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綠氨經(jīng)濟(jì)性分析及發(fā)展趨勢(shì)展望
陳思睿
（北京師范大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)中學(xué)國(guó)際部）
隨著全球能源結(jié)構(gòu)向低碳化轉(zhuǎn)型的加速推進(jìn)，可再生能源的規(guī)?；靡讶怀蔀閷?shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵所在。然而，風(fēng)能、太陽能等可再生能源所具有的間歇性和波動(dòng)性，使得高效存儲(chǔ)與利用這些能源成為亟待解決的緊迫問題。綠氨（Green Ammonia）是以可再生能源電力電解水制氫為基礎(chǔ)，再通過傳統(tǒng)或改進(jìn)的哈伯—博世（Haber-Bosch）工藝合成，憑借高能量密度、易儲(chǔ)運(yùn)以及零碳排放的顯著優(yōu)勢(shì)，近年來被廣泛視為極具潛力的可再生能源載體和低碳燃料。本文旨在系統(tǒng)梳理綠氨的制備技術(shù)、商業(yè)化進(jìn)展以及經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)，分析其應(yīng)用前景，并探討其未來發(fā)展趨勢(shì)，以期為行業(yè)投資決策和政策制定提供參考。
PART.01綠氨產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
（一）綠氨制備技術(shù)
綠氨的生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要分為兩方面，其一以風(fēng)光電站為主的綠電進(jìn)行電解水制氫，其二是氮?dú)馀c氫氣的催化合成氨。與灰氨相比，綠氨全生命周期可實(shí)現(xiàn)近零碳排放。以下重點(diǎn)分析電解水制氫技術(shù)和合成氨技術(shù)路線。
1電解水制氫技術(shù)
電解水制氫是綠氨生產(chǎn)的第一步，其技術(shù)選擇直接影響系統(tǒng)效率和成本。目前主流電解水技術(shù)包括以下三種：
堿性電解槽（ALK）。ALK基于堿性電解質(zhì)環(huán)境下的水電解反應(yīng)，以氫氧化鉀溶液為介質(zhì)，通過直流電分解水分子生成氫氣和氧氣。該技術(shù)具有較高的商業(yè)化成熟度，設(shè)備使用壽命可達(dá)6萬至8萬小時(shí)，且投資成本較低。然而其小時(shí)級(jí)啟動(dòng)延遲和動(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后的特性，難以適應(yīng)可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性，同時(shí)受限于較低的電流密度，系統(tǒng)能效與空間利用率仍有優(yōu)化空間。
質(zhì)子交換膜電解槽（PEM）。PEM以全氟磺酸膜（如Nafion）作為電解質(zhì)，在酸性環(huán)境下高效電解水。其秒級(jí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)與高電流密度特性，較好匹配風(fēng)光發(fā)電的間歇性，且模塊化設(shè)計(jì)顯著提升系統(tǒng)集成度。但由于對(duì)鉑、銥等貴金屬催化劑的依賴，成本較高。
固體氧化物電解槽（SOEC）。SOEC利用陶瓷電解質(zhì)在700～900攝氏度高溫直接電解水蒸氣，電能需求較低。其系統(tǒng)效率最高可超過90%，且可耦合工業(yè)余熱或光熱發(fā)電實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用，同時(shí)擺脫了對(duì)貴金屬催化劑的依賴。然而，長(zhǎng)期高溫運(yùn)行引發(fā)的材料易老化問題尚未有效解決，疊加技術(shù)尚未成熟，目前僅處于示范階段。
2哈伯—博世合成氨工藝
綠氨的合成仍主要依賴傳統(tǒng)的哈伯—博世工藝，但需結(jié)合可再生能源電力進(jìn)行優(yōu)化。該工藝在氮?dú)馀c氫氣在鐵基催化劑作用下，于高溫（400～500攝氏度）、高壓（15～25 兆帕）下反應(yīng)生成氨。綠氨技術(shù)通過風(fēng)光電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)供能，同時(shí)進(jìn)行催化劑的創(chuàng)新，如開發(fā)釕基等低溫低壓催化劑，降低反應(yīng)條件。同步將電解制氫與合成氨一體化設(shè)計(jì)，以減少能量損失。
3新興制氨技術(shù)
