电解制氢合成氨技术综述与展望

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2024-1198

摘要/Abstract

摘要：

随着可再生能源技术的飞速发展，电解制氢合成氨的工艺路径受到越来越多的关注。自1920年代发展至今，电解制氢合成氨已经有100多年的历史，历经了水力发电合成氨到当前风光发电驱动下的合成氨。本文旨在全面回顾合成氨工业的发展历程，深入剖析化石能源合成氨、风光发电制氢合成氨和网电制氢合成氨的技术发展和特点。在此基础上，细致分析了国内电解制氢合成氨的当前态势，预测了我国未来合成氨的产业规模，预计2030年国内合成氨行业产值达到3173亿元，预计2050年达到7900亿元。针对合成氨行业的发展路径，本文提出了深刻的思考与策略建议，指出两条可行的发展路线：其一，在可再生能源资源丰富且电价相对低廉的地区，氨可作为有效的电力储存与消纳手段，促进能源体系的灵活性与可持续性；其二，对现有合成氨装置实施绿色转型，通过部分采用绿氢替代化石原料，逐步释放并扩大合成氨的产能与环保效益。

关键词: 电解制氢, 可再生能源, 合成氨

Abstract:

With the rapid development of renewable energy technologies, ammonia synthesis with hydrogen produced via water electrolysis have received increasing attention. Since 1920s, this process has evolved from hydroelectric powered to the current wind/solar powered in over a century. This article comprehensively reviewed the history of ammonia industry, introduced the technological evolution and characteristics of diverse ammonia synthesis routes, e.g. via fossil energy, wind/solar power and grid electricity produced hydrogen. In addition, the current technical situation of ammonia synthesis with hydrogen produced via water electrolysis in China was deeply analyzed, and the future industrial scale of this route was also predicted. It was expected that the output value of the domestic synthetic ammonia industry would reach 317.3 billion CNY by 2030 and 790 billion CNY by 2050. Thoughts on the development of the domestic synthetic ammonia industry were proposed and two viable paths were outlined. Firstly, in regions with abundant and cheap renewable electricity, ammonia can serve as an effective means of power storage and consumption; Secondly, the green transformation of existing ammonia synthesis plants can be achieved by partially substituting fossil feedstocks with green hydrogen, thereby gradually unleashing and expanding the production capacity and environmental benefits of ammonia synthesis.

Key words: hydrogen production by water electrolysis, renewable energy, synthetic ammonia

中图分类号:

TK91

王月, 张学瑞, 宋玺文, 陈渤燕, 李庆勋, 钟海军, 胡孝伟, 何帅. 电解制氢合成氨技术综述与展望[J]. 化工进展, 2024, 43(S1): 180-188.

WANG Yue, ZHANG Xuerui, SONG Xiwen, CHEN Boyan, LI Qingxun, ZHONG Haijun, HU Xiaowei, HE Shuai. Overview and prospect of ammonia synthesis with hydrogen produced via water electrolysis[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2024, 43(S1): 180-188.

