《从间歇性可再生能源制绿氨：成本效益与能源利用的深度剖析及价值洞察》

当前绿氨生产面临经济挑战，为解决此问题，研究人员开展 “Cost efficiency versus energy utilization in green ammonia production from intermittent renewable energy” 主题研究。结果表明成本最小化与能源利用最大化相分离，还得出组合能源等策略的影响。该研究为绿氨生产经济评估提供新视角1720。

　　** 在应对全球气候变化、努力实现净零排放目标的大背景下，化学工业的绿色转型至关重要。氨（NH3）作为一种关键化学品，其传统生产方式 ——Haber–Bosch（HB）过程，与化石燃料紧密相连，是全球约 2% 的CO2排放以及初级化学部门约 45% 排放的来源。近年来，利用可再生太阳能或风能生产绿氨备受关注，这不仅是因为氨的高能量密度（液态氨为12.7MJ?1 ）为可再生能源的存储、运输和用作燃料提供了可能，还因为它有望成为实现能源转型的重要一环。然而，绿氨生产在经济层面困难重重。一方面，现有的 HB 工艺与化石燃料重整制氢深度融合，要实现向可再生能源的转变，整个工艺需要全面重新优化。另一方面，从持续供应的化石能源转向间歇性的太阳能或风能，与原本设计为连续运行的 HB 工艺循环并不适配，这导致了一系列诸如灵活氨生产方法的探索，以及采用中间氢 / 电缓冲存储或电网备用电源等设计，但这些都未能很好地解决绿氨生产的经济难题234。

为了深入探究这些问题，来自英国剑桥大学（University of Cambridge）的研究人员 Collin Smith 和 Laura Torrente-Murciano 开展了一项具有重要意义的研究。他们的研究成果发表在《Nature Chemical Engineering》上，为绿氨生产的优化提供了新的思路和方法56。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，他们构建了一个氨生产系统模型，该模型仅由可再生能源（太阳能 / 风能）驱动，涵盖了氨生产过程中的关键成本组件。其次，运用线性规划问题在 MATLAB 中进行经济优化，通过设定一系列约束条件，求解太阳能板、风力涡轮机、氢气生产和存储等的最优容量2124。

下面来看具体的研究结果：

• 成本效益与能源利用：研究发现，使用间歇性可再生能源进行绿氨生产时，成本最小化（成本效益）与能源利用最大化（削减）是相互分离的。若在 HB 过程中持续利用 100% 的太阳能 / 风能，会导致平准化氨成本（LCOA，定义为年化资本和运营成本除以总氨产量）过高。而在每个地点将能源供应利用至最佳程度（即削减至最佳水平）后，LCOA 会显著下降。例如，最佳的 2% 的地点，太阳能和风能的 LCOA 分别低于1,240t?1和1,250t?1 。此外，为维持恒定的氨产量，经济上最优的做法是削减大量能源，太阳能和风能平均削减量分别为 53% 和 34%，这表明传统追求能源效率最大化以降低成本的工艺设计理念需要转变8910。
• LCOU：研究人员定义了平准化利用成本（LCOU，MWh?1 ）这一指标来探究削减的经济驱动因素。通过分析不同地点太阳能或风能的 LCOU，发现其与地点以及能源利用百分比密切相关。在最佳太阳能地点，大部分能源的LCOUsINT相对较小，但高能量层的能源利用成本过高，导致需要削减这部分能源。风能方面，由于其每日可利用性较低，氢存储对LCOUu?opt的贡献更大。对于平均太阳能或风能的地点，LCOU 随利用百分比的增加而上升更快，导致最佳利用成本更高，最优削减率也更高111213。
• 组合太阳能和风能：组合太阳能和风能能够降低 LCOA 和最优削减率。在欧洲，组合太阳能和风能后，平均 LCOA 降至1,820t?1 ，低于单独使用太阳能（3,330t?1 ）和风能（2,820t?1 ）的成本，最佳 2% 的地点 LCOA 甚至低于1,030t?1 。同时，削减率在欧洲范围内普遍下降，尤其是当太阳能和风能大致平衡时，削减率下降最为明显，但由于两者变化并非完全异相，平均削减率仍有 29%14。
• 调整 HB 工艺：通过调整 HB 工艺的生产水平（ramping）也能降低 LCOA 和削减率。当将 HB 工艺的最低运行容量设定在 60% - 100% 之间时，最佳 2% 的地点 LCOA 显著降低，太阳能和风能分别降至950t?1和925t?1 。不过，其平均 LCOA（2,380t?1和2,180t?1 ）仍高于组合太阳能和风能的情况。调整 HB 工艺还能降低能源利用成本，但受限于电解槽成本，其降低成本的效果存在一定限度151617。
• 与电网电力成本和价值的比较：研究人员将 LCOU 转换为平准化利用价值（LVOU），通过与电网电力价格比较，发现不同国家情况各异。在西班牙（太阳能）和挪威（风能），由于非化石能源发电占比高，LVOU 大于电网太阳能或风能的价格，利用太阳能 / 风能生产绿氨更经济。而在德国，平均太阳能或风能的地点，LVOU 并不一定优于电网价格1819。

在研究结论和讨论部分，研究人员指出，在优化使用太阳能和风能的绿氨生产过程中，成本最小化和能源利用最大化是相互独立的。组合太阳能和风能或调整 HB 工艺虽能有效降低 LCOU、LCOA 和最优削减率，但削减现象依然普遍存在。此外，利用太阳能 / 风能生产绿氨的价值与电网组成密切相关，在非化石能源发电占主导的地区，生产绿氨更具经济优势。该研究通过构建新的经济评估框架，将电气化化学品生产的经济学与更广泛的能源系统相联系，为可再生能源在化学工业中的应用提供了重要的理论支持和实践指导，对推动全球能源转型和实现净零排放目标具有重要意义202223。**