氨作为零碳燃料和氢能载体的可能性（六）——零碳NH3的成本前景

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

收录于合集

#氢能与燃料电池合集 452 个

#氨燃料 112 个

点击上方蓝色字体，关注我们

本文3131字，阅读约需8分钟

摘要：为了在构建脱碳社会过程中将氨（NH₃）用作零碳燃料，在面向脱碳社会的新能源系统改革中，基于零碳NH₃的CO₂减排成本必须达到可以实施的水平。本文将对零碳NH₃的成本前景进行说明。

关键字：零碳氨、成本估算、NH₃制造成本、能源载体、可再生能源氢制氨、脱碳社会

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）

4零碳氨的成本

先说结论，零碳NH₃不仅有可能实现日本政府面向引入和普及氢能所提出的“氢能基本战略”^注1）中设定的2030年氢能成本目标——30日元（约1.74元）/Nm³-H₂，还有可能实现接近“未来^注2）”的目标——20日元（约1.16元）/Nm³-H₂。其说明如下所述，为了便于理解零碳NH₃估算成本的含义，首先，作为参考，将列出与氢能成本目标相当的热量等价NH₃的成本，使用NH₃的通常交易单位$/t-NH₃。

（1）NH₃制造成本的估算方法

如前文所述，以天然气（CH₄）为原料的NH₃制造工艺在100多年前由Harber和Bosch实用化后，经过各种改良，现已确立并普及为工业生产工艺，工艺能效大幅提高，达到了与理论值相近的水平。根据2008年International Fertilizer Industry Association对全球33个国家93座NH₃制造工厂的能源效率的调查结果^注3），能效排在前10%的以天然气为原料的制氨工厂的效率为32GJ/ton-NH₃，而最新的工厂的制氨效率已达到接近理论值的28～29GJ/ton-NH₃。

在这种情况下，如果知道天然气原料的价格，就可以大概知道各工厂的基于可变成本的NH₃制造成本。具体来说，基于可变成本的NH₃制造成本（$/ton-NH₃）可以通过将原料天然气成本（$/MMBtu）乘以约30进行简单估算。例如，如果天然气价格为3$/MMBtu，则以此为原料的NH₃的基于可变成本的制造成本约为90$/ton-NH₃。而实际的制造成本，需要在此基础上加上制造工厂的固定成本（设备资金成本、人工成本等），虽然根据设备年限和地区等不同而有所不同，但平均为100-120$/ton-NH₃，不会相差太多。由此推算，在天然气便宜的海外地区制造的NH₃，在装船前的成本为200$/ton-NH₃左右。

但是，上述数值是以天然气（CH₄）为原料的NH₃制造成本，因此根据前文所述理由，不能称其为零碳NH₃的制造成本，但是零碳NH₃的制造成本可以通过加上CCS/EOR去除CO₂所需的成本来估算。那么，零碳NH₃的成本是多少呢？由于零碳NH₃尚未实际流通，以下为根据纸面计算进行的推算，全球公共专业机构也在进行这种推算。

（2）零碳NH₃的成本估算

如前文所述，零碳NH₃有两种制造方法：一种是通过CCS去除以天然气为原料的NH₃制造工厂排放的CO₂的方法；一种是以可再生能源氢为原料制造零碳NH₃的方法。由于以CH₄为原料的NH₃制造工厂每制造1吨NH₃排放约1.6吨CO₂^注4），因此前一种方法的零碳NH₃制造成本可以计算CCS去除CO₂所需的成本以及NH₃制造成本之和来估算。

此外，以可再生能源氢为原料的零碳NH₃的制造成本由其原料——可再生能源氢的成本决定。可再生能源氢的成本在很大程度上取决于电解水生产可再生能源氢的可再生能源电力成本^注5)。

① IEA的成本估算结果

IEA的零碳NH₃制造成本的估算结果如【图1】^注6）所示。

【图1】零碳NH₃制造成本的未来展望

（来源：摘录“The Future of Hydrogen”图42的相关部分）

由该分析结果可以看出：

（1）以天然气为原料、并通过CCS去除制造过程中排放的CO₂的零碳NH₃制造成本约为300$/ton-NH₃（原料天然气价格为3$/MMBTu时：蓝色实线）。原料天然气价格为10$/MMBTu时（蓝色虚线）约为530$/ton-NH₃。