图/表 3

参考文献 27

1	杨卫胜, 王月, 李庆勋. “双碳” 目标下氢能高质量发展思考及建议[J]. 石油科技论坛, 2023, 42(2): 12-20, 39.
	YANG Weisheng, WANG Yue, LI Qingxun. Analysis and suggestions on high-quality hydrogen energy development under carbon peak and carbon neutrality goals[J]. Petroleum Science and Technology Forum, 2023, 42(2): 12-20, 39.
2	WANG Yue, LOU Shujie, HU Xiaowei. Research on the approach and path to harness ammonia in hydrogen energy[J]. Petroleum forum, 2024 (1): 57-65.
3	DECHANY Antoine, VAN GEEM Kevin, PROOST Joris. Process implications of electrifying ammonia production[J]. Current Opinion in Chemical Engineering, 2023, 40: 100915.
4	BUFFI M, SCARLAT N, HURTIG O, et al. Clean energy technology observatory: Renewable fuels of non-biological origin in the European Union[R]. Status Report on Technology Development, Trends, Value Chains and Markets， Luxembourg, 2022.
5	日本经济产业省. 日本氢基本战略[EB/OL]. (2023-06-06) [2024-07-22]. .
	Ministry of Economy, Trade and Industry of Japan. Japan's basic hydrogen strategy[EB/OL]. (2023-06-06) [2024-07-22]. .
6	ORGANISATION G H. Green Hydrogen Standard 2.0. The global standard for green hydrogen and green hydrogen derivatives[R/OL]. (2023-12-03) [2024-07-23]. .
7	International Renewable energy agency. Innovation outlook renewable ammonia[R/OL]. (2022-05-19) [2024-07-23]. .
8	ROUWENHORST Kevin H R, TRAVIS Anthony S, LEFFERTS Leon. 1921-2021: A century of renewable ammonia synthesis[J]. Sustainable Chemistry, 2022, 3(2): 149-171.
9	US Department of Energy. National clean hydrogen strategy and roadmap[R/OL]. (2023-08-18) [2024-07-23]. .
10	US Department of Energy. Renewable energy to fuels through utilization of energy-dense liquids[R/OL]. (2016-04-26) [2024-07-23]. .
11	COMMISSION E. REPowerEU plan[R/OL]. (2022-05-18) [2024-07-23]. .
12	LEE Boreum, Dongjun LIM, LEE Hyunjun, et al. Which water electrolysis technology is appropriate? : Critical insights of potential water electrolysis for green ammonia production[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2021, 143: 110963.
13	中国电力企业联合会 2023—2024年度全国电力供需形势分析预测报告[EB/OL]. (2024-01-30) [2024-07-22]. .
	China Electricity Council. 2023—2024 National power supply and demand situation analysis and forecast report[EB/OL]. (2024-01-30) [2024-07-22]. .
14	国家发展改革委, 工业和信息化部, 生态环境部, 市场监管总局, 国家能源局. 工业重点领域能效标杆水平和基准水平（2023年版）[EB/OL]. (2023-06-06) [2024-07-23]. .
	National Development and Reform Commission, Ministry of Industry and Information Technology, Ministry of Ecology and Environment, State Administration for Market Regulation, National Energy Administration. Benchmarking and baseline levels of energy efficiency in key industrial sectors[EB/OL]. (2023-06-06) [2024-07-23]. .
15	中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 常规燃煤发电机组单位产品能源消耗限额: [S]. 北京: 中国标准出版社, 2017.
	General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China, China National Standardization Administration. The norm of energy consumption per unit product of general coal-fired power set: [S]. Beijing: China Standard Press, 2017.
16	中华人民共和国工业和信息化部. 合成氨行业规范条件[EB/OL]. (2023-10-23) [2024-07-22]. .
	Ministry of Industry and Information Technology of the People's Republic of China. Conditions for the standardization of the synthetic ammonia industry[EB/OL]. (2023-10-23) [2024-07-22]. .
17	ZHENG Jianyun, JIANG Li, Yanhong LYU, et al. Green synthesis of nitrogen-to-ammonia fixation: Past, present, and future[J]. Energy & Environmental Materials, 2022, 5(2): 452-457.
18	中华人民共和国国家发展和改革委员会. “十四五”新型储能发展实施方案[EB/OL]. (2022-03-21) [2024-07-22]. .
	National Development and Reform Commission. Implementation plan for the development of new energy storage during the 14th Five-Year Plan Period[EB/OL]. (2022-03-21) [2024-07-22]. .
19	国家发展改革委, 工业和信息化部, 生态环境部, 国家能源局. 高耗能行业节能降碳改造升级实施指南[EB/OL]. (2023-10-24) [2024-07-22]. .
	National Development and Reform Commission, Ministry of Industry and Information Technology, Ministry of Ecology and Environment, National Energy Administration. Implementation guidelines for energy-saving and carbon-reducing transformation and upgrading in energy-intensive industries[EB/OL]. (2023-10-24) [2024-07-22]. .
20	国家发展改革委, 国家能源局. 氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）[EB/OL]. (2022-03-23) [2024-07-22]. .
	National Development and Reform Commission, National Energy Administration. Medium- and long-term plan for the development of the hydrogen energy industry (2021—2035)[EB/OL]. (2023-10-24) [2024-07-22]. .
21	工业和信息化部, 国家发展改革委, 生态环境部. 工业领域碳达峰实施方案[EB/OL]. (2022-07-07) [2024-07-22]. .
	Ministry of Industry and Information Technology, National Development and Reform Commission, Ministry of Ecology and Environment. Implementation plan for achieving carbon emission peak in the industrial sector[EB/OL]. (2022-07-07) [2024-07-22]. .
22	国家发改委, 国家能源局. 煤电低碳化改造建设行动方案（2024—2027年）[EB/OL]. (2024-07-15) [2024-07-22]. .
	National Development and Reform Commission, National Energy Administration. Action plan for the construction of low-carbon retrofitting of coal-fired power plants (2024—2027)[EB/OL]. (2024-07-15) [2024-07-22]. .
23	NAYAK-LUKE R M, CESARO Z, BAñARES-ALCáNTARA R. Techno-economic challenges of green ammonia as an energy vector[M]. London: Elsevier, 2020: 27-39.
24	吉旭, 周步祥, 贺革, 等. 大规模可再生能源电解水制氢合成氨关键技术与应用研究进展[J]. 工程科学与技术, 2022, 54(5): 1-11.
	JI Xu, ZHOU Buxiang, HE Ge, et al. Research review of the key technology and application of large-scale water electrolysis powered by renewable energy to hydrogen and ammonia production[J]. Advanced Engineering Sciences, 2022, 54(5): 1-11.
25	吉旭, 林今, 聂李红, 等. 适用可再生能源不确定特性的合成氨多稳态柔性工艺技术[J]. 洁净煤技术, 2024, 30(2): 23-35.
	JI Xu, LIN Jin, NIE Lihong, et al. Multistable-flexible ammonia process adapted to renewable energy[J]. Clean Coal Technology, 2024, 30(2): 23-35.
26	VERLEYSEN Kevin, PARENTE Alessandro, CONTINO Francesco. How sensitive is a dynamic ammonia synthesis process? Global sensitivity analysis of a dynamic Haber-Bosch process (for flexible seasonal energy storage)[J]. Energy, 2021, 232: 121016.
27	曾悦, 王月, 张学瑞, 等. 可再生能源合成绿氨研究进展及氢-氨储运经济性分析[J]. 化工进展, 2024, 43(1): 376-389.
	ZENG Yue, WANG Yue, ZHANG Xuerui, et al. Research progress of green ammonia synthesis from renewable energy and economic analysis of hydrogen-ammonia storage and transportation[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2024, 43(1): 376-389.

