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2023中国绿氨产业研究与前景展望 2023 Research and Prospect of China’s Green Ammonia Industry ©2023.11 SixSigma Research 「云点道林 Sixsigma Research」为精品投资银行「云道资本」下属研究机构以专业的数据信息、敏锐的市场洞察和创造灼见的研究咨询服务赋能中国创业企业、产业绿色化工 | 绿氨绿色化工必由之路，绿氢应用新方向，万亿级产业方兴未艾绿氨是无碳化的氨合成与生产，由绿电制取的绿氢与空气分离得到的氮经过一定的合成工艺合成为绿氨；绿氨在清洁动力燃料、清洁电力燃料（火电掺烧）、储氢载体等新应用场景与市场拥有极大的应用潜力，其渗透有望不断快速攀升， 2030年全球年产量有望超 2000万吨， 2050年超 5.6亿吨，成为全球新型清洁能源供应体系的重要一环。绿色化工 | 绿氨绿色化工必由之路，绿氢应用新方向，万亿级产业方兴未艾氨是大宗基础化工品，具备原料、燃料双重属性，应用场景广泛、当前以生产化肥为主；合成氨属于能量密集型产业，是中国乃至全球碳排最高的化工产业，向绿色低碳转型势在必行，受资源禀赋及技术成熟度影响，各国家地区向绿氨转型技术路径有所差异由氢的碳足迹决定，氨的制备可分为灰氨、蓝氨、绿氨三类；绿氨绿电制绿氢耦合合成氨生产，实现清洁零碳排放的高效合成氨工艺，技术工艺尚未定型，比较来看，柔性的低温低压法更适应绿氨的生产工况，有望成为大规模制取绿氨的主流技术路径随着绿电电价下降与电解技术的成熟，绿氨成本将持续下降；中国绿氨经济性竞争力可期，制备成本有望在 2050前后降至 240美元 / 吨；细分场景来看，绿氨制备与船运燃料、氢储运等场景下，绿氨已具备一定的竞争力，火电掺烧场景短期内仍需依赖政策驱动全球范围来看，各国家及地区关于绿氨的鼓励性政策持续出台，全球规划中的绿氨产能已超 7000万吨；细分地区来看，澳洲及中东有望凭借成熟的合成氨产业基础以及丰富的风光资源成为未来全球最大的绿氨生产中心，日韩则为绿氨政策确定性最强的地区氨的简介与产业概况 Part Ⅰ 氨是大宗基础化工品，具备原料、燃料双重属性，应用场景广泛、当前以生产化肥为主；合成氨属于能量密集型产业，是中国碳排最高的化工产业，向绿色低碳转型势在必行，受资源禀赋及技术成熟度的影响，各国家地区向绿氨转型的技术路径有所差异 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 氨，化学分子式为 NH3，常温下是一种无色气体，易挥发、可燃、其强烈刺激性气味极具辨识度。氨目前是世界上生产及应用最广泛的基础化学品之一，具有原料和燃料双重属性。目前全球 80以上的合成氨用于生产化肥。就中国而言，目前合成氨主要有农业、工业、储能新增用途）等三大类用途。从 2020年的数据来看，农业用氨占比 71，工业使用占比 29，氨作为储能介质用途尚不成熟，占比不足 1；氨的简介与产业概况氨大宗基础化工品，原料、燃料双重属性，应用场景广泛、当前以生产化肥为主原料用途燃料用途 71 农业用氨 29 工业用氨船舶动力固定式发电污水处理炸药冷冻剂化肥中国合成氨的主要用途 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 氨的简介与产业概况全球范围看，氨产能十分集中，贸易属性强，中国合成氨长期处于贸易逆差地位目前，氨的生产目前主要是基于拥有一百多年历史的哈伯 -博世法，该方法以煤炭、天然气等化石能源为原料，适用于连续、集中化、大体量的合成氨生产；基于这一成熟的工艺，全球每年合成氨产量为 2.5亿吨左右，且产能分布主要受化石能源禀赋的影响，主要产自中国、印度、俄罗斯和美国四个国家；中国与印度虽然是合成氨产能大国，但由于农业化肥、工业消耗量大等原因，同时也是氨的主要进口国；俄罗斯则是全球主要的净出口国；全球范围来看约 70 的合成氨用于进出口及国际贸易。