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绿氨经济性分析及发展趋势展望

陈思睿

（北京师范大学附属实验中学国际部）

随着全球能源结构向低碳化转型的加速推进，可再生能源的规模化利用已然成为实现碳中和目标的关键所在。然而，风能、太阳能等可再生能源所具有的间歇性和波动性，使得高效存储与利用这些能源成为亟待解决的紧迫问题。绿氨（Green Ammonia）是以可再生能源电力电解水制氢为基础，再通过传统或改进的哈伯—博世（Haber-Bosch）工艺合成，凭借高能量密度、易储运以及零碳排放的显著优势，近年来被广泛视为极具潜力的可再生能源载体和低碳燃料。本文旨在系统梳理绿氨的制备技术、商业化进展以及经济性表现，分析其应用前景，并探讨其未来发展趋势，以期为行业投资决策和政策制定提供参考。

PART.01绿氨产业发展现状

（一）绿氨制备技术

绿氨的生产环节主要分为两方面，其一以风光电站为主的绿电进行电解水制氢，其二是氮气与氢气的催化合成氨。与灰氨相比，绿氨全生命周期可实现近零碳排放。以下重点分析电解水制氢技术和合成氨技术路线。

1电解水制氢技术

电解水制氢是绿氨生产的第一步，其技术选择直接影响系统效率和成本。目前主流电解水技术包括以下三种：

碱性电解槽（ALK）。ALK基于碱性电解质环境下的水电解反应，以氢氧化钾溶液为介质，通过直流电分解水分子生成氢气和氧气。该技术具有较高的商业化成熟度，设备使用寿命可达6万至8万小时，且投资成本较低。然而其小时级启动延迟和动态响应滞后的特性，难以适应可再生能源发电的波动性，同时受限于较低的电流密度，系统能效与空间利用率仍有优化空间。

质子交换膜电解槽（PEM）。PEM以全氟磺酸膜（如Nafion）作为电解质，在酸性环境下高效电解水。其秒级动态响应与高电流密度特性，较好匹配风光发电的间歇性，且模块化设计显著提升系统集成度。但由于对铂、铱等贵金属催化剂的依赖，成本较高。

固体氧化物电解槽（SOEC）。SOEC利用陶瓷电解质在700～900摄氏度高温直接电解水蒸气，电能需求较低。其系统效率最高可超过90%，且可耦合工业余热或光热发电实现能源梯级利用，同时摆脱了对贵金属催化剂的依赖。然而，长期高温运行引发的材料易老化问题尚未有效解决，叠加技术尚未成熟，目前仅处于示范阶段。

2哈伯—博世合成氨工艺

绿氨的合成仍主要依赖传统的哈伯—博世工艺，但需结合可再生能源电力进行优化。该工艺在氮气与氢气在铁基催化剂作用下，于高温（400～500摄氏度）、高压（15～25 兆帕）下反应生成氨。绿氨技术通过风光电力驱动压缩机供能，同时进行催化剂的创新，如开发钌基等低温低压催化剂，降低反应条件。同步将电解制氢与合成氨一体化设计，以减少能量损失。

3新兴制氨技术

为规避哈伯—博世工艺的高能耗问题，研究者正在探索以下替代路线。一是电化学直接合成氨。在常温常压下，电化学直接合成氨技术通过电化学方法直接将氮气和水转化为氨，无需氢气中间步骤。目前该技术实验室效率不足10%，同时面临氮气活化困难、副反应多等挑战。二是光催化/生物催化制氨。光催化技术利用半导体材料（如TiO2）在光照下还原氮气，但产率极低；生物催化技术能够模拟固氮酶机制，通过微生物或酶催化固氮，目前尚处于基础研究阶段。

表1 四种制氨技术路线对比

（二）绿氨项目发展概况

近年来，全球绿氨项目呈现加速发展态势，主要国家和地区纷纷布局绿氨项目，推动其商业化进程。根据国际能源署预测，到2030年全球绿氨年产量将超过2000万吨，2050年将超过5.6亿吨，占全球氨产量的80%以上。目前，全球绿氨项目数量超过26个，合计产能超2700万吨，主要分布在澳大利亚、南美、欧洲和中东。这些项目多依托陆上风光资源，以化肥生产为主，同时也在探索绿氨在航运、储能等领域的应用。

我国绿氨项目处于快速增长阶段。据统计，截至2024年底，明确在项目内容中表明基于绿氢合成绿氨的项目共计57个，其中4个已经试车成功或初步投产，11个正在建设中，其余42个处于规划、签约、备案或招标阶段。目前国内规划绿氨产能近1500万吨/年，在推进中的项目主要分布在西北、东北等可再生资源丰富区域，其中主要集中在内蒙古地区，占全部规划产能的71%。

