绿氨、氢载体和储氢

目前氨的火热，是寄希望于氨起到什么作用呢？

1-做为氢载体在终端裂解制氢。

2-要么代替氢做为能源（比如氨掺烧发电、氨动力船舶），逻辑上讲还是解决氢储运问题。

3-从发电侧来看，风光电力企业站在高比例可再生电力消纳（比如80%），就会面临储电的成本远高于制氢。电解水制氢消纳电力后，氢的出路需要解决（还是储运问题）。

比如“上海市氢能产业发展中长期规划（2022-2035 年）”提到的有关氨-氢和氢储运的描述如下：（一）打造科技创新高地 2、加强产业创新能力建设：围绕前瞻和颠覆性技术开展研究布局，重点开展新型氨氢转换、固态储氢、乙醇重整制氢、液态储氢、新型催化剂等方面的研究，持续加强基础研究，强化颠覆性技术的前瞻布局。（三）筑牢供应设施基础2、逐步推动氢能输运“网络化” ：重点发展高压气态储氢和长管拖车输氢，按照低压到高压、气态到多相态（低温液态、固态、氨氢转化等）的方向逐步提升氢气的储存运输能力。探索开展氢-氨、液氢的长距离运输工程规划，研究建设氢-氨转化和液氢集散中心。整合长三角地区富氢区域的氢能资源，构建地区外供氢和制氢相结合的供氢方式，保障氢源稳定供给。

氢-氨转化集散中心，貌似是指的氨-氢转化即氨裂解制氢？否则为啥跟液氢并列呢。合理么，会有效么？

我们来分析一下。

目标加氢站：效率上氢-氨-氢只有60%

氢-氨-氢效率=60%，从效率的角度讲（非经济性），作者看空氨做为氢载体的价值。但是我们认为从经济性上，氨裂解制氢有一定市场潜力，主要是针对加氢站。

 

氢-氨-氢有可能降低加氢站氢气价格

 

绿氨成本

上一篇我们讨论了绿氨成本，举了2篇技术经济分析的学术文章，分别被IRENA/AEA的“创新展望:可再生氨”2022引用了4处和6处。这次换一篇：

Armijo J, Philibert C, Flexible production of green hydrogen and ammonia from variable solar and wind energy: Case study of Chile and Argentina, International Journal of Hydrogen Energy，2020

 

该篇发表仅2年，被引用高达90多次。IRENA/AEA的“创新展望:可再生氨”报告中9个位置提到该篇技术经济性分析。有5个不同的政策性报告引述其分析结果，如下图。

该文中的智利Taltal地区，风光互补性极强基本不需要储，见下图。

图A-a表明，平均日周期与太阳周期具有良好的互补性，如图A所示，从晚上10点到早上8点，风力强劲。在b中，可以看到，与太阳辐射相反，冬季（六月至九月）的风也更强烈。

这么好的资源，风光耦合离网制氢和氨的成本是多少？绿氢为14.2元/kg，绿氨为3,262元/吨，以此为基准进行氨-氢路径测算（过程见文末“测算过程1”），如下图。

1-氢-氨-氢路径，实现加注口成本低于45元，绿氨成本很可能不能高于4200元/吨（目前氨的市场价）

2-运输距离需要大于一定值，比如100公里以上，才能体现氨的价值。

3-考虑长距离运输，氨-氢路径是降低加氢站成本的潜在手段。

4-如果利用氨分解做为“门站”（所谓氢-氨集散中心？），门站到加氢站的运输成本不可忽略不计。门站供氢采用氨分解，需要像天然气门站似的流量可控，这就要氨分解可开可停可调产能，个人认为不如直接站内制氢。

5-氨-氢路径是个复杂的脏活累活技术活，风光-氢-氨-氢，每一步都需要优化/降本增效，才能保住终端加氢站用氢的质量和成本具备经济型。图中36元已经是非常乐观的最低值了，每一步的不及预期都会提高最终成本。

6-逻辑上（笔者没有计算）甲醇-氢路径跟氨-氢路径类似。区别在于，甲醇可以直接做动力能源。合成天然气也是。

 

 

未来风光发电、电解槽的成本下降50%是可期的，那么最终的氨以及其它X产品的成本也将降低30%左右。乐观的估计2050年，世界上最好的资源，可以达到绿氢和绿氨分别达到10元/公斤，2,282元/吨（0.54元/kWh）。

 

绿氨成本依然受制于储氢成本

 

变成氨可以解决运输问题，可解决不了储氢问题！

 

绿氢的最大问题就是制氢波动性和用氢稳定性的矛盾，必须通过储氢来解决。电池仅能解决小时级别的氢波动。储氢罐，一笔带过可以说是缓冲罐（buffer），说的轻松，成本极高！储氢到底有多贵？本次引述的绿氨经济性分析，储氢采用高压气态，400美金/公斤。这一数字是国际上经济技术分析经常采用的“偏低值”。

什么？氢运输才多少钱一公斤，咋储氢就两三千一公斤了？！运输费用是折合整个生命周频繁周转的，每次周转都有收入。P2X的储氢罐就放在那里给自己的装置用，产能固定，收入固定，一年充放氢1次和充放氢365次对储氢成本摊薄没有作用。