美国俄罗斯中国印度全球合成氨主要产能区域 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 进口出口合成氨进出口量（万吨）数据来源国家统计局、国际可再生能源署（ IRENA）氨装载（出口）设施氨卸载（进口）设施 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 氨的简介与产业概况国内范围看，氨能的供给侧产能结构调整效果显著，产能集中且稳定，但仍需进口 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 总体上，中国是世界上最大的合成氨生产国和消费国，合成氨产业遍布全国，具有良好的产业基础。自 20世纪 50年代来，中国合成氨工业不断发展壮大并已成为世界上最大的生产国，产量约占全球的 30；但 2010年以来中国合成氨产能过剩率已超 30。 2016年工信部印发石化和化学工业发展规划 2016年 -2020年明确原则上不再新建以无烟块煤和天然气为原料的合成氨装置，且行业主要以去产能为主基调。 “十三五”期间，工业和信息化部要求合成氨行业淘汰落后以及过剩产能不得少于 1000万吨，同时伴随着相关工艺的改良与成熟，产能有效利用率也在不断上升，因此近年来整体上中国合成氨产业呈现产能逐年减少、产量总体稳定、仍需进口填补缺口的局面。中国合成氨产量（万吨）中国合成氨进口情况 71.9 93.9 105.5 115.4 80.922212 33779 31355 35515 40236 0 20 40 60 80 100 120 140 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 2017 2018 2019 2020 2021 进口量（万吨）进口金额（万美元）数据来源国家统计局 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 氨的简介与产业概况合成氨属于能量密集型产业，是碳排最高的化工产业门类，向绿色低碳转型势在必行合成氨工业属于能量密集型产业，近些年合成氨的能源消耗约占全球能源消耗的 2 （最高时近 10）。另外，合成氨生产过程中每年约有 5亿多吨的二氧化碳排放，约占全球碳排放总量的 1-2、占化工行业 CO2排放的 15-20。通常每生产 1 吨氨，释放将近 2 吨的二氧化碳，合成氨行业的节能减排压力巨大，亟需进行绿色转型。中国合成氨主要是煤制合成氨，约占总产能的 75.5，其余主要为天然气原料，约占总产能的 21.4。碳排量巨大，目前合成氨行业已成为中国碳排最高的化工行业；目前中国的国家政策也在大力鼓励绿色低碳技术生产合成氨，到 2025 年，合成氨行业能效产能比例将从 2020年的 7提高到 15。未来随着行业技术的发展，我国合成氨将新增更多的绿色节能生产装置，行业产量也将不断增长。 0 5 10 15 20 25 煤制乙二醇碳酸钠对二甲苯苛性碱乙烯煤气 /煤液化碳化钙甲醇炼油氨中国化工产业不同行业年碳排放量（千万吨）中国范围来看全球范围来看 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2020 2050-S 2050-D 2020 2050-S 2050-D 2020 2050-S 2050-D 中国中东欧洲 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2020 2050-S 2050-D 2020 2050-S 2050-D 2020 2050-S 2050-D 2020 2050-S 2050-D 印度北美非洲中南美煤炭配套碳捕捉存储的煤炭天然气配套碳捕捉存储的天然气配套碳捕捉利用的化石能源尿素热解石油电解各氨主产区的工艺路线和清洁生产方案氨的简介与产业概况全球各氨主产区受资源禀赋、技术成熟度等影响，向清洁制氨转型技术路径各有差异注纵轴为百分比（）； 2050S既定政策条件； 2050D可持续发展条件（温控目标）数据来源国际能源署（ IEA）绿氨的定义 Part 2 绿氨是无碳化的氨合成与生产，由绿电制取的绿氢与空气分离得到的氮经过一定的合成工艺合成为绿氨；根据最新的政策文件，完全绿氨的全链条所用网电不得超过 1-3 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 绿氨的定义绿氨无碳化的氨合成与生产，完全绿氨的全链条所用网电不得超过 1-3 绿氨，与传统氨的主要区别在于生产过程的无碳性质。