氨分解(竞逐绿色能源新“战场”,氨能源或将掀起新一代能源革命)
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氨分解(竞逐绿色能源新“战场”,氨能源或将掀起新一代能源革命)
竞逐绿色能源新“战场”,氨能源或将掀起新一代能源革命!
2020 年以来,全球各大主要经济主体及地区,以逐渐形成“ 绿色发展”为核心的发展理念,碳中和计划成为全球热词,以光伏、风力、氢能等为代表的清洁能源发展开始加速,一场新的能源革命正在徐徐拉开大幕。
一直以来,化石燃料燃烧所产生的二氧化碳所占比重最大,是最主要的人为温室气体,如不尽快采取实质行动,大气中二氧化碳浓度将会超过450ppm的警戒值,到21世纪末全球温升将超过4摄氏度,对人类生存将构成重大威胁。同时随着人口增长和城镇化、工业化的快速发展,全球化石能源资源有限,开发成本不断增大,保障全球能源供应面临巨大压力。而我国国情多煤少油,煤炭发电占比居高不下,石油依存度不断上升,加快发展清洁能源成必然趋势。
高碳排的化石能源占比居高不下,清洁能源亟需加快发展
资料来源:银河证券
目前我国风能、太阳能、水能发电数量位居全球第一,其中风能、太阳能相关技术遥遥领先,近年来相关投资增速不断加快。但这些新能源都有一个特点,就是供给波动较高,发电量容易受到天气环境的影响,需要配套相应的储能设备,费用高昂。那有没有一种清洁能源,它既具备资源丰富又具备供给稳定的特性?如果真要寻求一艘“诺亚方舟”去承载这个梦想,神奇的“氨”就是这样的一种奇妙物质。氨燃料是上天对中国的厚待,中国氨产量占据全球的半壁江山,合成氨厂遍布全国,拥有得天独厚的发展环境!
什么是氨能源
顾名思义,氨能源是一种以氨为基础的新能源,旨在用无碳化合物代替化石燃料来减少排放,是一种清洁能源。美国、加拿大、荷兰、日本等国家的学者均在积极探索氨能的发展潜力。
氨的特点在于其可完全由可再生能源(如水、电、空气)生产,这与碳基原料不同。在内燃机燃烧的氨,没有硫氧化物、二氧化碳、颗粒物的排放,氮氧化物也能通过广泛应用于柴油发动机尾气处理的SCR系统减排或移除。我们完全可以说氨是一种低碳、无污染、环境友好型能源。不仅如此,价格相对低廉,低空燃比,安全性高也是氨的特点。
氨能源的优势
存储与燃料成本低。氨气只需要10 bar压力加上-10摄氏度即可液化,非常便于储存和运输,油轮和油罐车都可以安全输送。而且据相关报告指出,氨储存后的可利用率高达99%,储存损耗极低。另外,从下图可以看到未来的氨气燃料成本是很低的。而且随着电解技术的提高,预期电解氨的成本也会大幅下降。
总燃料成本预期
数据来源:英国南安普顿大学
供给充足。氨能源的制备原料不受限制。由于氨可以通过正负极翻转方式,利用水和氮气制备氨,或者使用可再生能源由来的二氧化碳氢加钌元素催化合成氨,所以氨的原料理论上不受限制的且可以绿色的。此外,使用世界化肥产业已有140年历史,供应链日臻成熟,大规模合成氨的理论成本具备吸引力。
工业制氨流程
数据来源:Science
氨能源利用效率较高。以相同运力需求的船舶为例,在与众多能源的比较中。氨能源价格排倒数第四低,在重量与体积的比较下,重量低、体积小、密度大,在排名中处于较好的上游排名。而在环境清洁方面氨是仅次于氢的。
相同船舶运力下不同能源横向对比
数据来源:英国南安普顿大学
氨能源的应用与前景
首先,船舶是率先使用氨能源的运输工具。国际能源机构认为,预计到 2060 年将有 60% 以上的新船使用氨或氢作为燃料。据著名清洁能源公司Haldor Topsoe 的预测,300GW风电装置就能满足船舶能源消耗的30%。
其次是电力。日本政府已经计划将氨发电作为主力发电能源。日本IHI公司在2020年12月已经成功开发在天然气中混合60%氨燃料,与纯天然气燃烧相比,减少60%二氧化碳排放,NOX氮氧化物排放也符合环境标准。从日本政府的氨燃料消费计划表中可以看出,日本为了减少风力发电与太阳能发电的天气限制,完成提到过的2050年之前温室气体0排放的目标,采用了环境友好的氨能源。日本政府预计氨消费量在2050年将达到3000万吨,市场规模有1万7000亿円(约合人民币994亿人民币)