依然以上一篇440MW电解水，42500吨氢（116吨/天）、24万吨氨每年为例，如果储5天就是2.32亿美金储氢投资。按WACC为7%，寿命30年，OPEX占比2%计算，折合每吨97美元（630元/吨）。见文末测算过程2。

不想储氢怎么办？合成X的装置具备良好的灵活性！

上图片，该图片展示的电转氨项目地址是阿根廷巴塔哥尼亚：

 

根据作者的模拟计算，40%合成氨灵活性和80%合成氨灵活性，带来的结果除了储氢量的大幅降低（3.5天降低至0.58天），还带来了风-光-电解水功率配置不同，最终每吨氨的成本又710美金降低为517美金！‍

有没有便宜的储氢方式？有，但都依赖于地质条件，即地质储氢。

以后会单独发文讲储氢和氢储能。本文先抛出一些参考资料。

盐穴储氢和压缩气态储氢对比

储氢方式	放氢速度	所需容量	储氢单价	1天储氢投资	5天储氢投资
盐穴 60-200Bar	8%每天（40%气体需要留存保障压力）	2416吨	115元/kg*	2.78亿	2.78  亿 放氢速度慢，但足够13天。
储罐 20-200Bar	100%每天	116吨	2,600元/kg	3亿	16亿

*Fasihi，Applied Energy 294 (2021) 116170；M. Reuß et al. / Applied Energy 200 (2017) 290–302，采用50万m3盐穴的成本是 81,000,000Eur.

美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）最近发表的“面向多能源输送途径和电网服务的氢能储存技术经济评估框架”（Energy, 249, 2022），根据其开发的氢能储存评估工具（HESET），评估如何最大化氢储能带来的效益，采用的是Salt Cavern盐穴储氢。

美国国家可再生能源实验室NREL在2021年发表的“支持高可变可再生能源电网的长时间储能和灵活发电技术的技术经济分析”（Hunter et al., Joule 5, 2021），氢储能方面也采用的盐穴和地下管线储氢(Underground Pipeline)，如下图。

彭博新能源财经BNEF2020年氢经济展望，在预测未来氢至用户成本时，同样采用了盐穴储氢和岩洞储氢(Salt Cavern)。

来源：BNEF: Hydrogen Economy Outlook Key messages March 30, 2020

 

由于地质条件限制我们无法实现盐穴储氢，那么对于离网的P2X，出路只有两个：

1-项目地点限制于风光互补、波动性低的地理位置。

2-合成工艺步骤高灵活性动态操作，减少氢气储存量，使得高压气态储氢成本可接受。

目前对于合成氨和合成甲醇，动态操作目前处于早期发展阶段（传统工业上不需要动态操作）。据说某国外项目，遇到恶劣天气，合成氨停车后需要一周多才能重新恢复到正常负荷生产。

当然，在风光电力不足时，接入电网电来获得稳定性，技术上没有任何问题。本文的逻辑仅限于离网集中式。

X里有一个例外，即生物法甲烷化可以动态操作，即采用厌氧菌为催化剂的反应工艺（常温常压或低温低压），如下图。

有对生物法CO2+H2甲烷化感兴趣的，请联系我们。请注意：实验室阶段；P2X从能源属性上看目前都没有经济性。

 

----------------------------------------------------------------

测算过程1：1kg的氨，运送至加氢站端，经过裂解和纯化获得的氢为4.1kWh（不含压缩）。

3.26元/kg氨，3.26/4.1=0.79元/kWh，0.79*33.3=26.3（H2热值33.3kWh/kg），压缩之前价格为26.3元/kg；加氢站成本假设为10元/kg，则加注口成本为36.3元/kg。

以本周合成氨均价4200元/kg，则氨-氢路线的加注口成本为44元/kg。

3260元/吨绿氨 = 36.3元/kg H₂（加注口价格）

灰氨市场价=44元/kg H₂（加注口价格）

氢的成本约为14.2元/kg，假设100多公里运输（小规模，点对点，不考虑集中储氢）约14元/kg，则至加注口成本为14.2+14+10=38.2元/kg，比氨-氢高5%。

假设500公里综合储运20元/kg（见上一篇），则14.2+20+10=44.2元/kg，比氨-氢高21%。

柴油重卡百公里油耗35L和氢重卡百公里耗氢8公斤计算：

柴油 元/L	7	8	9	10
氢 元/kg	30.6	35	39.4	43.8

碳税：柴油碳排放约2.7kg/L（网络数据），假如碳税高达700元/吨，折合约1.89元/L

测算过程2：

生产成本=，ANF是Annuity Factor年金因子，CAPEX是设备资本成本，OPEX是运营维护成本，Fuel是燃料（电力）成本。

，其中N是设备寿命，

WACC是加权平均资本成本WACC(weighted average cost of capital)。

WACC=7%，寿命-30年，对应8%的年金因子ANF。

CAPEX=116*1000*5*400=232,000,000美金

CAPEX*8%+OPEX=23,200,000美金

单位成本为：23,200,000/240000=97美金/吨