（三）重点应用场景分析

工业及农业领域应用。在化工行业，氨是合成肥料、硝酸等众多产品的重要原料。传统氨生产过程中会产生大量碳排放，而使用绿氨替代传统氨，能够显著降低化工行业的碳排放，推动整个行业向绿色、可持续方向发展。化肥生产是传统氨的主要应用领域，绿氨在化肥生产中的商业化进展最为迅速。每吨绿氨可减少约1.8吨二氧化碳排放。在欧洲碳价超过80欧元/吨背景下，绿氨化肥已具备一定竞争力。

能源存储与运输。考虑到氢气常温呈气态，易扩散和液化温度低的特点，致使其高效安全储备难度大。而氨对储存温度和压力的要求远低于氢气，在常温、0.8兆帕左右的低压或常压，零下33摄氏度的低温下即可液化，且能量密度显著高于液氢，很好地替代了氢的运输。目前来看无论是通过海运的液氨运输船，还是陆地的管道运输，都能高效地实现绿氨的输送。

碳化燃料。在交通运输、船舶动力等领域，传统化石燃料的使用是碳排放的重要来源。绿氨可以直接作为燃料应用于内燃机或燃料电池，能够有效减少对传统化石燃料的依赖，从而降低碳排放，为这些领域的去碳化转型提供了新的解决方案。国际海事组织（IMO）的减排目标推动氨动力船舶研发，以马士基为首的企业纷纷推动绿氨船只改造。此外燃煤电厂中掺入一定比例的氨，能够降低煤炭用量。

PART.02绿氨经济性分析

（一）绿氨生产成本分析——以远景赤峰项目为例

绿氨的生产成本主要由可再生能源电力成本（占总成本60%～70%）和电解槽投资成本构成，本节以远景赤峰绿氨项目为例进行分析。远景赤峰零碳氢氨项目由远景零碳技术（赤峰）有限公司实施，拟建设152万吨/年零碳氢氨项目，项目总投资172亿元，项目分为P0、P1、P2、P3期建设。目前企业主要推动P0期项目建设，首期项目总投资9.15亿元，包括风电和储能3.82亿元、光伏1.61亿元、工厂3.72亿元。赤峰市能源物联网零碳氢氮一体化示范项目位于内蒙古自治区赤峰高新技术产业开发区元宝山产业园，规划建设6000标准立方米/小时电解水制氢装置、2 万吨/年绿氨制合成氨示范装置，配套建设风力、光伏发电及储能装置，风电容量为75兆瓦，光伏容量为50兆瓦，同期配置储能装置18.75兆瓦/75兆瓦时，本期一次建成。采用碱性电解槽和PEM电解槽相结合的方式，适应风光发电的波动性。

图1 项目工艺流程图

根据项目成本结构，绿氨的生产成本主要由设备投资、运营成本和电力成本组成。设备投资折旧和运营成本相对固定，电力成本受风光发电成本影响较大。在电价影响方面，当前风光发电的综合成本约为0.25元/千瓦时，预计未来随着技术进步和规模效应，电价有望降至0.15元/千瓦时。在当前电价下，绿氨的生产成本约为3500元/吨；若电价降至0.15元/千瓦时，成本可降至2800元/吨。在市场竞争力方面，目前液氨市场价格约为3000元/吨，绿氨在当前电价下的成本略高于市场价。但随着电价下降，绿氨的成本将具有竞争力，特别是在碳价上升的情况下，绿氨的环境价值将进一步凸显。

（二）与传统氨的成本对比

灰氨是通过化石燃料（如煤炭或天然气）制备的氨，生产过程中会产生大量的二氧化碳排放。当前，国内灰氨市场价格约为2700～3000元/吨。灰氨价格受煤炭价格影响较大，当煤炭价格为500元/吨时，灰氨成本约为1450元/吨；当煤炭价格为1500元/吨时，灰氨成本约为2950元/吨。

表2 不同氨产品的成本与碳排放比较

根据上表来看，制约绿氨的生产成本仍然较高，制约因素主要是电价成本。随着绿电成本的降低，绿氨成本有望显著下降。例如，当绿电价格为0.3元/千瓦时时，绿氨的生产成本约为4500～4600元/吨。当绿电价格降至0.15元/千瓦时时，绿氨成本可降至2500～2600元/吨。近年来随着煤炭价格下降，灰氨生产成本也随之下降，市场竞争力较强。然而，随着碳税和碳交易政策的实施，灰氨的成本优势将逐渐减弱，绿氨的经济性将逐步显现。若碳税达到300～500元/吨二氧化碳，灰氨的生产成本将显著上升。与此同时，灰氨生产企业需要购买碳配额以满足减排要求，这将进一步增加生产成本。相比之下，绿氨生产企业由于其低碳排放，可能获得碳配额的出售收益，从而降低综合成本。预计到2030年，绿氨的生产成本将降至2500～3000元/吨，与灰氨的成本相当甚至更低。随着全球对碳排放的限制和可再生能源技术的发展，灰氨价格可能会因碳税和碳排放交易制度的影响而上升，而绿氨价格则有望因技术进步和规模效应而下降。此外，国际市场上绿氨的交易价格也高于灰氨，例如，2024年7月，全球首单绿氨拍卖价格为1000欧元/吨（约合7900元人民币/吨），较传统灰氨价格有显著的绿色溢价。

