氨作为零碳燃料和氢能载体的可能性（八）——零碳NH3价值链的构建

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摘   要：本文将就零碳NH₃价值链构建的国际动向以及早日实现价值链构建的政策课题等进行探讨。

关键字：零碳NH₃价值链、绿氨财团（GAC）、零碳燃料、氢能载体、可再生能源制氢、脱碳化

1零碳NH₃价值链构建的国际动向

之前的连载中已经提到，零碳NH₃能够满足作为日本能源系统脱碳化进程中所需新能源的要求。在世界范围内，人们已经普遍达成共识，即零碳NH₃是一种很有前途的新燃料。

造成这种认识的一个契机是2019年6月，IEA（国际能源机构）汇总并发布了关于氢能的综合评价报告“The Future of Hydrogen”^注1）（连载中已多次引用该报告的分析）（此外，该报告中很多关于NH₃作为零碳燃料潜力的记述也是根据SIP“能源载体”的报告编写的）。

随后，包括日本在内的国际社会对零碳NH₃的理解进一步深入，并已开始进行社会实施。例如，英国皇家协会（The Royal Society）指出，“绿氨”（＝零碳NH₃）在向脱碳社会的过渡中发挥重要作用，并于2020年2月发表了^注2）题为“Ammonia: zero-carbon fertilizer, fuel and energy store”的政策建议。

在澳大利亚，私营企业不仅开始关注零碳NH₃在国内的利用，而且还关注其作为新出口资源的潜力。据悉，截至2020年4月，澳大利亚有700 MW 用于可再生能源制氢的水电解设备的建设及安装计划，其中400MW用于零碳NH₃的制造^注3）。除此之外，根据计划，预计总计将建成规模达4GW的可再生能源电解制氢设备用于零碳NH₃的制造，建成后预计每年可生产约180万吨零碳NH₃。

日本经济产业省于2020年3月制定了“新国际资源战略”^注4），在该战略中，“扩大燃料氨的利用”被定位为解决气候变化问题和能源获取的重要手段。为落实该战略，将对零碳NH₃的采购和发电利用进行详细的可行性研究，并实施与火力发电、工业炉、船舶利用相关的实证项目^注5)。

2 绿氨财团（GAC）

在SIP“能源载体”项目（2014～2018年度）的实施过程中，技术开发和研究调查逐渐取得成果。从2017年开始，当NH₃可以直接用作燃气轮机发电、锅炉和燃料电池的零碳燃料的可能性变得明显时，开始考虑将其在现实中实现。在由多个研究课题组成的项目中，信息往往会在研究小组之间被分割，但在SIP“能源载体”项目中，为了便于参与研发的广泛领域的相关人员之间能够掌握零碳NH₃相关的研究开发、调查整体的进展状况，设置了跨研究小组的信息共享场所。此外，还积极向包括海外在内的外部企业和机构提供部分研究进展情况和成果相关信息，其目的是促进国际范围内广泛领域相关人员的协作和及时配合，以构建价值链。

2019年4月，在SIP“能源载体”项目结束后，为了继续相关领域的研究，由SIP“能源载体”项目的参加者自愿成立了绿氨财团（GAC）。该财团旨在“实施技术开发/评估、政策建议、国际合作等，以构建从供应到利用的零碳NH₃价值链”^注6)。从一开始，GAC就对未参与SIP“能源载体”项目的企业和机构保持开放态度。截至2020年4月1日，已有68家企业和16家日本公共（研究）机构等加入GAC（【图1】）。其成员组成中，包括最早引入零碳NH₃的电力行业的主要电力公司，联合了有望成为主要供应商的海外企业、海外公共机构、承担商业分销的商社、海运公司，以及NH₃燃烧机器和设备制造商等构建价值链所需的相关部门的企业群。

【图1】绿氨财团

另外，海外企业和海外公共机构中，不仅包括可再生能源资源丰富的国家，还包括迄今为止在化石能源资源市场中发挥主要作用的国家机关和企业。后者着眼于能源的脱碳化运动，通过将本国的化石能源资源（利用CCS/EOR等技术）转化为零碳能源进行出口，从而在未来对本国赋存丰富或是企业自身拥有开采权的资源进行活用。

