料排放物和绿氨价格的问题。
氨作为船舶燃料是一种新兴的方式，目前仍存在法规标准不完善、关键配套设备不成熟等问题。 尤其是在氨燃料发动机方面，虽然理论上能实现近零排放，但氨燃烧会增加氮氧化物(NOx)的产生，这与国际海事组织出台的TierⅢ的NOx限排规定相矛盾。不仅如此，氨燃烧还可能产生一氧化二氮，这种气体产生的温室效应是二氧化碳的280倍。  
此外， 现阶段绿氨成本仍然较高，不具备竞争优势 。巅峰据悉，目前绿氨的生产成本区间为720-1400美元/吨，和其他船用燃料相比，绿氨成本要高的多，对航运业来说会增加一笔不小的开支。
不过，随着技术的进步，氨燃料当前面对的挑战也会被逐渐克服。首先NOx排放的问题，可采用废气再循环技术或选择性催化还原(SCR)技术解决。目前SCR技术已较为成熟，能满足TierⅢ的要求，且在SCR技术中氨还为还原剂将NOx转化为N₂和H₂O，为SCR在氨动力船上的应用提供了更有利的条件。
再加上当前双燃料主机发展势头良好，应用范围在逐年扩大，参照目前双燃料柴油机的应用经验，相信氨燃料发动机的技术成熟度会飞速提升。
至于绿氨的价格问题，随着可再生能源发电成本的下降及风光电氢氨一体化技术的成熟，绿氨的成本将显著降低。根据国际可再生能源机构预测，到2030年绿氨生产的最低成本将从每吨720美元下降到475美元。
今年3月14日，内蒙古赤峰的全球最大150万吨绿色氢氨项目，第一阶段30万吨绿色氢氨首期工程已经顺利投产。该项目借助新型电力系统的技术突破，实现了风光储同氢氨醇生产的高效耦合，解决了零碳氢能发展的重大成本挑战。日前产出的第一罐液氨使用了100%的绿色电力，这是全球绿色氢能发展的重要里程碑，让“新石油”实现大规模产业化发展。
当前，全球已迈入"氨=氢2.0"时代，绿电、绿氢、绿氨更是大势所趋。“绿氨”为实现零碳脱碳提供了新的路线，在全球各国布局 “氨经济”热情高涨背景下，我国也在积极开展动力船舶重点技术研发创新，引导适宜地区结合优势产业布局“氨-氢”示范项目，假以时日，氨能燃料将对产业结构、能源系统、生产方式、生活方式、空间格局都将产生重大而深远的影响。
远景科技集团首创的零碳产业园在内蒙古鄂尔多斯打造绿色工业体系中发挥重要作用后，又开始在赤峰实现绿色氢氨生产上起到了关键的支撑。
最近， 新能源界爆出一个猛料，绿色氢氨产业有了里程碑进展 。据远景科技集团官微发布，3月14日，内蒙古自治区主席王莉霞考察调研了远景在赤峰打造的全球最大150万吨绿色氢氨项目，日前该项目第一阶段30万吨绿色氢氨首期工程已经顺利投产。
远景赤峰绿色氢氨首期工程顺利投产
这个项目在2022年3月签约，以及9月项目公示的时候，曾引发业界广泛关注，业界关注的主要原因包括：产能目前全球最大，规划年产152万吨绿氨，比沙特在未来之城NEOM打造的年产120万吨绿氨的产能还大；又是全球第一个商业化运营的首个零碳氢氨项目。
短短两年时间，项目不仅首期建成投产，而且产出了第一罐绿色液氨，使用了100%的绿色电力。这为世界发展绿氢产业树立了标杆。
远景在赤峰的这个绿色氢氨工程到底有哪些值得关注？跟国内外其他氢氨项目相比，为什么远景能够引领突破？或许我们从远景官方发布的信息中可寻找到蛛丝马迹。
据远景官微中董事长张雷的介绍，远景通过首创的零碳产业园模式正在打造全球最大的绿色氢氨工程，借助新型电力系统的技术突破，实现了风光储同氢氨醇生产的高效耦合，解决了零碳氢能发展的重大成本挑战。日前产出的第一罐液氨使用了100%的绿色电力，这是全球绿色氢能发展的重要里程碑，让“新石油”实现大规模产业化发展。
对这段话抽丝剥茧，我们发现这里有几个关键信息值得业界注意：
 