為規(guī)避哈伯—博世工藝的高能耗問題，研究者正在探索以下替代路線。一是電化學(xué)直接合成氨。在常溫常壓下，電化學(xué)直接合成氨技術(shù)通過電化學(xué)方法直接將氮?dú)夂退D(zhuǎn)化為氨，無需氫氣中間步驟。目前該技術(shù)實(shí)驗(yàn)室效率不足10%，同時(shí)面臨氮?dú)饣罨щy、副反應(yīng)多等挑戰(zhàn)。二是光催化/生物催化制氨。光催化技術(shù)利用半導(dǎo)體材料（如TiO2）在光照下還原氮?dú)?，但產(chǎn)率極低；生物催化技術(shù)能夠模擬固氮酶機(jī)制，通過微生物或酶催化固氮，目前尚處于基礎(chǔ)研究階段。
表1 四種制氨技術(shù)路線對(duì)比
（二）綠氨項(xiàng)目發(fā)展概況
近年來，全球綠氨項(xiàng)目呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢(shì)，主要國(guó)家和地區(qū)紛紛布局綠氨項(xiàng)目，推動(dòng)其商業(yè)化進(jìn)程。根據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，到2030年全球綠氨年產(chǎn)量將超過2000萬噸，2050年將超過5.6億噸，占全球氨產(chǎn)量的80%以上。目前，全球綠氨項(xiàng)目數(shù)量超過26個(gè)，合計(jì)產(chǎn)能超2700萬噸，主要分布在澳大利亞、南美、歐洲和中東。這些項(xiàng)目多依托陸上風(fēng)光資源，以化肥生產(chǎn)為主，同時(shí)也在探索綠氨在航運(yùn)、儲(chǔ)能等領(lǐng)域的應(yīng)用。
我國(guó)綠氨項(xiàng)目處于快速增長(zhǎng)階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2024年底，明確在項(xiàng)目?jī)?nèi)容中表明基于綠氫合成綠氨的項(xiàng)目共計(jì)57個(gè)，其中4個(gè)已經(jīng)試車成功或初步投產(chǎn)，11個(gè)正在建設(shè)中，其余42個(gè)處于規(guī)劃、簽約、備案或招標(biāo)階段。目前國(guó)內(nèi)規(guī)劃綠氨產(chǎn)能近1500萬噸/年，在推進(jìn)中的項(xiàng)目主要分布在西北、東北等可再生資源豐富區(qū)域，其中主要集中在內(nèi)蒙古地區(qū)，占全部規(guī)劃產(chǎn)能的71%。
（三）重點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景分析
工業(yè)及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。在化工行業(yè)，氨是合成肥料、硝酸等眾多產(chǎn)品的重要原料。傳統(tǒng)氨生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量碳排放，而使用綠氨替代傳統(tǒng)氨，能夠顯著降低化工行業(yè)的碳排放，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)向綠色、可持續(xù)方向發(fā)展?；噬a(chǎn)是傳統(tǒng)氨的主要應(yīng)用領(lǐng)域，綠氨在化肥生產(chǎn)中的商業(yè)化進(jìn)展最為迅速。每噸綠氨可減少約1.8噸二氧化碳排放。在歐洲碳價(jià)超過80歐元/噸背景下，綠氨化肥已具備一定競(jìng)爭(zhēng)力。
能源存儲(chǔ)與運(yùn)輸。考慮到氫氣常溫呈氣態(tài)，易擴(kuò)散和液化溫度低的特點(diǎn)，致使其高效安全儲(chǔ)備難度大。而氨對(duì)儲(chǔ)存溫度和壓力的要求遠(yuǎn)低于氫氣，在常溫、0.8兆帕左右的低壓或常壓，零下33攝氏度的低溫下即可液化，且能量密度顯著高于液氫，很好地替代了氫的運(yùn)輸。目前來看無論是通過海運(yùn)的液氨運(yùn)輸船，還是陸地的管道運(yùn)輸，都能高效地實(shí)現(xiàn)綠氨的輸送。
碳化燃料。在交通運(yùn)輸、船舶動(dòng)力等領(lǐng)域，傳統(tǒng)化石燃料的使用是碳排放的重要來源。綠氨可以直接作為燃料應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)或燃料電池，能夠有效減少對(duì)傳統(tǒng)化石燃料的依賴，從而降低碳排放，為這些領(lǐng)域的去碳化轉(zhuǎn)型提供了新的解決方案。國(guó)際海事組織（IMO）的減排目標(biāo)推動(dòng)氨動(dòng)力船舶研發(fā)，以馬士基為首的企業(yè)紛紛推動(dòng)綠氨船只改造。此外燃煤電廠中摻入一定比例的氨，能夠降低煤炭用量。
PART.02綠氨經(jīng)濟(jì)性分析
（一）綠氨生產(chǎn)成本分析——以遠(yuǎn)景赤峰項(xiàng)目為例