从原料输入的角度来看，绿氨由两个核心输入组成氮气、氢气；可以拆分成水、空气、可再生电力三个要素；首先，氢气由水经可再生电力电解产生，即绿氢；而氮气是从空气中分离出来得到；绿氢与氮通过哈伯 -博世等合成氨工艺结合成氨。在整个绿氨的生产过程中，所有过程均由可再生电力（绿电）驱动，无二氧化碳的排放，满足此标准的生产过程生产出的氨为“绿氨”。传统合成氨生产过程中每年约有 5亿多吨的二氧化碳排放，约占全球碳排放总量的 1-2，也是中国碳排量最高的化工行业，将灰氨转成绿氨生产，是绿色化工转型、落地双碳政策的必由路径。根据 2023年 10月国家生态环境部最新发布的 “关于做好 2023 2025年部分重点行业企业温室气体排放报告与核查工作的通知” 内容，氨所在的化工行业是中国接下来减排降碳的重点行业，并且文件中界定了中国电网的“网电”基本不属于“绿电”范畴的概念。这就使得真正完全绿氨的生产过程中的所用电力必须为风光离网电（按欧盟碳税的标准碳排折算，绿氨全生产链条的网电占比不超过 1-3）。最新政策动向绿氨的制备工艺 Part 3 由氢的碳足迹决定，氨的制备可分为灰氨、蓝氨、绿氨三类；绿氨绿电制绿氢耦合合成氨生产，实现清洁零碳排放的高效合成氨工艺，技术工艺尚未定型，比较来看，柔性的低温低压法更适应绿氨的生产工况，有望成为大规模制取绿氨的主流技术路径 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 绿氨的制备工艺氨制备的工艺划分灰氨、蓝氨、绿氨，由氢的碳足迹决定 20世纪初，德国化学家 Fritz Haber和 Carl Bosch等人提出了 Haber-Bosch（哈伯 -博世）法，在高温高压的条件下以氮气跟氢气 1 3的比例合成氨，从而开启了合成氨大规模的工业化进程，为全球农业、工业的发展提供了稳定的原料供应。目前全球氨年产量约 2.5亿吨，其中 98由化石能源制得，其碳排放占全球的 2，是全球碳排放“大户”。随着全球气候变暖、各国加快降碳减排步伐，合成氨行业也出现了由“灰”向“绿”的转型趋势；与氢类似，根据原料中氢气的碳足迹，合成氨被分为灰氨、蓝氨和绿氨。灰氨中的氢气来源于天然气或者煤炭，由传统的 Haber-Bosch 高温催化工艺制备而成；蓝氨则是将灰氨生产过程中的二氧化碳进行捕集；绿氨是基于可再生能源提供能量来源的前提下，以水为原料提供绿氢，然后与氮气混合通过热催化或者电催化等新型低碳技术制备而成。 H2 N2 NH3 合成冷却分离液氨储罐热催化或电催化农业工业储能 *空分装置灰氢化石燃料制氢蓝氢工业副产氢绿氢电解水制氢 - 应用场景 - 合成氨生产链路示意灰氨 /蓝氨 /绿氨的主要划分由氢的来源决定 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 绿氨的制备工艺灰氨 /蓝氨工艺成熟、优化空间有限，中国以煤制合成氨为主，绿氨产能近乎为零 1913年 9月，世界上第一座合成氨装置投产，其采用哈伯法发明的催化合成氨技术，被认为是 20 世纪催化技术对人类最伟大的贡献之一。经过百余年的发展，合成氨工业已经取得了巨大的进步，其反应压力持续降低，能耗随着降低。单套生产装置的规模已由当初的日产合成氨 5t 发展到目前的年产百万吨级，反应压力已由 100MPa 降到了 10～ 15MPa，能耗也已接近理论能耗极限，未来哈伯法优化的空间较小。蓝氨则是在灰氨的生产过程中耦合进碳捕捉（ CCUS）技术及设施，作为灰氨的减排降碳措施。中国合成氨 -灰氨生产的现状技术工艺产能结构产能分布 8.0～ 22.0MPa 中低压合成技术为主 10 万 Nm3 /h 大型空分装置成熟大型煤气化技术成熟掌握 30万吨 /年以上大型合成氨装置技术煤制合成灰氨 --约占总产能 75.5 天然气合成灰氨 --约占总产能 21.4 完全绿氨产能几乎为 0 山东山西河南湖北四川等地 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 绿氨的制备工艺绿氨绿电制绿氢耦合合成氨生产，实现清洁零碳排放的高效合成氨工艺绿氨（可再生氨）的生产工艺主要是指全程以风力、光伏发电等可再生能源为动力开展的电解水制氢及空气分离制氮再通过一定的合成工艺生产绿氨的过程，即通过绿电、绿氢制备绿氨。