氨作为零碳燃料和氢能载体的可能性（五）——NH3社会实施的可能性及其意义

原创 AIpatent AIpatent 前沿研发信息介绍平台 2022-06-12

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本文4195字，阅读约需10分钟

摘要：前文提到，基于SIP“能源载体”中有关NH₃直接利用技术开发的成果，可以明确NH₃作为零碳燃料和氢能载体，有望在能源系统的脱碳化中发挥重要作用。从本文开始，将讨论NH₃作为零碳燃料和氢能载体的社会实施的可能性及其意义。

关键字：氨、NH₃、零碳燃料、氢能载体、能源脱碳化、零碳NH₃的价值链、可再生能源制氢

SIP“能源载体”总结报告连载，点击链接即可回顾前文内容：

.....（持续更新中）

1 能源脱碳技术社会实施的条件

“有助于脱碳化的新能源技术”承担实现脱碳社会，推动社会经济体系转型的重任，需要满足以下条件。即，该技术需要：

① 从数量上表现出对能源系统的脱碳化的贡献

② 可以在10-20年内实现社会实施

③ 社会实施时的成本处于社会可以实际承受的水平

④ 对从能源采集到使用再到废弃的新能源系统的全价值链的脱碳化做出贡献

（当然，除此之外，在技术实现社会实施之前，需要解决更多实际问题，即与技术的安全性、可靠性、稳定性等相关的课题）。

之所以如此强调以上条件，是因为在该技术领域，“梦想技术”经常会引起媒体的热烈讨论，并且在没有基于上述标准得到充分评估的情况下就向其中投入大量宝贵的研究资源。甚至有人指出，必须对“技术”的科学合理性进行更多考量^注1）。

为了不让“梦想技术”止于梦想，至少在开发阶段，有必要尝试从上述观点对该技术进行评估，而在技术发展阶段，要坚持贯彻这样的评估并不容易。

2NH₃直接利用技术对能源脱碳化的影响

那么，NH₃直接利用技术使NH₃作为零碳燃料和氢能载体加以利用成为可能，会对社会脱碳化带来怎样的影响呢？

从SIP“能源载体”中NH₃直接利用技术的研发内容可以看出，NH₃将主要在发电领域和工业领域被用作零碳燃料或氢能载体。这是因为在这些领域引入零碳燃料的效果很明显（这些领域分别占日本化石燃料消费量的40%和25%），此外，在处理NH₃时需要十分谨慎，而到目前为止这些领域在使用NH₃时没有出现过重大问题，积累了丰富的NH₃处理经验。特别是在火力发电厂，通常将大量NH₃用作脱硝装置的脱硝剂。

下文将探讨在大量排放CO₂的燃煤发电锅炉中引入零碳NH₃的效果。该领域与具有不同种类和类型的工业炉等不同，设备重复率较大，因此推算也比较容易。

一般规模为60万kW的燃煤电厂每年排放的二氧化碳量约为400万吨。如果将零碳NH₃以20％（以热量为基准）混烧的话，那么同等规模的发电厂中，CO₂排放量将减少约80万吨。根据日本能源经济研究所的调查研究^注2），日本国内的17个发电厂中共计有21座锅炉（输出16.8GW）可引入NH₃混烧的燃煤发电设备^注3），假设这些发电设备中可以进行20%的NH₃混烧，则每年将减少约2000万吨的二氧化碳排放（约占日本发电领域二氧化碳排放量的4％）。在燃煤发电方面，NH₃混烧率的技术极限并非20%，混烧率有可能进一步提高，因此在这种情况下，将实现更大的CO₂减排。以上是仅考虑日本国内状况时的效果，由于燃煤发电仍占世界总发电量的约40％（印度和中国约占70％），因此可以说，煤炭/NH₃混烧技术的CO₂减排潜力非常大。

此外，如前篇文章所述，NH₃可用作燃气轮机的燃料，以减少LNG发电产生的CO₂排放；也可作为SOFC的燃料，以用作零碳分布式电源。这些方面也能实现相当程度的CO₂减排。