PART.03绿氨产业发展瓶颈

（一）关键技术瓶颈

电解水技术方面。质子交换膜（PEM）电解槽的使用寿命普遍低于6万小时，这限制了其在大规模应用中的经济性。贵金属催化剂（如铂、铱）的用量依然较高，增加了成本。同时，波动性电源适配技术尚未完全成熟，影响了电解水系统的稳定运行。合成氨工艺方面。传统的哈伯法合成氨工艺能耗依然较高，每吨氨的能耗在28～35吉焦耳之间。新型催化剂的产业化进程滞后，限制了合成氨效率的提升。此外，合成氨系统的集成优化空间较大，需要进一步的技术改进。新兴技术突破方面。电化学合成氨的转化效率目前不足10%，难以满足工业化生产的需求。光催化和生物催化技术仍处于实验室研究阶段，尚未实现商业化应用。

（二）基础设施制约

储运体系方面。目前世界范围内建设的氨管道规模极小，其覆盖率不足5%，这严重制约了氨的运输发展。此外，液态氨储罐的建设成本较高，也阻碍了氨的商业化运用。此外，港口接卸设施的改造需求迫切，以适应氨的运输和储存。加注网络方面。据统计，现有氨燃料加注站的数量不足10座，无法满足日益增长的市场需求。此外船舶加注标准与规范尚未统一，这同样增加了加注过程中的安全风险。

（三）安全与环保挑战

作为氢能载体的绿氨面临多重安全与环境挑战，其气态泄漏时，一旦达到立即威胁生命和健康浓度（IDLH），可引发急性肺水肿及呼吸道灼伤，且液态泄漏易形成高密度蒸汽云团扩散；在环境风险层面，含氮物质渗透不仅导致土壤板结与地下水污染，更通过氮氧化物转化加剧水体富营养化等生态失衡风险。

（四）市场机制障碍

价格形成机制方面。碳关税与碳减排等政策信号尚未在市场中体现，当下绿氨并非各行业的不二选择，绿氨的溢价尚未形成稳定的价格传导，致使市场竞争力不足。标准认证体系方面。目前国际上尚未形成统一的绿氨认证标准，导致市场上的产品质量参差不齐。碳足迹核算方法存在差异，影响了绿氨的市场认可度。

PART.04绿氨发展趋势展望

（一）技术发展趋势

近期（2025年前）。碱性电解槽的效率将提升至75%以上，显著降低制氢成本。质子交换膜（PEM）电解槽的贵金属用量将减少50%，降低催化剂成本。同时，合成氨的压力将降至10兆帕以下，提高合成氨的能效。

中期（2030年前）。固体氧化物电解（SOEC）技术将实现商业化应用的将有效提高电解水的效率，预计将合成氨的效率突破至15%，为合成氨技术带来新的突破。此外生产的自动化水平预计也会显著提高 。

远期（2050年前）。可再生能源制氨的综合效率将超过80%，实现绿氨的大规模生产。新型生物固氮技术将实现产业化应用，为合成氨提供新的途径。

表3 技术发展趋势

（二）产业发展趋势

产业区域布局。资源富集区：凭借其丰富的自然资源，将成为重要的大型绿氨出口基地，通过高效利用资源来开展绿氨生产。消费中心区：将重点发展分布式制氨技术，以满足本地对绿氨的需求，从而减少对外部供应的依赖。航运枢纽：将积极建设氨燃料加注中心，为过往船舶提供氨燃料加注服务，助力航运业的绿色转型。

产业链整合。一体化项目：风光—氢—氨一体化项目有望成为未来的发展主流，通过整合可再生能源、氢能和绿氨生产，实现资源的高效利用和能源的可持续供应。跨行业协同：化工、能源和交通等行业的跨行业合作将不断加强，形成绿氨产业链的协同发展模式，推动整个产业的升级和创新。

商业模式创新。复合收益模式：绿电—绿氢—绿氨—碳资产的复合收益模式将逐渐得到推广，为企业带来多元化的收益来源，提升企业的盈利能力。长期购售协议：长期购售协议（PPA）将在绿氨市场中得到广泛应用，通过长期稳定的合约关系，稳定市场价格，降低市场波动风险。碳金融创新：碳金融产品的多样化发展将为绿氨产业提供更多的融资渠道，助力企业的资金周转和项目投资，推动产业的快速发展。

PART.05小结

绿氨在能源革命中扮演着至关重要的角色。虽然目前绿氨的经济性仍面临一定的挑战，但在政策支持、技术进步和市场需求的共同推动下，其商业化进程有望加速推进。未来，加强国际合作以及推动产业链的协同发展将是实现绿氨大规模应用的关键所在。