太阳能风能电网电解空气分离装置氨合成氢气储存氨 -海运氨 -储存氨 -裂解燃料电池车及其他工农业绿色原料燃气轮机动力供给电网平衡服务船舶航运燃料发电掺烧绿氨产业链示意 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 绿氨的制备工艺绿氨远期需求将达亿吨级，目前已进入示范工程阶段，但技术工艺尚未定型西门子在英国卢瑟福阿普尔顿实验室设计并建造了世界上第一个可逆绿氨示范工厂，该示范项目证明了使用绿电电解水制取绿氢、从空气中分离氮通过现有的灰氨主流生产工艺哈伯 -博世合成技术，生产绿氨在技术上是可以实现的，商业化的绿氨生产就此拉开序幕。绿氢替代灰氢生产绿氨是化工行业的碳减排技术路径之一。根据国际可再生能源署 International Renewable Energy Agency， IRENA 估算，为了满足巴黎协定中全球气温上升控制在 1.5 摄氏度 ℃以内的目标，到 2050年全球将新产生亿吨级的绿氨需求量。从全球范围来看，中国、中东、日韩等可再生能源体系发达、氨能需求大的国家及地区均已布局了绿氨的示范工程，但绿氨的主要技术工艺尚未完全定型，当前的绿氨制备工艺主要是基于传统的哈伯法进行改良。全球开展绿氨示范的国家与地区 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 绿氨的制备工艺绿氨三大合成工艺成熟程度不同，传统的“哈伯 -博世法”是目前绿氨示范的主流当前，绿氨核心的合成工艺主要可分为以下三大类路径，其中传统工艺哈伯博世法应用最为成熟 Ⅰ 传统工艺 --基于传统的哈伯 -博世法（热催化高温高压）耦合绿氢 Ⅱ 柔性工艺 --热催化低温低压法耦合绿氢 Ⅲ 新型工艺 --光催化 /等离子体 /电化学等耦合绿氢哈伯法的合成氨装置一般由两部分组成，上面部分是接触室，装有粒状的铁基催化剂；下面部分为热交换器；氮气和氢气的混和气体先进入热交换器预热，然后进入接触室经过热催化反应生成氨。从接触室里出来的 NH3的温度较高，进入冷却器使氨液化；再将分离后的液氨进入储罐，未被液化的 NH3和 H2，循环进入合成塔。本路线可基于现有的合成氨装置，新建可再生能源发电（风电或光伏）和电解水制氢单元，配套一定的储能设施，生产绿色合成氨产品。绿 H2 N2 NH3 合成冷却分离液氨储罐高温高压铁基催化剂 Ⅰ 传统工艺 --基于传统哈伯 -博世法（热催化高温高压）耦合绿氢反应压力 20～ 50MPa，反应温度 350～ 500 ℃，在铁基催化剂作用下，绿氢和氮气合成绿氨数据来源国能、中海油石化、云道资本自行整理 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 绿氨的制备工艺绿氨传统的哈伯 -博世工艺弊端重重，只能作为中短期内向绿氨过渡有益尝试传统的哈伯法是传统灰氨生产的主流成熟工艺，已有百余年的应用历史，从技术成熟度的角度来看，该工艺被认为是最有可能率先实现绿氨产业化技术路线。但该工艺是按照化石燃料稳定持续的原料供应连续生产要求进行优化迭代的，适用于传统中大型的合成灰氨工厂，作为绿氨合成的工艺，该方法尚存在以下几点难以解决的弊端，我们判断只能作为中短期内灰氨向绿氨过渡的有益尝试。完全的绿氨生产面临的最大挑战是适应太阳能和风能等波动性可再生能源所需的生产工艺灵活性。现在的哈伯 -博世生产工艺是按照化石燃料原料连续生产要求进行优化的，因此运行灵活性有限，难以适应分布式的风光绿氢绿电场景。该工艺如要适配具有波动性、间接性和不确定性的可再生能源，须配套一定量的储能设施、并对装置的工艺方案加以改造；且最大限度的保证绿电绿氢的稳定供应，一旦接入网电调峰支撑，则产出的氨不会被认定为“绿氨”。