綠氨的生產(chǎn)成本主要由可再生能源電力成本（占總成本60%～70%）和電解槽投資成本構(gòu)成，本節(jié)以遠(yuǎn)景赤峰綠氨項(xiàng)目為例進(jìn)行分析。遠(yuǎn)景赤峰零碳?xì)浒表?xiàng)目由遠(yuǎn)景零碳技術(shù)（赤峰）有限公司實(shí)施，擬建設(shè)152萬噸/年零碳?xì)浒表?xiàng)目，項(xiàng)目總投資172億元，項(xiàng)目分為P0、P1、P2、P3期建設(shè)。目前企業(yè)主要推動(dòng)P0期項(xiàng)目建設(shè)，首期項(xiàng)目總投資9.15億元，包括風(fēng)電和儲(chǔ)能3.82億元、光伏1.61億元、工廠3.72億元。赤峰市能源物聯(lián)網(wǎng)零碳?xì)涞惑w化示范項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)元寶山產(chǎn)業(yè)園，規(guī)劃建設(shè)6000標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)電解水制氫裝置、2 萬噸/年綠氨制合成氨示范裝置，配套建設(shè)風(fēng)力、光伏發(fā)電及儲(chǔ)能裝置，風(fēng)電容量為75兆瓦，光伏容量為50兆瓦，同期配置儲(chǔ)能裝置18.75兆瓦/75兆瓦時(shí)，本期一次建成。采用堿性電解槽和PEM電解槽相結(jié)合的方式，適應(yīng)風(fēng)光發(fā)電的波動(dòng)性。
圖1 項(xiàng)目工藝流程圖
根據(jù)項(xiàng)目成本結(jié)構(gòu)，綠氨的生產(chǎn)成本主要由設(shè)備投資、運(yùn)營(yíng)成本和電力成本組成。設(shè)備投資折舊和運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)固定，電力成本受風(fēng)光發(fā)電成本影響較大。在電價(jià)影響方面，當(dāng)前風(fēng)光發(fā)電的綜合成本約為0.25元/千瓦時(shí)，預(yù)計(jì)未來隨著技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)，電價(jià)有望降至0.15元/千瓦時(shí)。在當(dāng)前電價(jià)下，綠氨的生產(chǎn)成本約為3500元/噸；若電價(jià)降至0.15元/千瓦時(shí)，成本可降至2800元/噸。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力方面，目前液氨市場(chǎng)價(jià)格約為3000元/噸，綠氨在當(dāng)前電價(jià)下的成本略高于市場(chǎng)價(jià)。但隨著電價(jià)下降，綠氨的成本將具有競(jìng)爭(zhēng)力，特別是在碳價(jià)上升的情況下，綠氨的環(huán)境價(jià)值將進(jìn)一步凸顯。
（二）與傳統(tǒng)氨的成本對(duì)比
灰氨是通過化石燃料（如煤炭或天然氣）制備的氨，生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳排放。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)灰氨市場(chǎng)價(jià)格約為2700～3000元/噸?；野眱r(jià)格受煤炭?jī)r(jià)格影響較大，當(dāng)煤炭?jī)r(jià)格為500元/噸時(shí)，灰氨成本約為1450元/噸；當(dāng)煤炭?jī)r(jià)格為1500元/噸時(shí)，灰氨成本約為2950元/噸。
表2 不同氨產(chǎn)品的成本與碳排放比較
根據(jù)上表來看，制約綠氨的生產(chǎn)成本仍然較高，制約因素主要是電價(jià)成本。隨著綠電成本的降低，綠氨成本有望顯著下降。例如，當(dāng)綠電價(jià)格為0.3元/千瓦時(shí)時(shí)，綠氨的生產(chǎn)成本約為4500～4600元/噸。當(dāng)綠電價(jià)格降至0.15元/千瓦時(shí)時(shí)，綠氨成本可降至2500～2600元/噸。近年來隨著煤炭?jī)r(jià)格下降，灰氨生產(chǎn)成本也隨之下降，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)。然而，隨著碳稅和碳交易政策的實(shí)施，灰氨的成本優(yōu)勢(shì)將逐漸減弱，綠氨的經(jīng)濟(jì)性將逐步顯現(xiàn)。若碳稅達(dá)到300～500元/噸二氧化碳，灰氨的生產(chǎn)成本將顯著上升。與此同時(shí)，灰氨生產(chǎn)企業(yè)需要購買碳配額以滿足減排要求，這將進(jìn)一步增加生產(chǎn)成本。相比之下，綠氨生產(chǎn)企業(yè)由于其低碳排放，可能獲得碳配額的出售收益，從而降低綜合成本。