标准名称	内涵
中国“绿氨”	没有官方机构对“绿氨”进行统一界定。行业内一般将以绿氢为原料生产的氨作为绿氨，对生产过程中的碳排放没有要求
欧盟“可再生氨”(RFNBO)标准^[4]	《可再生能源指令》（RED II，2018/2001），定义从可再生能源（生物质资源除外）中以热或电的形式产生氢气，继而生产的碳氢化合物、醇类和氨基燃料
日本“低碳氨”标准^[5]	2023年6月，日本经济产业省发布修订版《氢能基本战略》，将低碳氨定义为生产链（“门到门”，含制氢过程）的碳排放强度低于0.84千克CO₂/千克NH₃
国际绿氢组织	2023年12月，国际绿氢组织（GH2）对绿氨标准予以更新，新的标准明确了绿氨的氢源是100%或者接近100%的可再生能源生产的绿氢，绿氨的温室气体排放强度标准（12个月的平均值）不能高于0.3千克二氧化碳当量/千克氨^[6]
国际可再生能源署（IRENA）和氨能协会“可再生氨”	2022年发布的《创新展望：可再生氨》提出，用可再生电力电解制氢生产的氨是可再生氨，对二氧化碳排放未作说明^[7]

标准名称	内涵
中国“绿氨”	没有官方机构对“绿氨”进行统一界定。行业内一般将以绿氢为原料生产的氨作为绿氨，对生产过程中的碳排放没有要求
欧盟“可再生氨”(RFNBO)标准^[4]	《可再生能源指令》（RED II，2018/2001），定义从可再生能源（生物质资源除外）中以热或电的形式产生氢气，继而生产的碳氢化合物、醇类和氨基燃料
日本“低碳氨”标准^[5]	2023年6月，日本经济产业省发布修订版《氢能基本战略》，将低碳氨定义为生产链（“门到门”，含制氢过程）的碳排放强度低于0.84千克CO₂/千克NH₃
国际绿氢组织	2023年12月，国际绿氢组织（GH2）对绿氨标准予以更新，新的标准明确了绿氨的氢源是100%或者接近100%的可再生能源生产的绿氢，绿氨的温室气体排放强度标准（12个月的平均值）不能高于0.3千克二氧化碳当量/千克氨^[6]
国际可再生能源署（IRENA）和氨能协会“可再生氨”	2022年发布的《创新展望：可再生氨》提出，用可再生电力电解制氢生产的氨是可再生氨，对二氧化碳排放未作说明^[7]