受制于可再生能源的供应规模，该方法目前还是对合成氨部分传统产能的绿色化改造，其全生产过程的碳排放并非为零，并不是完全的绿氨生产工艺，该模式下产出的氨难以认证为真正的“绿氨”。受制于传统的哈伯 -博世工艺限制，当前的合成氨工厂规模非常大，目前合成氨工厂平均每天产能就高达 500-1500吨氨，超大型工厂产能已超过 3500吨 /天；高温高压的哈伯法能耗巨大，假如一个中小型合成氨工厂用绿氢取代 500吨 /天的传统灰氢原料，将需要 35 - 50万千瓦的可再生电力消耗和类似大规模的电解设备系统与配套的储氢输氢设施等。而目前就全国范围来看，目前单个风光离网绿电项目不超过 200MW，对于不能上网的绿电绿氢来说，难以满足集中化、大型化的合成绿氨的绿电消耗需求。 1 2 3 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 绿氨的制备工艺绿氨低温低压法更适应绿氨的生产工况，有望成为大规模制取绿氨的主流技术路径 Ⅱ 柔性工艺 --热催化低温低压法耦合绿氢 Ⅲ 新型工艺 --光催化 /等离子体 /电化学等耦合绿氢主要针对可再生能源“间歇性、波动性”的特点和氢气储运难的特点，该工艺下可将 NH3发展为储氢介质，实现氢氨的融合发展；该工艺主要通过对催化剂及流程工艺的革新，使得合成氨装置在较低的温度（ 400℃以下）下和较低的压力下（ 10MPa 以下）仍能实现高效的氨合成过程，有效降低了能耗；该方式通过降低工作温度与压力的限制将合成氨装置的小型化、灵活化变为可能，从技术和工艺流程角度看，该方式更容易实现大规模绿氨生产。包括电催化、光催化、生物催化、电磁催化合成氨等，其中，电催化分为液态与固态电解质等不同路线，核心的难点是需要攻克高效可靠的催化剂。光催化合成氨是利用可见光下的空气与水发生氧化还原反应生成氨，同样面临需要开发高效稳定的催化剂的问题；而生物催化合成氨技术依赖于生物质原料暂不适用于规模化工业路径、电磁催化也尚未有工业化趋势的迹象；总体上各类新型工艺尚处实验室研究迭代阶段、相关的催化剂材料与工艺流程尚不成熟，距产业化还有比较大的距离。结合各技术路线的实现方式、特点及成熟度来看，我们认为对传统的哈伯法灰氨合成工艺加以改良仅能作为短期内灰氨向绿氨过渡的有益探索，但无法满足大规模绿氨的供应；灵活性更高的低温低压法有望成为未来大规模制取绿氨的主流技术路径数据来源国能、中海油石化绿氨的应用场景与前景 Part 4 绿氨在清洁动力燃料、清洁电力（火电掺烧）、储氢载体等新市场拥有极大的应用潜力，绿氨渗透有望不断快速攀升， 2030年年产量有望超 2000万吨， 2050年超 5.6亿吨，成为新型清洁能源供应体系的重要一环 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 绿氨的应用场景与前景绿氨在清洁动力燃料、清洁电力、储氢载体等新市场拥有极大的潜力合成氨传统应用市场主要集中在传统的农业与工业方面。农业领域，氨主要作为尿素、复合肥的原料。工业领域，氨则用于生产车用尿素和烟气脱硝等，其中近些年己内酰胺、丙烯腈、硝酸、烟气脱硝等细分工业应用市场对合成氨的需求均有较大增幅势头。但总体上，伴随着双碳下各项节能减排政策的驱动、传统的能源供应与使用体系重构下，氨的消费属性正逐渐变化，氨的能源属性和储能属性使其在清洁动力燃料、清洁电力和储氢载体等新市场及应用领域中具有极大的发展潜力，尤其是由可再生能源制取的绿氨。氨的广泛用途氨的来源可再生能源 1 煤层气 25 天然气 75 氨 85化肥 15其他用途 1新用途尿素硝酸铵磷酸二铵硫酸铵磷酸一铵纺织品冷冻剂爆炸物药物直接用途发电燃料船用燃料间接用途储氢载体移动出行（燃料电池汽车、叉车、火车、飞机、船舶等）当前用途新兴用途合成氨炼油冶金固定式发电热能利用氢的应用 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20 20 20 21 20 22 20 23 20 24 20 25 20 26 20 27 20 28 20 29 20 30 20 31 20 32 20 33 20 34 20 35 20 36 20 37 20 38 20 39 20 40 20 41 20 42 20 43 20 44 20 