NH₃直接利用技术在扩大日本国内可再生能源引入方面也可以发挥重要作用。随着可再生能源的引入，火力发电，尤其是燃气发电，将作为确保电力系统调整力的调整电源发挥重要作用，但在这种情况下，燃气发电的脱碳化将成为重要课题。IEA指出，未来NH₃的直接利用技术有望在这方面发挥重要作用。

3零碳NH₃的价值链

（1）零碳NH₃的原料

零碳NH₃的整体价值链如下图所示。

零碳NH₃的制造在有大量廉价氢能源的地区进行，即（a）富含廉价可再生能源的地区，或（b）富含天然气（CH₄）等化石资源的氢源，以及可以通过CCS（Carbon Capture and Storage：碳捕集与封存）和EOR（Enhanced Oil Recovery：强化（利用CO₂的）石油回收）将来自化石资源的二氧化碳存储于地下的地区，即海外地区（图左侧）。

图：零碳NH₃价值链

目前，通常来说，天然气（CH₄）重整制氢是最便宜的方法，而NH₃的制造也是如此。由于以CH₄为原料的NH₃制造成本低廉，以及对其排放的CO₂实施CCS的成本低廉，因此零碳NH₃的制造将首先以图中左上部分所示的方式展开。

未来，如果可再生能源电力价格进一步下降，使用可再生能源电力的制氢成本降低，则如图中左下部分所示，零碳NH₃的制造将转变为以可再生能源氢为原料。但是，由于海外可再生能源电力价格的迅速下跌，根据地区的不同，零碳NH₃的制造将可能从一开始就如图中左下部分所示的方式展开。

（2）零碳NH₃的制造

NH₃可以通过Haber-Bosch（H-B）方法制造，该方法由德国Haber和Bosch于100多年前发明，以空气中的氮（N₂）为N源，与氢（H₂）反应合成NH₃。（H-B法是改变人类历史的伟大发明，其以空气中的N₂为原料合成NH₃，并进一步得到氮肥，从而增加了粮食产量，使人类免于饥饿。）

目前，NH₃的制造仍采用H-B法作为基本工艺，同时主要使用天然气（CH₄）作为氢原料^注5）。（另一原料N₂通过分离大气中大量存在的N₂获得。）

① 以CH₄为原料的NH₃制造

目前，NH₃的标准制造工艺以CH₄为氢源，在温度450～550℃、200～300个大气压的高温、高压条件下进行，制造过程中排放CO₂（来自CH₄）^注6）。

该工艺经过多年的实践，已极其成熟。NH₃的制造成本也大幅降低，生产效率接近理论值。因此，如果知道原料CH₄的价格，则几乎可以知道NH₃的制造成本。由于NH₃制造厂的竞争力在很大程度上取决于原料CH₄的价格，因此在容易获得廉价CH₄的地区进行NH₃制造已成为世界主流。

NH₃主要作为氮肥料和其他化学制品的重要原料，在世界范围内大量生产（年产约1.8亿吨）。正因如此，据说世界NH₃制造过程中消耗的能源量以及NH₃制造过程中排出的CO₂量分别占世界的约1%以上。

但是，NH₃的制造过程并不是人们通常认为的高能耗以及大量排放CO₂。这是因为原料氢是通过重整CH₄等化石资源而获得的。

以CH₄为原料的NH₃制造过程大致分为CH₄重整制氢部分，以及通过H-B法将氢与空气中N₂合成NH₃的部分。制氢部分占能源消耗的约80％，而且该部分也排放CO₂。如后文所述，如果用其他方法获得原料氢（例如，通过利用可再生能源对水进行电解来制造原料氢），则制氢过程不会排放CO₂。