一是通过零碳产业园模式；
二是借助新型电力系统的技术突破；
 
三是实现了风光储同氢氨醇生产的高效耦合；
 
四是使用了100%的绿色电力；
 
五是最终目的解决了绿色氢能发展的重大成本挑战。
这几点正是远景这个绿色氢氨项目最大的亮点，也是电解水制绿氢及其衍生品需要克服的最大难点和痛点。
从绿电，到绿氢，再到绿氨或者绿色甲醇，这个产业链至少涉及到三个工程领域。一是风电和光伏发电，属于电磁学领域；二是利用电解槽电解水制取氢气，属于电化学领域；三是从空气中分离氮气，再跟氢气合成氨，又属于化工领域。
这三个工艺流程或领域，都存在波动性问题，而且波动速率不一样，整个工艺流程都高度不可控，如何将这三个波动领域进行耦合，还要控制成本，非常考验技术水平、工程设计和流程管理。
在这个过程中，远景在鄂尔多斯首创的零碳产业园模式又开始在绿色氢氨生产上发挥重要的作用。作为绿色工业体系的“新基建”，零碳产业园通过集成新能源发电端到消费端庞大的产业生态、复杂的价值链条，成为链接新能源系统和新工业的系统解决方案，让绿电发挥最大价值。
远景“零碳产业园模式”有三大核心：新型电力系统、零碳数字体系、绿色新工业集群。其中一个绿色、稳定的新型电力系统，是零碳产业园的基础。
依托零碳产业园实践，远景与内蒙古从顶层设计到计量基础，率先打造了引领国际要求的零碳园区标准体系。所以这套系统同样可复制到其他工业体系上，因地制宜进行升级改造，可为各种产业集群输送源源不断的绿色电力。
以“风光氢储氨一体化”项目为例，如何脱离电网，把波动的绿电，转化成稳定的绿色燃料产品，并实现整个生命周期成本（LCC）最低，是这类项目的全球性难题，也是全球企业试图解决的挑战。
目前很多低碳产业园或“风光氢储氨一体化”项目，表面看都号称产业链集成在一起，使用了绿电，但实际上连电源侧的协同都没有做到，风电光伏发的电，还是要先上网，通过大电网过滤兜底，再回到负荷侧。
但通过走大电网制取的氢气及其衍生品，在国际上是不被认可为绿氢或绿氨的，也拿不到绿色通行证。
其实沙特NEOM城大型绿氢工厂项目同样面临这类困境。
沙特这个项目投资84亿美金，美国Air Products是承包商和系统集成商，其他设备都是来自全球采购，远景能源参与了风能发电厂的建设，阳光电源参与了光伏发电厂的建设，电解槽设备使用的是德国蒂森克虏伯的技术，空气分离制氮使用了AP的空分，合成氨采用了丹麦Topsoe的技术。
沙特位于 NEOM 新城 Oxagon 地区的绿色氢能项目
但新型电力系统不是简单的1+1这么简单。这些环节、设备和技术如何集成，如何把风电、光伏、储能、电解槽、合成氨这些产业链打通，让每个制造环节实现耦合，并适应风光电源的波动性，实现产能和效益最大化？
据巅峰了解，沙特面临的这个难题，目前还没有找到很好的方案。沙特不像中国，很多事情可以通过大电网来解决，据说沙特正准备从埃及拉一根电网过来解决这个问题，但成本又会被拉高。
有些即使通过大电网解决了可再生电力的波动问题，但如果流程设计不合理，对电解槽制氢、合成氨等流程把控不好，也容易造成运行效率不高的问题。
目前远景在赤峰的这个绿色氢氨工程，通过零碳氢能产业园模式，突破性地解决了这些痛点，克服了源网荷储等产业链集成创新的难题，达到了“（电）源随（负）荷动，荷随源动，源荷随风而动，相互平衡”的效果。
整个过程，至少解决了几个环节波动性问题。一是风光发电的波动性，二是电解槽制氢的波动性，三是空分氮气的波动，四是氢氮合成氨过程的波动。
尤其是动态合成氨的过程，全球只有少数几家公司掌握了这个技术，并且对中国是封锁的。
远景通过气象大模型，对风光出力进行精准预测；通过新型电力系统，对多元化电力进行优化整合；通过形成高效电化学催化剂、隔膜、薄膜、膜电极、高效电极、电解槽等自研自制能力，有效地降低了电解槽的成本；通过自研的水电解制氢、储能空分、动态合成氨等装置的集成，打造了极具竞争力的整体绿氢工程解决方案。
远景之所以能在绿色氢氨工程上实现突破，起到领跑作用，跟远景的新型能源系统技术提供商定位有紧密联系。
在中国，很多新能源企业比较专注于某一样产品，如光伏组件、动力电池、风力发电，但缺少能够真正为中国提供可再生能源系统技术的公司，这也是几年前远景决定成为新能源系统公司的原因。
远景通过零碳产业园的建设，在新型电力系统方面有深厚的技术沉淀，通过智能的手段将风电、光伏、储能、氢能高效地耦合在一起，并能够将能源的需求进行实时的互动。
远景零碳产业园新型电力系统示意图
这次赤峰的绿色氢氨工程，是零碳产业园的进一步升级，除了创新打造新型电力系统外，还实现氢能电解槽、可再生能源控制、动态合成氨等技术突破。
据业界人士分析，远景这套绿色氢氨系统生产的绿氨，在市场上非常有竞争力。
此外，通过零碳产业园的另一个核心创新——零碳数字操作系统，赋予园区内产品可追踪溯源、符合各类国际标准池、经过权威机构认证的“零碳绿码”，可让绿氢绿氨及其衍生品，无惧碳关税壁垒，参与到全球贸易中去。
绿氢生产的成本主要是电力，站在可再生能源价格不断下跌以及新能源系统集成技术不断提高肩膀上，绿氢正在作为“新石油”登场，远景在绿电制氢、制醇、制氨上的突破，为绿氢大规模商业化运用提前到来开创了新道路。
来源： 巅峰氢能
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