近日，国际可再生能源机构(IRENA)与氨能源协会(AEA)联合发布报告《创新展望：可再生氨》，指出在未来几十年内，氨作为氢载体、动力燃料的新市场具有重要发展潜力，特别是在航运部门。在1.5℃情景下，到2050年全球氨市场需求预计将达到6.88亿吨，这些氨必须是低碳的可再生氨。目前生产可再生氨的成本高于采用CCS技术的化石氨生产成本，但从2030年开始，可再生氨的成本有望与采用CCS技术的化石氨持平。具体内容如下：
一、未来氨产能和市场需求强劲
氨是用于生产所有其他化学产品的七种基本化学品之一。它是仅次于硫酸的第二大化学物质。大约五分之四的氨用于生产氮肥，如尿素和硝酸铵;因此，它支持全球约一半人口的粮食生产。氨作为一种无碳燃料和氢载体，目前却尚未大规模应用。2050年对氨的需求预计将是2020年的三倍，并且这些氨均来自可再生能源生产的低碳氨。目前，大多数合成氨主要由天然气(72%)和煤炭(22%)生产。氨产业每年排放5亿吨CO2，约占全球排放总量的1%，占化工行业CO2排放的15%-20%。因此，解决氨生产中的碳排放问题是实现化工和农业部门脱碳的关键因素，还将扩大氨作为无碳燃料在交通运输行业的应用。
图1 2020-2050年1.5℃情景下全球氨产量的预测(单位：百万吨)
2020年，全球氨产量为1.83亿吨。在1.5℃情景下，预计到2030年现有市场需求将增加到2.23亿吨，到2050年将达到3.33亿吨。生产化肥需要的氨预计将从2020年的1.56亿吨增加到2050年的2.67亿吨。此外，在未来几十年里，氨作为氢载体、动力燃料的新市场具有重要发展潜力，特别是在航运部门。在1.5℃情景下，到2050年全球氨的市场需求预计将达到6.88亿吨，较2025年增长三倍以上。
图2 2020-2050年1.5℃情景下全球氨市场需求的预测(单位：百万吨)
二、氨的工业生产正转向可再生氨
可再生氨是利用可再生原料和能源(例如生物质、太阳能、风能、水电、地热)生产得到的氨。2021年可再生氨的产量不到2万吨，相当于全球氨产量的0.01%。首个以可再生氢作为原料的氨生产工厂于2021年12月在西班牙投入使用，首个吉瓦(GW)规模的可再生氨工厂正在沙特阿拉伯建设中，计划于2025年投入使用，年生产能力为120万吨。到2030年，可再生氨项目的总产能将达到1500万吨，约占目前全球氨产量的8%，包括54个项目，主要分布在澳大利亚、毛里塔尼亚和阿曼，可再生氨的发展势头强劲，但大多数已公布的项目尚未做出最终投资决定。IRENA分析表明，在1.5℃情景下，到2050年可再生氨的产能需达到5.66亿吨。2025年后，可再生氨将成为全球流通的主要可再生能源商品之一。
三、到2050年可再生氨的生产成本有望低于化石氨
目前，在拥有丰富太阳能和风能资源的地区，可再生氨的生产成本估计为每吨720-1400美元，到2050年将降低到每吨310-610美元。可再生氨要想与现有的化石氨生产竞争，CO2的碳价须为每吨150美元。天然气基氨和煤基氨的生产成本为每吨110-340美元，利用碳捕集与封存(CCS)技术可以对化石氨生产进行脱碳，但CCS的成本因技术和捕集效率的不同而不同，CCS将使每吨生产成本增加100-150美元，因此低碳化石氨的生产成本将达到每吨210-490美元。虽然目前生产可再生氨的成本高于不进行碳减排的化石氨生产成本，但预计到2050年可再生氨的成本将低于化石氨。可再生氨的成本在很大程度上取决于可再生氢的成本，可再生氢占可再生氨生产成本的90%。未来可再生氢生产成本的降低主要取决于可再生能源和电解槽成本的降低，以及Haber-Bosch氨合成工艺在效率和优化存储、缓冲、规模和灵活性方面的收益。由于资本密集型资产利用率的任何提高都能直接降低产品成本，故而每年的运营小时数(容量系数)是决定生产成本的关键因素，这最终可能会给将来波动性可再生电力项目带来挑战。但是通过太阳能风能互补耦合发电系统，电解槽的容量系数可达70%。在该技术加持下，从2030年开始，可再生氨的成本有望与采用CCS技术的化石氨持平。
图3 2020-2050年可再生氨与低碳化石氨的生产成本预测与对比(生产成本左轴单位：美元/吨，右轴单位：美元/吉焦耳)