45 20 46 20 47 20 48 20 49 20 50 农业工业储能中国不同产业合成氨用量预测（百万吨） 0 100 200 300 400 500 600 700 800 20 20 20 21 20 22 20 23 20 24 20 25 20 26 20 27 20 28 20 29 20 30 20 31 20 32 20 33 20 34 20 35 20 36 20 37 20 38 20 39 20 40 20 41 20 42 20 43 20 44 20 45 20 46 20 47 20 48 20 49 20 50 化肥其他用途船用燃料储氢载体发电燃料全球气温至 2050年上升至 1.5度的氨需求测算（百万吨）氨 -直接用于供能氨被认为在发电和重型交通运输领域具有脱碳应用潜力。氨直接燃烧或与常规燃料混燃用于发电，有利于构建清洁电力系统；氨用于发动机燃料，有利于解决交通运输领域的碳排放问题。氨 -间接供能与储能介质使用氨作为储氢介质，利用催化能够实现氨氢转化，可打破传统氢储运方式，为发展“氨氢”绿色能源产业奠定基础。绿氨的应用场景与前景双碳战略目标愿景下，氨助力新的清洁能源体系构建，对低碳社会发展具有重要意义数据来源毕马威、国际可再生能源署 IRENA、氨能源协会 AEA ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 绿氨的应用场景与前景绿氨渗透有望不断快速攀升， 2030年绿氨年产量有望超 2000万吨， 2050年超 5.6亿吨 8 40 70 20 60 90 0 20 40 60 80 100 2030 2040 2050 保守估计乐观估计 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 100 200 300 400 500 600 700 800 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 灰氨（化石燃料）蓝氨（化石燃料 CCS）绿氨（可再生能源）绿氨占比绿氨占氨产量的比重预测 2020-2050年 1.5℃情景下全球氨产量的预测百万吨 2050年全球对氨的需求预计将是 2020年的三倍，且新增的氨供应大部分来自可再生能源生产的绿氨。目前，全球范围来看，大多数合成氨主要由天然气 72和煤炭 22生产。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，氨作为无碳燃料在交通运输、储能等行业的应用也将不断扩大；预计 2030年，全球绿氨年产量将超过 2000万吨； 2050年将超 5.6亿吨，占全球氨产量的 80以上。数据来源国际可再生能源署 IRENA、氨能源协会 AEA ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 绿氨的应用场景与前景无碳燃料内燃机的清洁燃料，未来交通运输、尤其是航运业脱碳的确定性主力燃料压燃式内燃机在重型卡车、船舶等交通运输领域和发电领域的年装机容量巨大，目前以燃油为主，产生的二氧化碳排放量占全球的 34，碳减排需求显著。而氨作为清洁能源的一种，应用至内燃机领域作为无碳燃料使用，有利于解决交通运输、发电等领域的碳排放问题。氨的辛烷值高，抗震爆性好，可以通过更高的压缩比提高输出功率；氨用作内燃机燃料时热效率高达 50％，甚至近 60％；相对于汽油、柴油等燃料，氨燃烧时最小点火能量和层流燃烧速度均较低 --需将氨与燃烧性能较好的燃料掺混来改善其燃烧；由于燃烧不充分和氧化发生，容易导致氨燃料所含的氮元素转化成温室效应更强的 NOx气体排放需对燃烧和尾气进行一定处理；氨作为内燃机燃料的优缺点缺点优点燃料品种沸点（摄氏度）液态能量密度（ MJ/m³）绿氨 -34 11440 甲醇 65 22700 天然气 -162 20790 液化石油气 -42 27260 氢气 -253 10132 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 船舶运输是当前国际贸易的主要货运形式 ,其承担了全球贸易运输总量的 90以上。