项目名称	地点	风电规模 /兆瓦	光伏规模 /兆瓦	储能功率 /兆瓦	储能容量 /兆瓦时	制氢方法	制氢规模 /标方·小时^-1	储氢量 /万标方	储氢时间 /小时	制氨规模 /万吨·年^-1	合成氨工艺
中电建赤峰风光制氢一体化	内蒙古	290	200	73.5	73.5	ALK	33000	16.5	5	—	—
中能建巴彦淖尔绿电制氢制氨	内蒙古	210	50	39	39	—	约14045	—	—	5.7	—
国家能源集团国华投资合成氨	沧州	—	—	—	—	ALK	26000	—	—	10	多稳态柔性
国家能源集团国华投资绿氨	内蒙古	800	300	—	—	—	—	—	—	30	—
国家电投集团吉林大安风光制绿氢合成氨	吉林	700	100	40	80	ALK与PEM制氢规模3.6/1	46000	6	1.3	18	南京国昌化工，高温高压
冀中新能源绿氨	内蒙古	1250	1150	—	—	—	192000	100.8	5.25	50	—
华电赤峰巴林左旗风光制氢一体化	内蒙古	500		—	—	ALK	50000	36	7.2	10	—
辽宁华电铁岭离网储能制氢	辽宁	25	—	—	5	ALK	3000	—	—	20	—
中国氢能有限公司绿氨项目	内蒙古	—	400	—	—	—	约13062	—	—	5	低温低压
水木明拓国际氢能冶金化工产业示范区项目	内蒙古	1500	—	—	—	—	150000	—	—	65.7	托普索全动态合成氨
三一重工乌拉特中旗风光氢储氨一体化	内蒙古	400	100	40	80	—	约50562	—	—	15	—
远景兴安盟零碳氢氨	内蒙古	1250		30	30	—	约78933	—	—	30	—
安达市天楹风光储氢氨醇一体化项目	黑龙江	1400	400	140	280	—	140449	—	—	3.8	—

项目名称	地点	风电规模 /兆瓦	光伏规模 /兆瓦	储能功率 /兆瓦	储能容量 /兆瓦时	制氢方法	制氢规模 /标方·小时^-1	储氢量 /万标方	储氢时间 /小时	制氨规模 /万吨·年^-1	合成氨工艺
中电建赤峰风光制氢一体化	内蒙古	290	200	73.5	73.5	ALK	33000	16.5	5	—	—
中能建巴彦淖尔绿电制氢制氨	内蒙古	210	50	39	39	—	约14045	—	—	5.7	—
国家能源集团国华投资合成氨	沧州	—	—	—	—	ALK	26000	—	—	10	多稳态柔性
国家能源集团国华投资绿氨	内蒙古	800	300	—	—	—	—	—	—	30	—
国家电投集团吉林大安风光制绿氢合成氨	吉林	700	100	40	80	ALK与PEM制氢规模3.6/1	46000	6	1.3	18	南京国昌化工，高温高压
冀中新能源绿氨	内蒙古	1250	1150	—	—	—	192000	100.8	5.25	50	—
华电赤峰巴林左旗风光制氢一体化	内蒙古	500		—	—	ALK	50000	36	7.2	10	—
辽宁华电铁岭离网储能制氢	辽宁	25	—	—	5	ALK	3000	—	—	20	—
中国氢能有限公司绿氨项目	内蒙古	—	400	—	—	—	约13062	—	—	5	低温低压
水木明拓国际氢能冶金化工产业示范区项目	内蒙古	1500	—	—	—	—	150000	—	—	65.7	托普索全动态合成氨
三一重工乌拉特中旗风光氢储氨一体化	内蒙古	400	100	40	80	—	约50562	—	—	15	—
远景兴安盟零碳氢氨	内蒙古	1250		30	30	—	约78933	—	—	30	—
安达市天楹风光储氢氨醇一体化项目	黑龙江	1400	400	140	280	—	140449	—	—	3.8	—

实现时间	目前	2030年	2050年
生产
灰氨产量/（百万吨/年）	67.6	73	17
灰氨市场价/（元/吨）	3000~5000	3000~5000	3000~5000
蓝氨产量/（百万吨/年）	0	3	23
蓝氨成本价/（元/吨）	1800~3240	1800~3240	1800~3240
绿氨产量/（百万吨/年）	0	3	189
绿氨成本价/（元/吨）	7900	2520~6840	2520~4500
应用
化肥/（百万吨/年）	58.1	59	100
脱硝、制冷、树脂等用途/（百万吨/年）	9.5	10	22
船燃/（百万吨/年）	0	10	50
氢载体/（百万吨/年）	0	1	42
发电/（百万吨/年）	0	0	15
小计/（百万吨/年）	67.6	80	234
产值/亿元	2704	3173	7900