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为降低氨生产的碳排放，研究人员对比 SMR、PEMEC 和 SOEC 制氨路径，发现当前 SMR 成本最优，未来 SOEC 潜力大。
氨电解制氢技术的经济与环境效益分析：欧洲市场的洞察与展望
在全球努力应对气候变化的大背景下，实现温室气体减排、限制全球变暖已成为全人类的共同目标。氨（NH3?）作为一种重要的化工原料，在农业、工业等领域有着广泛应用，比如它是合成氮肥的关键原料，全球约一半人口的粮食供应都依赖由氨制成的合成肥料。然而，传统的氨生产过程却是温室气体排放的 “大户”，目前其排放约占全球二氧化碳（CO2?）排放的 1% 以及化学行业排放的 15 - 20%，这主要源于氨合成上游的氢气生产环节，且大部分氢气是通过蒸汽甲烷重整（Steam Methane Reforming，SMR）法制备的。
为了寻找更环保、更经济的氨生产方式，来自国外的研究人员开展了一项针对不同氨生产途径的研究。该研究成果发表在《Advances in Applied Energy》上，其对于推动氨生产行业的可持续发展具有重要意义。
研究人员在研究过程中运用了多种技术方法。首先，构建了详细的工艺模型，对基于 SMR、质子交换膜电解槽（Proton Exchange Membrane Electrolyser Cells，PEMEC）和固体氧化物电解槽（Solid Oxide Electrolyser Cells，SOEC）的氨生产工厂的主要组件进行精确建模，以此来准确计算其电力和热能消耗。其次，采用生命周期成本（Levelised Cost Of Ammonia，LCOA）评估方法，综合考虑资本支出和运营支出，对不同生产途径进行经济比较。此外，还对电力和天然气价格进行了广泛的敏感性分析，以确定不同市场情景下各生产途径的成本竞争力。
下面来详细看看研究结果：
- 投资成本：研究发现，基于 SMR 和 PEMEC 的工厂资本支出（CAPEX）相近，分别为 23700 万欧元和 24500 万欧元，而基于 SOEC 的工厂最昂贵，达到 27200 万欧元。氢气生产系统是影响成本的主要因素，其中 SOEC 系统的资本成本较高，反映出其较低的成熟度和市场渗透率。
- 氨的生命周期成本：以当前欧洲市场的电力和天然气价格（分别为 0.10 欧元 /kWh 和 0.05 欧元 /kWh）计算，SMR 是成本效益最高的解决方案，氨生产成本约为 786 欧元 /tNH3?。在电解氢方案中，尽管 SOEC 的资本成本较高且使用寿命较短，但因其较低的单位能耗（41.2kWhe?/kgH2? ），使得其成本效益优于 PEMEC，LCOA 值分别为 1174 欧元 /tNH3?和 1368 欧元 /tNH3?。研究人员进一步分析了欧洲各国的情况，发现碳税在决定 SMR 和电解技术成本平价方面起着关键作用。在芬兰和瑞典等电价较低的国家，现有碳税水平已能实现成本平价；而在荷兰、爱尔兰等天然气价格远低于电价的国家，要实现成本平价则需要高达约 900 欧元 /tCO2? 的碳税。
- 电力和天然气价格的影响：通过敏感性分析，研究人员发现 SOEC 和 PEMEC 的成本仅受电价影响，而 SMR 则受电价和天然气价格共同影响，且天然气价格的影响更为显著。当电价极低（约 0.02 欧元 /kWhe? ）时，PEMEC 最具成本效益；在电价为 0.04 - 0.08 欧元 /kWhe? 区间，SMR 在低气价时最优，SOEC 在高气价时更优；当电价达到 0.10 欧元 /kWhe? 及以上时，SMR 则成为最具成本效益的选择。
- 未来情景下技术的成本竞争力：研究人员预测了 2030 年和 2040 年的情景，预计 SOEC 和 PEMEC 技术将取得进步。结果显示，SOEC 在多种电价和气价组合下将成为成本最优的解决方案，尤其是在电价低于 0.08 - 0.10 欧元 /kWhe? 时。相比之下，PEMEC 由于较高的单位电耗，竞争力不如 SOEC。如果碳税增加，将进一步提高 SOEC 在较高电价下的经济可行性。
- 特定二氧化碳排放：传统的基于 SMR 的氨合成显著增加了全球二氧化碳排放。研究表明，使用电解氢可以为氨生产脱碳提供途径，但这高度依赖于电解槽所用电力的碳强度。当电力碳强度低于特定阈值时，电解法生产氨的碳排放低于 SMR 法，PEMEC 和 SOEC 的排放阈值分别为 200 和 260 gCO2?/kWh。然而，目前许多欧洲国家的电网电力碳强度仍高于这些阈值，这意味着在这些地区，基于化石燃料的氢气生产（通过 SMR）目前导致的CO2?排放低于电网供电的电解氢生产。为了推动氨生产向更绿色的方向发展，欧盟颁布了新的可再生能源指令（RED III），对氨的生产提出了严格要求。
综上所述，该研究全面比较了不同氨生产工厂的经济成本和CO2?排放情况。在当前情景下，SMR 因天然气价格优势和自身高效性成为成本效益最高的解决方案，但要使电解技术在成本上与 SMR 竞争，电价需大幅下降或碳税需显著提高。未来，随着技术的进步，SOEC 有望在更广泛的电价范围内与 SMR 竞争。此外，研究还强调了电力碳强度对电解氢碳足迹的重要影响，以及制定针对性政策推动氨生产与可再生能源整合的必要性。该研究为氨生产行业的可持续发展提供了重要的参考依据，有助于指导未来的技术研发和政策制定，以实现降低成本和减少排放的双重目标。