（2）如果可再生能源电力成本低于约50$/MWh，以可再生能源氢为原料的零碳NH₃制造成本可能低于以天然气为原料的零碳NH₃。

（此外，从该图表中可以看出，当原料天然气的价格为3$/MMBTu时，以天然气为原料（非零碳）的NH₃制造成本约为220 $/ton-NH₃^注8）（灰色实线）。还可以看出，IEA估算NH₃制造工厂排放的CO₂的CCS成本约为50$/t-CO₂（导致NH₃的成本增加约80$/t-NH₃）^{注 9)}）。

② 日本能源经济研究所的估算结果

上述分析是在SIP“能源载体”项目中进行的完全独立的零碳NH₃的供给价格分析。其由日本能源经济研究所进行，在沙特阿拉伯、其他中东地区和北美地区建造年产110万吨的NH₃制造工厂，以这些地区的天然气（假设为3 $/MMBTu）为原料制造NH₃，使用CCS或EOR去除排放的CO₂并将其作为零碳NH₃出口到日本，进行成本估算。制造工厂的建设成本、CCS/EOR成本和运输成本等成本估算所需的主要信息参考与工程公司、贸易公司等合作收集的实际成本信息。此外，为了在确保供应方的商业可行性的前提下进行成本估算，将10%EIRR（Equity Internal Rate of Return）收入纳入零碳NH₃的制造成本中。

该分析的结果是，作为制造方，如果以276 $/t-NH₃（以沙特阿拉伯为例）到300 $/t-NH₃之间的价格销售零碳NH₃，则该项目将具有收益性^注10）。

（可使用EOR时）

需要注意的是，如果在NH₃制造工厂附近存在可以进行EOR（Enhanced Oil Recovery：石油的强化回收）的油田，则该过程排放的高浓度二氧化碳几乎可以作为石油的强化回收剂出售，因此该收入可以抵消部分制造成本。CO₂作为石油的强化回收剂的售价约为20 $/t-CO₂^注11），这意味着零碳NH₃的制造成本可降至约35 $/ton-NH₃^注12）。此外，就美国而言，对此类CO₂的回收和利用还有税收优惠，上述日本能源经济研究所的分析在估算来自美国的零碳NH₃的供应成本时也考虑到了这一点。

如上所述，EOR的利用可能性是选择以天然气为原料的零碳NH₃的重要因素之一。

（3）日本到岸的零碳NH₃成本

日本到岸的零碳NH₃成本需要在海外NH₃制造成本中加上运送到日本国内使用地区的运输成本等。而且，根据上述日本能源经济研究所的调查研究（虽然可能会因发货地区、运输船规模、装卸次数等不同而有所差异），该成本估计在40～80$/ton-NH₃左右（中东地区→日本：40$/t-NH₃、北美地区→日本：80$/t-NH₃，均为VLGC船（假设储罐容积约80000m³））。

因此，在该分析中，目前最便宜的零碳NH₃是通过CCS使用中东地区的廉价天然气制造的。根据日本能源经济研究所的分析，日本到岸的成本约为320$/t-NH₃；而根据IEA估算的零碳NH₃制造成本以及日本能源经济研究所估算的运输成本，日本到岸的成本估计约为340$/t-NH₃。

【图2】从澳大利亚、中东地区到日本以及从俄罗斯到欧盟的以零碳NH₃形式进口氢气的估算成本（2030年的估算值）

（来源：IEA，“The Future of Hydrogen”的图31中添加红框）

该成本估算的可行性也可以从IEA的其他分析（【图2】）^注13）中得到证实。【图2】表示由IEA估算的从澳大利亚、中东地区到日本以及从俄罗斯到欧盟的以零碳NH₃形式进口氢能的成本，以及热量等价的氢能成本（$/kg-H₂）。

由图可知，条形图中红框部分是将零碳NH₃再转化为氢气之前的成本；【图2】左图中，从中东地区到日本的以零碳NH₃形式进口的氢气成本与上述日本能源经济研究所的估算结果几乎一致（【图2】的左图中，在中东地区以天然气为原料制造NH₃，由CCS吸收CO₂，并将零碳NH₃进口到日本的成本换算为氢约为2.3 $/kg-H₂，而换算为热量等价的NH₃成本约为360 $/t-NH₃（包括日本国内50km的运输成本））。另外，这里讨论的对象是重新转化为氢气之前的零碳NH₃的成本。如前文所述，这是因为零碳NH₃可以直接（无需重新转化为氢气）用作零碳燃料。