如上所述，以CH₄为氢源的NH₃制造过程会排放CO₂，因此就整个生命周期而言，将此种方法制得的NH₃用作燃料或氢能载体的价值链并非零碳价值链。为了使其成为零碳NH₃，必须去除NH₃制造过程中排放的CO₂。一种可行的方法是捕获并封存（CCS）该过程中排放的CO₂。该方法的优点是NH₃制造过程中排放的CO₂浓度高（约97％），因此CCS所需的成本明显低于使用同一技术去除来自燃烧设备废气中CO₂的成本^注7）。在进行强化油田回收（EOR）的地区，该CO₂可以作为回收用药剂销售，因此，如果可以将其用于EOR，则NH₃的制造成本将进一步降低。（NH₃制造过程中产生的高浓度CO₂通常作为尿素和甲醇等其他化学原料被有效利用。）

② 以可再生能源氢为原料的零碳NH₃制造

世界的目标是向脱碳社会转移，因此，未来NH₃的制造过程将不再使用来自化石资源的氢作为原料。其背景是使用可再生能源的制氢^注8）成本有望进一步降低，并且有望在不依赖化石资源和CCS/EOR的情况下，使NH₃的制造过程不排放二氧化碳。此外，可以考虑使用NH₃作为有效利用剩余可再生能源（即Power to gas）的手段。

届时，NH₃的合成仍将依赖H-B法。在世界范围内，使用相邻的石油化工厂稳定生产的副产物氢为原料的大型NH₃制造设施已经建成并投入运行^注9）。但是，由于该副产物氢来自以化石资源为原料的石油化工品制造过程，因此，只要将其用作氢原料，所制造的NH₃就不能称为零碳NH₃。

当以来自可再生能源的氢为原料生产NH₃时，与以CH₄为原料的生产工艺不同，所制造的氢不处于高温、高压的状态，因此在制造过程中需要想办法保持能量平衡，例如需要从外部投入NH₃合成反应以及NH₃冷却分离所需的部分能量等^注10）。此外，需要能够应对由变动的可再生能源引起的原料氢投入量的波动。

在SIP“能源载体”中，还通过改良H-B法开发出以可再生能源氢为原料的NH₃合成工艺。日本产综研已开发出一种在相对低温、低压且原料氢供给波动的条件下也能发挥活性的、以稀土类为载体的高活性Ru（钌）催化剂^注11），在此基础上，日挥（株）开发出以可再生能源氢为原料的改良NH₃合成工艺，其可较出色地保持能量平衡。此外，为了实证该工艺，该公司在产综研的福岛可再生能源研究所（FREA）建造了一个小型工厂。

同时，由于该工艺已在FREA中建成，因此FREA中安装的可再生能源制氢设备，使用可再生能源氢的零碳NH₃制造设备，以及NH₃专烧燃气轮机^注12）在FREA内连接，从而形成了世界上第一条零碳NH₃的零碳能源价值链（可再生能源氢⇒零碳NH₃⇒零碳NH₃发电），并得到了实证^注13）。

此外，关于以可再生能源氢为原料的零碳NH₃制造，正在推进新一代创新型零碳NH₃制造工艺的开发（目标是代替H-B法），例如开发可在更低温、低压条件下合成NH₃的新型催化剂，利用电化学的方法合成NH₃等。

（3）NH₃的运输和储存

为了构建零碳NH₃的价值链，需要将在CH₄价格和CCS成本较低的地区或可再生能源氢价格较低的地区制造的零碳NH₃大量运输到日本等有需求的地区，关于NH₃的大量运输和储存，不存在技术性课题。

如上所述，NH₃在世界范围内年产1.8亿吨，每年在国际间流通1800万吨。因此，许多运输NH₃的油轮已经投入使用。此外，由于NH₃的液化条件与液化石油气（LPG）几乎相同，因此从技术上来说，现有的LPG运输、储存设施也能够加以利用。零碳NH₃的重要目标用户——电力公司的火力发电厂此前已经使用大量的NH₃进行脱硝，因此积累了诸多NH₃的处理经验。

但是，若NH₃开始用作发电燃料，其使用量与过去相比将大幅增加。以一座60万kW的火力发电厂NH₃混烧20%为例，则每年需要约25万吨的NH₃。目前，日本的NH₃年需求量不足120万吨，仅此一项就可以将日本国内NH₃需求量提高20%以上。