日本政府氨燃料预期消费量
数据来源:日本政府公告
而早在2017年澳大利亚可再生能源事务处已经开始可再生能源出口经济工作,在2018年提供经费2000万澳元用于包含氨在内的可再生能源研究。
最后,液氨是富氢物质,是氢能的理想载体。美国西北大学研究人员Sossina M. Haile表示,氢燃料电池的弊端一直是缺乏用于输送的基础设施,且运输氢既困难又昂贵,但一个广泛的氨水运送系统已存在,能帮助氢能源的储运。
氨能源是富氢载体,能帮助氢能利用
数据来源:知乎
氨能源产业链分析
氨能源的产业链主要分为氨气的制备、运输保存、应用三个方面。
氨能源产业链
资料来源:知乎
在上游氨气制取方面,目前行业内较为常见的制氨法大致有三种,分别是天然气制氨(程序复杂,效率较低)、重质油制氨(粉尘多、噪音大、碱液污染)以及煤炭制氨(污染气体排放大),而在我国的氨气制造方式是煤(焦炭)制氨,在制造过程中会有大量的污染气体排放(二氧化硫、一氧化氮等),且烧煤维持制取过程中会产生粉尘、二氧化碳等,对于环境破坏加大,制备效率较低,使得氨气作为工业气体或燃料的性价比较低。
近期,以电炉代替传统煤炉的分解炉取得技术突破,在风电、光伏等新发电方式下,电产能上升,国内光伏发电产能过剩的大环境下,合理运用电能制氨将会是电转化为其他燃料的大趋势,新方法在制氨过程中效率大大提升,气体粉尘污染降低,作为一种一种价值高、风险低的燃料,后续需求将会上升。
制氨电炉设备
数据来源:公开资料
中游储运方面,相较于氢气保存运输成本较高来说,低密度气体运输所需压力大,对于压强稳定性要求极高,极易在移动运输中发生爆炸风险,而液氨的移动运输保存安全系数较高,20℃、891kPa下即可液化,对于压强的敏感度低于氢气,只需罐体做好无氧封箱措施,人员注意合规安全运输即可。目前,移动运输液氨工艺十分成熟,全球已有120多个港口可以处理氨气产品的进出口,此外还有大量氨气存储设施。这些基础设施为船用氨气燃料的供应打下了良好基础。
最后,在下游的应用方面,氨气的主要应用场景大致分为三类。首先,是以燃料形式作为能源供给(船舶燃料),目前重燃油的使用在船舶运输最为普遍,航运业若想实现气候目标,就必须逐步淘汰重燃油,日本近期规划到2025年,日本船舶将有超三分之一将会以氨作为燃料。
成本价格对比
数据来源:能源发展规划
其次,是作为新能源车电池替代相关的氨基电池领域,目前新能源汽车以三元锂电池为主,在后期的电池污染回收将是未来所需要面临的大问题,使用绿色气体燃料电池作为替代能源已在行业取得一定共识,因此推广应用替代燃料非常有必要。
最后氨作为制氢的手段之一,在制备过程中,对比传统电解水制氢而言,所需要的能耗低,成本优势明显,且制成氢的纯度优势巨大,且较容易储存。未来可以作为制氢的主要原材料。
氨气制取氢气
数据来源:公开资料
结论
综上所述,氨作为一种新型可持续能源,其空燃比低,燃烧损失小,制备成本低,未来发展潜力巨大。伴随着经济不断发展,交通压力增大,环境污染严重,中国今后的发展,包括在当今世界形势之下,如何去解决能源依存度的问题,时时刻刻考验着每一位能源领域的参与者。而中国的氨产量占据全球的半壁江山,同时氨的运输体系和分布网络在世界上可以说是最完善的,因此,氨在解决国内能源依存问题、降低碳排放等诉求上将发挥越来越重要作用。我们预计,后续相关部门也有望出台相关政策,大力支持氨能源产业发展,届时,氨能源相关产业链将迎来投资良机!
本文为越声理财投研部针对新能源领域研究的系列文章之一。随着我们研究的深入,后续将就这个系列推出更多研究性文章,提示更多具备深度价值的产业链投资机会。希望各位读者保持关注。
越声理财投研部
2021.06.23
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