GAC正在基于如【图2】所示的时间线，进行构建价值链的活动。该时间线与日本政府的“氢能基本战略^注7）”和“综合创新战略^注8）”相吻合，其目标是到2020年左右对小规模零碳NH₃专烧发电（CO₂零排放发电）进行实证，到2025年左右实现在现有燃煤电厂和中型燃气轮机发电中引入零碳NH₃（混烧发电）。

【图2】零碳NH₃价值链的构建时间线

GAC本身不能成为商业交易的主体，但GAC将作为跨越国家和行业界限的广泛相关人员之间轻松交流和合作的平台。此外，在区分零碳NH₃和非零碳NH₃的“零碳NH₃”定义和区分方法的标准制定^注9）等方面将发挥重要作用，以支持构建价值链所需的基础技术开发。此外，由于零碳NH₃不含CO₂，因此要求政府采取支持措施以减少成本障碍^注10），以及调整现有法律法规以实现零碳NH₃的社会实施。

3 零碳NH₃价值链的构建

正如目前所见，零碳NH₃价值链的构建上没有重大的技术障碍；同时，在零碳的“环境价值^注11）”被广泛认可的环境下，零碳NH₃作为燃料在成本上也具有竞争力；此外，如连载六所述，已证实零碳NH₃的供需双方双赢的交易关系能够实现。

零碳NH₃价值链的构建主要由在其中发现商机的企业主导，基于商业和市场规律进行。然而，构建零碳NH₃等能源应用价值链所需的投资非常大，私营企业难以独自承担风险也是事实。特别是在目前零碳环境价值的未来前景尚不明确的阶段更是如此。

此处以现有燃煤电厂中引入零碳NH₃所需的投资额为例。如连载五第2节所述，当日本预计引入NH₃混烧的所有燃煤发电设备（7个电厂的21台设备（输出16.8GW））均20%混烧零碳NH₃时，零碳NH₃的需求量约为每天1.5万吨，每年450万吨^{注12）注13）}。目前标准的NH₃制造设备的产能约为2000吨/天（年产73万吨），因此为了满足供应，需要新建约7台设备，而仅NH₃制造设备本身（不包括公用设备成本）的建造成本也将达到每台约300亿日元（约人民币17.5亿元）。除此之外，为了实现零碳，还需要建造可再生能源制氢设备或CCS/EOR相关设备，因此仅生产用于燃煤电厂混烧的零碳NH₃就需要大量投资。

此外，在利用方面，虽然对现有燃煤锅炉进行改造，使其可以利用零碳NH₃^注14)的成本不是很高，但发电厂需要准备用于装卸零碳NH₃的设备和储存用储罐，还需要铺设新的管道。为此，每个发电厂需要投资数十亿日元。除此之外，如果装卸大量零碳NH₃的话，还必须建设港口。

若有商业前景，则私营企业就会进行投资，而现实情况是，目前政府构筑脱碳社会的信心和具体日程尚不明确，经济环境也面临较大的不确定性，对私营企业来说，做出如此规模的投资决策的风险太高。

为了减轻这样的投资风险，政府和公共部门能够做到的不仅仅是资金方面的支持，以下两点也很重要：

第一，提高商业环境的可预测性，以推动私营企业面向未来采取合理行动。正如目前所见，零碳NH₃市场中，消费者和供应商之间能够实现双赢，并且有潜力成长为一个非常大的市场。由于这种潜在的吸引力，即使进入市场所需的初始投资很大，但商业环境可预测性的提高可能会推动私营企业的自主投资。

第二，在供应方和包括政府在内的需求方的相关人员之间共享零碳NH₃价值链的未来愿景，并且在必要时，以两者呼应的形式，各自采取政策措施，来降低双方的初期投资风险。为此，有必要构筑跨越国界的相关人员之间的稳定合作关系——例如政府间的国际合作框架等。