由该分析可以明确以下两点。

第一，从这些估算来看，出口日本的零碳NH₃成本约为350$/t-NH₃。由于日本用户实际可得到的零碳NH₃价格主要由运营商协商决定，因此详细讨论上述个别成本估算数值的有效性并无太大意义。此处重要的是，从这些考察得到的大约350$/t-NH₃的零碳NH₃的成本水平来评估社会实施零碳NH₃的可行性。

从这个观点来看，如上【表】所示，350$/t-NH₃的成本水平以热量等价的氢气成本计算约为22日元（约1.28元）/Nm³，几乎实现了目前日本政府《氢能基本战略》（2017年12月）中设定的20日元（约1.16元）/Nm³的“未来”氢能成本目标。因此，可以说零碳NH₃具有作为氢能在社会大量普及的潜力。此外，需要更深入地考虑“目前几乎实现20日元（约1.16元）/Nm³的“未来”氢能成本目标”的意义。关于这一点，将在之后的文章中进行说明。

第二，到2030年左右，天然气和CCS组合所制造的零碳NH₃的成本被认为将显著低于由可再生能源氢产生的零碳NH₃的成本。由【图2】右图最左边的条形图可知，将澳大利亚制造的由可再生能源氢产生的零碳NH₃进口到日本的成本估计约为4.4 $/kg－H₂（相当于约700美元/t-NH3），约为前者的两倍。然而，IEA认为，随着可再生能源电力成本的进一步降低以及相关技术的发展，由可再生能源氢制造NH₃的成本未来有望将降至1/2以下^注14），后者的成本竞争力将大幅提高。

下篇文章将探讨此处提到的零碳NH₃成本估算的意义，以及零碳NH₃供应链构筑面临的课题。

注释：

注1）

2017年12月26日，可再生能源·氢等相关内阁成员会议决定

注2）

将在下篇连载文章中说明，此处的“未来”指的是2040年左右。

注3）

“Energy Efficiency and CO2 Emissions in Ammonia Production 2008-2009 Summary Report，” International Fertilizer Industry Association，September 2009。该调查覆盖了相当于世界NH₃产能约1/4的制造工厂。

注4）

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

注5）

由于采用这种方法的NH₃制造工厂数量还很少，虽然不如以CH₄为原料的制造工厂的情况准确，但是从NH₃的合成反应式1/2N₂+2H₂→NH₃和电解制氢的能源效率可以得出NH₃的制造成本。

注6）

Figure 42.“The Future of Hydrogen，”June 2019，IEA. 此处的前提是，可再生能源制氢的电解设备每年运行时间超过5000小时，由于未来技术进步，电解技术设备的CAPEX将比现在降低50%，效率将提高15%。

注7）

在IEA的分析结果图中，表记为CCUS（Carbon capture, utilization and storage）而非CCS，但此分析中未考虑utilization，因此在此将其视为与CCS同义。

注8）

该成本水平与上述“1”中所记的估算值基本一致。

注9）

作为CCS技术专业机构的Global CCS Institute在其“Global Costs of Carbon Capture and Storage 2017 Update”（June 2017）中估算来自NH₃制造工厂的CCS成本约为30 $/t-CO₂（50 $/t-NH₃）。这种情况下，零碳NH₃的制造成本可能达到约270 $/t-NH₃。

注10）

“与以CCS/EOR为中心的零碳NH₃供应链相关的商业可行性评估”2019年2月日本能源经济研究所

注11）

相当于IEA所说的“CCUS”。

注12）

如上所述，每生产1吨NH₃将产生约1.6吨的可利用CO₂。

注13）

Figure 31. “The Future of Hydrogen,” IEA, June 2019．

注14）

由可再生能源氢制造NH₃的成本预计未来将降至1/2以下。参照Figure 22. “The Future of Hydrogen，”IEA，June 2019。

（可上下滑动查看）

翻译：李释云