船用动力机特别是远洋船舶，需要较大的功率输出，目前主要以燃油为主，会排放大量的二氧化碳。国际海事组织 2018年通过了减排初步战略，提出到 2030年全球海运碳排放与 2008年相比至少下降 40，力争到 2050年下降 70。绿氨的应用场景与前景无碳燃料内燃机的清洁燃料，未来交通运输、尤其是航运业脱碳的确定性主力燃料 0 20 40 60 80 100 2008 2030 2050 远洋航行船舶载重吨位大、航程长、靠港频次低、燃料加注相对不便，需要使用能量密度较高的燃料和功率较大的动力装置。在目前关注度较高的零碳能源中，绿氨动力船舶能量密度大大高于氢气，且可利用现有氨供应链和基础设施，在集装箱船等大型船舶远航领域具有较好的推广应用前景。航运业内普遍认为，绿氨是未来航运业脱碳的主力燃料之一。氨燃料的高体积能量密度属性可以提高船体空间利用率，并且仅需要对常规内燃机进行微小改动，改变压缩比和更换耐腐蚀的管线即可。因此，氨被认为是一种适合应用于远洋船舶的清洁燃料。 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 据英国劳氏船级社预测，在 2030-2050年间，氨能作为航运燃料的占比将从 7上升为 20，取代液化天然气等成为最主要的航运燃料；目前，日本、韩国和欧盟在绿氨混合燃烧和用于船舶燃料方面的技术研发、产研结合和商业化试点走在世界前列。其中，用于航运业的氨燃料动力船舶成为中国、韩国、日本和欧洲造船业共同关注和研究的焦点，中国船舶、川崎、现代重工等企业陆续宣布了氨动力船舶的研发和交付计划。 20 20 18 15 8 8 7 2 1 7 5 13 15 9 19 20 1 1 2030 2050 其他核能氨能氢能甲醇电池生物燃料当前船用燃料与碳抵消结合液化天然气航运燃料中不同能源的使用占比预测绿氨的应用场景与前景无碳燃料内燃机的清洁燃料，未来交通运输、尤其是航运业脱碳的确定性主力燃料 0 50 100 150 200 250 20 23 20 24 20 25 20 26 20 27 20 28 20 29 20 30 20 31 20 32 20 33 20 34 20 35 20 36 20 37 20 38 20 39 20 40 20 41 20 42 20 43 20 44 20 45 20 46 20 47 20 48 20 49 20 50 全球航运用绿氨需求量（百万吨） ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 绿氨的应用场景与前景发电燃料 --火电机组的掺氨或纯氨燃烧是发电领域碳减排的重要技术路径掺氨燃烧技术原理是利用可燃的氨气替代一定比例的煤粉，掺混后进入锅炉共同燃烧，并通过控制火焰的轴向温度和空燃比，抑制火焰内氮氧化物的生成。但氨掺烧技术尚未十分成熟，其不充分燃烧带来的氮氧化物排放与处理是当前该路径副作用的体现，需过燃烧分级、燃烧组织优化等方式进行调控；总体上，燃煤掺烧氨尚处于小规模的示范阶段，扩大到实际燃煤机组容量规模的应用效果还有待进一步工业示范验证。 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 发达经济体新兴经济体 2030 2040 到 2030/2040仍可使用的燃煤 /气电厂设施比例火电排碳量占全部碳排比 40 火电占全球碳排 40 燃煤发电占中国碳排火电一直是全球碳排的“大户”，中国“富煤、贫油、少气”的能源结构，致使煤电装机容量巨大。燃煤发电产生的二氧化碳占中国碳排放总量的 35-40，对其进行碳减排是顺利实现我国“双碳”战略目标的重要路径之一。二氧化碳捕集、利用与封存技术是其关键手段，但该技术存在捕集与封存或利用的输送距离远、建造投资成本高等问题。而氨燃烧的灵活性为电力部门实现大幅度降碳提供了一种新方案。 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 绿氨的应用场景与前景发电燃料 --火电机组的掺氨或纯氨燃烧是发电领域碳减排的重要技术路径火电进行氨掺烧能够弥补一般可再生能源发电的不稳定性和间歇性，且使得大规模的火电设施能够延续使用，在向清洁能源转型过程中保障电力的安全与稳定供应。