預(yù)計(jì)到2030年，綠氨的生產(chǎn)成本將降至2500～3000元/噸，與灰氨的成本相當(dāng)甚至更低。隨著全球?qū)μ寂欧诺南拗坪涂稍偕茉醇夹g(shù)的發(fā)展，灰氨價(jià)格可能會(huì)因碳稅和碳排放交易制度的影響而上升，而綠氨價(jià)格則有望因技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)而下降。此外，國(guó)際市場(chǎng)上綠氨的交易價(jià)格也高于灰氨，例如，2024年7月，全球首單綠氨拍賣價(jià)格為1000歐元/噸（約合7900元人民幣/噸），較傳統(tǒng)灰氨價(jià)格有顯著的綠色溢價(jià)。
PART.03綠氨產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸
（一）關(guān)鍵技術(shù)瓶頸
電解水技術(shù)方面。質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽的使用壽命普遍低于6萬小時(shí)，這限制了其在大規(guī)模應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性。貴金屬催化劑（如鉑、銥）的用量依然較高，增加了成本。同時(shí)，波動(dòng)性電源適配技術(shù)尚未完全成熟，影響了電解水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。合成氨工藝方面。傳統(tǒng)的哈伯法合成氨工藝能耗依然較高，每噸氨的能耗在28～35吉焦耳之間。新型催化劑的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程滯后，限制了合成氨效率的提升。此外，合成氨系統(tǒng)的集成優(yōu)化空間較大，需要進(jìn)一步的技術(shù)改進(jìn)。新興技術(shù)突破方面。電化學(xué)合成氨的轉(zhuǎn)化效率目前不足10%，難以滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。光催化和生物催化技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。
（二）基礎(chǔ)設(shè)施制約
儲(chǔ)運(yùn)體系方面。目前世界范圍內(nèi)建設(shè)的氨管道規(guī)模極小，其覆蓋率不足5%，這嚴(yán)重制約了氨的運(yùn)輸發(fā)展。此外，液態(tài)氨儲(chǔ)罐的建設(shè)成本較高，也阻礙了氨的商業(yè)化運(yùn)用。此外，港口接卸設(shè)施的改造需求迫切，以適應(yīng)氨的運(yùn)輸和儲(chǔ)存。加注網(wǎng)絡(luò)方面。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有氨燃料加注站的數(shù)量不足10座，無法滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。此外船舶加注標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范尚未統(tǒng)一，這同樣增加了加注過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。
（三）安全與環(huán)保挑戰(zhàn)
作為氫能載體的綠氨面臨多重安全與環(huán)境挑戰(zhàn)，其氣態(tài)泄漏時(shí)，一旦達(dá)到立即威脅生命和健康濃度（IDLH），可引發(fā)急性肺水腫及呼吸道灼傷，且液態(tài)泄漏易形成高密度蒸汽云團(tuán)擴(kuò)散；在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)層面，含氮物質(zhì)滲透不僅導(dǎo)致土壤板結(jié)與地下水污染，更通過氮氧化物轉(zhuǎn)化加劇水體富營(yíng)養(yǎng)化等生態(tài)失衡風(fēng)險(xiǎn)。
（四）市場(chǎng)機(jī)制障礙
價(jià)格形成機(jī)制方面。碳關(guān)稅與碳減排等政策信號(hào)尚未在市場(chǎng)中體現(xiàn)，當(dāng)下綠氨并非各行業(yè)的不二選擇，綠氨的溢價(jià)尚未形成穩(wěn)定的價(jià)格傳導(dǎo)，致使市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不足。標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證體系方面。目前國(guó)際上尚未形成統(tǒng)一的綠氨認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致市場(chǎng)上的產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。碳足跡核算方法存在差異，影響了綠氨的市場(chǎng)認(rèn)可度。