此外，在私营企业方面，也有一些措施可以利用零碳NH₃的优势来降低此类投资风险。此处“零碳NH₃的优势”是指在NH₃的制造、运输、储存、利用的各个阶段都可以使用现有设备。例如，如果将可再生能源氢等零碳氢作为原料，供现有的NH₃制造设备使用，则可以在不新建设备的情况下制造零碳NH₃，构建零碳NH₃供应链并逐步扩大。考虑到需求方也需要阶段性建造并维护设备，因此能够以这种方式阶段性地扩大供应链也是其优势之一。由此，可以在减轻业务初期投资风险的同时，随着技术可靠性和熟练度的提高，进行必要的额外投资。作为私营企业，不能只是一味地等待商业环境的整顿，而是要在可能的范围内做出努力，这将对供需双方产生波及效果，并有望扩大市场。

综上所述，虽然私营企业应该成为构建零碳NH₃价值链的主体，但是政府在提高投资决策所需的未来商业环境的可预测性、为减轻投资风险提供政策支持、构筑产消双方之间的合作框架等方面发挥巨大作用。

尽管到2050年还有30年左右的时间，但如此规模的投资和设备建造至少需要10年时间，而且，上述措施只不过是发电领域为构建脱碳社会所必要的一部分（例如，如连载五所述，通过在上述现有燃煤电厂中引入零碳NH₃，可减少CO₂排放约2000万吨，约占日本CO₂排放总量的2%）。毫无疑问，引入氢能是向脱碳社会过渡的重要且有力的手段之一（如连载二所述），但在具体引入措施方面，即使通过零碳NH₃形式，相比其他方法障碍更少，引入也十分艰巨^注15）。因此，时间已所剩无几，如果真的想达成减排目标的话，必须马上展开行动。

此前的八篇连载中已经对NH₃作为零碳燃料和氢能载体的潜力进行了探讨。之后将对零碳NH₃与其他氢能载体进行比较，以及介绍SIP“能源载体”项目的具体内容。

注释：

注1）

IEA于2019年6月发布的第一份氢能综合报告。该报告指出，由于NH₃在“氢基燃料”中具有优良的可运输性，当从氢能生产成本低的地区运输到其他地区（如日本）进行利用时，零碳NH₃的形式具有成本优势。此外，基于SIP“能源载体”的研究成果，零碳NH₃有望成为全球包括燃煤发电在内的发电应用的零碳燃料。

注2）

“Ammonia: zero-carbon fertilizer, fuel and energy store,” The Royal Society, February 2020.

注3）

“Ammonia producers dominate hydrogen pilot projects in Australia,” Rystad Energy newsletter, April 2020.

注4）

《新国政资源战略》，经济产业省，2020年3月

注5）

（笔者个人感想）与2014年SIP“能源载体”项目刚开始时相比，人们对NH₃作为零碳燃料的可能性已经有普遍理解。

注6）

请参阅https://greenammonia.org/

注7）

2017年12月，可再生能源·氢能等相关内阁成员会议决定

注8）

2019年6月，内阁会议决定。该“综合创新战略”提出的目标是到2030年引入300万吨的零碳NH₃。

注9）

请参阅连载（七）的4（5）。

注10）

请参阅连载（七）的4（4）。

注11）

请参阅连载（七）的4（4）中引用的“氢能·燃料电池战略路线图”（2019年3月）的记述。

注12）

假设发电效率约为40%，年稼动率约为80%，在一台50万kW的燃煤发电锅炉20%混烧零碳NH₃，则所需量为每天约50吨，每年约13000吨。

注13）

“以CCS/EOR技术为中心的零碳氨的商业可行性评估”、日本能源经济研究所、2019年1月。此外，请参阅连载（五）的2。

注14）

基本上仅改造燃料燃烧器即可。

注15）

另外，构建价值链所需的初期投资额增多是氢能行业普遍存在的问题。与化石能源（碳氢化合物系能源）相比，氢能就其本质而言，单位体积具有的能量少，这增加了需要维护的价值链的规模。其中，NH₃的体积能量密度最大，而且可以利用现有的运输和储存基础设施，因此构建价值链所需的投资相对较小。

（可上下滑动查看）

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翻译：李释云

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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