风电、光伏发电等新能源装机量的增加使得新能源发电的不稳定性和波动性也相应增加。氨燃烧性能良好，易液化、易储存，能够为电力系统提供与传统火电类型的可调节、可调度、可控制的电力电量支撑。此外，火电进行氨掺烧为可再生能源生产条件不利（风光资源差、价格高、产能低）的国家（日本、韩国等）提供了可行性强的减碳替代方案。由于日本能源结构等因素影响，日本在氨能的开发利用上走在前沿，掺煤燃烧发电技术研发主要由日本推进 2017 年，日本水岛发电厂向 155 MW燃煤锅炉中添加 0.6-0.8，首次实现了氨煤共燃； 2021年 10月日本启动的碧南 1000 MW热电厂进行了 20混氨燃烧测试。积极加快推动电力系统的脱碳过程；日本 IHI已建成 10 MW的掺氨燃烧示范装置，也在推进实施 1000 MW 规模的电厂掺氨实验，未来将实现 20混氨燃烧；日本三菱重工正在开发 40 MW氨燃气轮机将 100使用氨发电，并把选择性催化还原与新型燃烧技术相结合，降低氮氧化物排放。国内已经有两家单位率先实现了工程验证，标志着我国燃煤锅炉混氨技术进入世界领先赛道。皖能集团、合肥能源研究院联合开发的国内首创 8.3 MW纯氨燃烧器在 300 MW火电机组一次性点火成功并稳定运行 2 h；国家能源集团搭建的 40 MW燃煤锅炉燃烧实现世界最大比例的混氨燃烧（ 35 氨气）；国家能源投资集团现有示范结果表明，在掺氨比例和氨注入位置一定的情况下，燃烧后生成的 NOx污染比燃煤工况还要低。若现有煤电机组均实施 35混氨燃烧，每年可减少 9.5亿吨 CO2排放量。经相关测算，当煤价为 2000元 /t以上、碳价为 500元 /t时，掺氨发电经济性可与煤电相竞争。日本中国 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 绿氨的应用场景与前景氢氨融合氨是氢最大的使用消纳用途、也是理想的远洋长距离氢储运方式氢气被认为是最理想的清洁能源之一，但氢气制取成本高、储存及运输困难等问题是制约氢能产业发展的 “瓶颈”，而氨被认为是比较理想的储运氢的有机液态载体，氢氨产业融合发展是解决氢能产业发展瓶颈、助力氨产业由灰转绿的有效途径。制取储运应用分布式可再生能源制氢成为确定性未来制氢路径 2030年前后绿氢占比将达 20 2060年将达 70 中短距离气态；中长距离液态，或氨、甲醇等有机液态合成氨是中国乃至全球氢的第一大使用与消纳方式全球 36的氢气用于合成氨；中国 37的氢气用于合成氨近 85用于化肥航运、发电掺烧、储运氢等新用途有望快速增长常温常压下即可液化储运与配送基础设施体系与技术十分成熟绿氢制绿氨势在必行大型场景合成氨技术较成熟、但存在诸多弊端；柔性工艺有望成为主流储运消纳核心原料氢氨氢氨产业融合关系示意 ©2023.11 Sixsigma Research www.6sigmacapital.com 氢的产业化发展将带动绿氨的发展，绿氨的发展空间广阔。虽然目前氨运输方式不具有经济性，但是考虑到制氢成本的下降及技术创新，未来氨运输方式有望快速增长。根据国际可再生能源署（ IRENA），氨作为氢的载体将从 2030年的 100-300万吨增加到 2050年的 1.1-1.3亿吨。液氨已经在全球范围内开展远洋贸易，全球满足液氨装卸的港口超过 120个， 2021年全球氨的出口约占总产量的 10。智利、中东、澳大利亚作为世界上可再生能源资源较为丰富地区已启动相关能源规划，利用风光发电制氢，之后利用氨作为氢的载体运输到美国、欧洲、日本等市场。以氢气为原料的液氨比液氢具有更高的体积能量密度，且氨比氢气更容易液化，常压下氨气在 -33℃就可以液化，而氢气需要低于 -253℃，且同体积的液氨比液氢多至少 60的氢。氨的储运基础设施完善，氨的工业化生产和应用已经有百余年的历史，氨有管道、铁路、船舶、公路拖车和仓库等多种运输方式，相关的技术体系和储运基础设施完备。液氨输氢的远洋运输成本仅为 0.1- 0.2美元，有望成为未来氢储运最佳选择之一氨作为氢载体的优势运输渠道 200-2000km 2000-3000km 氢运输 -管道 0.1-1.3（美元） 1.3-