PART.04綠氨發(fā)展趨勢(shì)展望
（一）技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
近期（2025年前）。堿性電解槽的效率將提升至75%以上，顯著降低制氫成本。質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽的貴金屬用量將減少50%，降低催化劑成本。同時(shí)，合成氨的壓力將降至10兆帕以下，提高合成氨的能效。
中期（2030年前）。固體氧化物電解（SOEC）技術(shù)將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的將有效提高電解水的效率，預(yù)計(jì)將合成氨的效率突破至15%，為合成氨技術(shù)帶來新的突破。此外生產(chǎn)的自動(dòng)化水平預(yù)計(jì)也會(huì)顯著提高 。
遠(yuǎn)期（2050年前）。可再生能源制氨的綜合效率將超過80%，實(shí)現(xiàn)綠氨的大規(guī)模生產(chǎn)。新型生物固氮技術(shù)將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，為合成氨提供新的途徑。
表3 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
（二）產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)
產(chǎn)業(yè)區(qū)域布局。資源富集區(qū)：憑借其豐富的自然資源，將成為重要的大型綠氨出口基地，通過高效利用資源來開展綠氨生產(chǎn)。消費(fèi)中心區(qū)：將重點(diǎn)發(fā)展分布式制氨技術(shù)，以滿足本地對(duì)綠氨的需求，從而減少對(duì)外部供應(yīng)的依賴。航運(yùn)樞紐：將積極建設(shè)氨燃料加注中心，為過往船舶提供氨燃料加注服務(wù)，助力航運(yùn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型。
產(chǎn)業(yè)鏈整合。一體化項(xiàng)目：風(fēng)光—?dú)洹币惑w化項(xiàng)目有望成為未來的發(fā)展主流，通過整合可再生能源、氫能和綠氨生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用和能源的可持續(xù)供應(yīng)?？缧袠I(yè)協(xié)同：化工、能源和交通等行業(yè)的跨行業(yè)合作將不斷加強(qiáng)，形成綠氨產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展模式，推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)和創(chuàng)新。
商業(yè)模式創(chuàng)新。復(fù)合收益模式：綠電—綠氫—綠氨—碳資產(chǎn)的復(fù)合收益模式將逐漸得到推廣，為企業(yè)帶來多元化的收益來源，提升企業(yè)的盈利能力。長(zhǎng)期購售協(xié)議：長(zhǎng)期購售協(xié)議（PPA）將在綠氨市場(chǎng)中得到廣泛應(yīng)用，通過長(zhǎng)期穩(wěn)定的合約關(guān)系，穩(wěn)定市場(chǎng)價(jià)格，降低市場(chǎng)波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。碳金融創(chuàng)新：碳金融產(chǎn)品的多樣化發(fā)展將為綠氨產(chǎn)業(yè)提供更多的融資渠道，助力企業(yè)的資金周轉(zhuǎn)和項(xiàng)目投資，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
PART.05小結(jié)
綠氨在能源革命中扮演著至關(guān)重要的角色。雖然目前綠氨的經(jīng)濟(jì)性仍面臨一定的挑戰(zhàn)，但在政策支持、技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)需求的共同推動(dòng)下，其商業(yè)化進(jìn)程有望加速推進(jìn)。未來，加強(qiáng)國(guó)際合作以及推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展將是實(shí)現(xiàn)綠氨大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵所在。