图4 可再生氨与其他燃料的价格对比(基于每单位能源的价格，左轴单位：美元/吉焦耳，右轴单位：美元/兆瓦时)
四、可再生氨的应用前景广阔
无论是化石能源还是可再生能源生产的氨，其化学结构(NH3)是相同的，因此，可再生氨是化石氨的直接替代品，每年的需求量达1.83亿吨(图5)。现有的化石氨生产工厂可以通过引入可再生氢，取代10%-20%的天然气进行脱碳生产。大多数拟建的可再生氨生产厂都使用太阳能光伏和风能发电，技术和运营创新结合精心选址和项目设计，可以促进太阳能和风能的集成一体化。在现有市场之外，可再生氨还可以作为低碳能源，例如用作氢载体，或作为燃料用于海运、动力和供热。与碳基氢载体相比，氨的优势在于利用氮作为氢载体，因为大气中氮气含量高达78%，提纯大气中的氮的成本比CO2低，并且氨燃烧没有CO2排放。到2050年，在1.5℃情景下，这些新能源市场的可再生氨需求将增加3.54亿吨。
图5 2019年全球氨需求市场情况
五、促进氨生产向可再生氨过渡的十大行动
(1)对CO2排放设定较高的碳价。目前，当CO2的碳价约为60-90美元/吨时，才能弥补化石氨与低碳化石氨生产成本之间的差距;当CO2的碳价约为150美元/吨时，才能弥补化石氨与可再生氨生产成本之间的差距。
(2)努力推进相关政策颁布实施。无论是否对CO2 排放定价，对燃料标准和可再生能源配额或授权强有力的监管措施，都可以最终促进价格激励，从而实现可再生氨市场的持续增长和投资。因而适当的政策手段是至关重要的，这可以确保公平的税收待遇，并为更广泛地采用可再生氨和其他有前景的可持续燃料提供长期稳定的价格下限。
(3)积极推广现有可再生氨技术部署。目前的重点应该是大规模实施现有技术，而不是开发新的突破性技术，因为可再生氨价值链中的大多数副产物都已证实具有经济效益。目前部署的重点应在于提高氨合成工艺的灵活性，提高电解槽的性能，提高氨裂解装置的性能，以及降低当前技术的成本。通过部署现有技术来创造短期市场，从而长远推进技术创新。
(4)支持整个供应链的发展。资助项目应将范围扩大到氨和其他氢载体。单一技术(如氢或太阳能电池板)的资助项目更倾向于支持早期的研发和试验项目。更广泛的资助项目侧重于这些技术的应用(如电制燃料、能量储存)，通过连接跨生产的价值链来支持部署。由于国内生产可能无法满足需求，也需要引入外资，以支持全球供应链的发展。
(5)促进国际合作以降低供应风险。为了在生产和消费地区创造就业机会并鼓励有竞争力的可再生氨新产业，必须促进国际合作。同时，增加对可再生氨产能的投资可以扩大能源和原料供应范围，并将政治风险降至最低。
(6)开发并资助电解槽制造技术。未来十年千兆瓦规模的电解槽工厂的需求量将不断增加。由于规模经济的加速发展，这种大规模电解槽工厂的发展必然会降低电解槽生产的成本，将使可再生氨比化石氨更有竞争力。
(7)政府将采取措施降低早期投资风险。政府需出台相关激励措施帮助首批建设千兆瓦规模可再生氨厂的投资者降低投资风险。在运营支出(OPEX)方面，投资可以通过CfD或绿色溢价、可再生授权、采购合同和承购担保，或拍卖项目的中间担保买家来降低风险。
(8)不断优化可再生氨生产技术。目前生产尿素的合成氨工厂可以通过整合CCS技术、eSMR技术(电气化蒸汽甲烷重整)改造或用可再生氢气替代化石燃料实现脱碳，这代表着现有的每年约8000万吨合成氨的产能可以实现脱碳目标。
(9)支持需求侧逐步淘汰化石燃料。政府和监管机构应该鼓励现有的化石燃料资产加速向可再生能源过渡，减少对化石燃料的需求。改造现有设备往往比建设新设备更具有成本效益，特别是在初始扩大规模阶段。对于电力部门和海运部门，目前的技术可以通过改装设备来使用氨燃料，这比建造新设备的成本更低。
(10)重新评估氨在氢能战略中的作用。在肥料生产的背景下，大多数氢能战略只考虑了氨作为氢的消费者，而忽略了它作为燃料和氢载体的潜在功能。在将氨作为氢载体的情况下，氨应在可能的情形下直接使用，而不是使用从氨分解中获得的氢气。因此，氨可能是大规模进口氢气的最具成本效益的载体，并且对氨的直接使用可以进一步提高成本效益，需重新评估氢和氨在国家氢能战略背景下的角色。