日本能源经济研究所的调查研究^注15）表明，为了将零碳NH₃用作发电燃料，需要一定规模的NH₃运输和储存基础设施。如果进口300万吨零碳NH₃作为发电燃料^注14），则其运输需要八艘国际运输用外航油轮和三艘日本国内运输用内航油轮来完成。

但是，如上所述，根据该调查研究，仅在日本国内就有21座现有的燃煤发电设施可进行NH₃混烧，此外燃气轮机发电也可进行NH₃混烧，因此为了推进在发电领域中NH₃的直接利用，必须逐步建设新的基础设施，以处理来自海外的零碳NH₃。

另一方面，如上所述，由于可再生能源氢的价格降低以及以可再生能源氢为原料的零碳NH₃的普及，零碳NH₃的来源从CH₄原料和CCS/EOR的组合转变为以可再生能源氢为原料，因此需要根据这一变化逐步有序地推进全新价值链的构筑。

随着零碳NH₃直接利用技术的发展，从零碳NH₃的制造、运输、储存到利用的价值链的构筑需要逐步且有计划地推进。目前这一过程尚未遭遇亟待解决的重大难题，因此十分有望实现。

下篇文章将针对经济性进行说明。

注释：

注1）

在东京工业大学特聘教授冈崎健的考察——“关于碳回收与有效利用的考察”，《能源与动力》第293号（2019年秋季号、2019年11月）中指出了这种评估的重要性。

注2）

“以CCS·EOR技术为中心的零碳氨的商业性评估”日本能源经济研究所，2019年1月

注3）

在这项调查研究中，日本能源经济研究所为发电厂设定了可以引入NH₃混烧的条件：

① 发电厂的整体发电能力为100万kW以上，且单台发电机的发电能力在50万kW以上（使用目前的最新技术，热效率高）

② 使用年数不超过40年（最好不超过30年）

③ 可容纳（NH₃）接收设施建设，特别可供大型船舶靠岸

并设定了目标发电厂。

注4）

“The Future of Hydrogen,” IEA, June 2019.

注5）

中国利用国内丰富的煤炭资源，从煤炭中获取原料氢。

注6）

该合成反应的一般反应式如下所述。

7/16CH₄+5/8H₂O+1/8O₂+1/2N₂→NH₃+7/16CO₂+7kJ・・・①

从该反应的吸热量为7 kJ/mol中可以看出，上述①所示的NH₃合成反应热平衡极为出色。此外，该吸热量仅为所生成的NH₃燃烧热量（383kJ/mol）的1.8%。也就是说，CH₄所拥有的能量几乎都转移到了NH₃，这一点十分有趣。

注7）

日本经济产业省估算CCS所需的成本为7300~11300日元（约428~663元）/吨-CO₂，其中4200日元（约246元）/吨-CO2是从废气中分离回收、升压CO₂所需的成本。（“关于CCS研究开发·实证相关项目/ CO₂封存合适场所的调查项目”2019年6月，经济产业省资料）。对于NH₃制造过程中排出的CO₂，分离回收几乎无需成本。

另外， IPCC的调查分析也给出了同样的结果，发电厂废气排放的CO₂的CCS成本为15~75美元/吨-CO₂，而NH₃制造过程中排放的CO₂的CCS成本仅为5~55美元/吨-CO2（IPCC Special Report “Carbon Dioxide Capture and Storage” September 2005.）

注8）

通常使用可再生能源电解水制氢，但是从中长期来看，也可以考虑使用太阳能等高温热源对水进行热分解来制氢。

注9）

BASF与YARA共同出资在美国得克萨斯州弗里蒙特市建造，并于2018年4月开始运营的以氢为原料的NH₃工厂，年产75万吨。另外，BASF（德国）是世界最大的化学品制造商，YARA（挪威）是世界最大的NH₃制造商。

注10）

另请参照上述注6。注9所示实例被认为是接受了来自相邻的石油化工厂等的热供给。

注11）

https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2018/pr20180528/pr20180528.html

注12）

请参阅连载（四）中的“NH₃直接利用技术开发的成果”。

注13）

https://www.jgc.com/jp/news/assets/pdf/20181019.pdf