利用风能生产绿色尿素用于温室农业：一项技术经济与环境评估

《Energy Technology》：Wind-Powered Green Urea Production for Greenhouse Agriculture: A Technoeconomic and Environmental Assessment

绿色尿素生产与温室集成系统在安大略省南部的 techno-economic 评估显示，其平准化成本（LCOU）为 775 美元/吨，高于常规尿素价格（337 美元/吨），但通过可再生能源和碳循环实现环境效益，减少 4.67 kg CO?/公斤胡椒至零甚至碳负。

　　本研究探讨了在加拿大安大略省南部将绿色尿素生产与温室农业结合的可行性，利用风能作为主要能源。尽管绿色尿素的生产成本高于传统方式，但其在环境效益和经济回报方面展现出显著潜力。通过技术经济评估，研究发现绿色尿素的平均生产成本（LCOU）为每公吨775美元，这几乎是传统尿素成本（每公吨337美元）的两倍。然而，若以尿素的历史最高售价每公吨925美元为基准，该系统的投资回收期（PBT）仅为4.2年，而折现回收期（DPB）为5.7年，内部收益率（IRR）达到23.3%。这些数据表明，尽管绿色尿素的生产成本较高，但其在特定市场条件下仍具备一定的经济可行性。

然而，研究也指出，尿素市场价格波动对项目的经济性有显著影响。若售价降至每公吨777美元，PBT将延长至8.2年，IRR下降至10.2%；而在最坏情况下，当售价进一步降至每公吨667美元时，项目将失去经济可行性，PBT长达50.7年，IRR甚至出现负值（?5.1%）。这表明，绿色尿素生产对市场价格具有高度敏感性，因此需要在市场稳定性、政策支持以及绿色溢价等方面寻求平衡。

从环境角度来看，绿色尿素生产能够显著减少碳排放。传统尿素生产每公吨产生约4.67千克的二氧化碳排放，而绿色尿素生产则可以将这一数值降至零，甚至实现负碳排放。这是因为在整个生产过程中，系统能够回收温室中燃烧天然气（NG）所产生的二氧化碳，并将其用于尿素合成，从而形成一个闭环的碳利用体系。这种闭环系统不仅有助于减少农业温室气体排放，还能为项目提供额外的碳信用激励，提升其市场竞争力和环境价值。

此外，绿色尿素的生产过程涉及多个关键环节，包括风能发电、电解水制氢、氨合成以及尿素生产。风能作为主要能源来源，为整个系统提供了可再生、清洁的电力支持。然而，风能的不稳定性要求系统配备储能设施，如氢气缓冲罐，以确保生产过程的连续性。同时，电解水制氢和氨合成过程需要较高的能量输入，这在风能供应不足时可能需要额外的能源调配或储能方案。尽管如此，通过整合风能、氢气储存和尿素生产设施，系统能够在维持生产效率的同时，最大限度地减少碳足迹。

尿素作为农业中最常见的氮肥之一，其生产对全球粮食安全至关重要。当前全球尿素年产量约为5500万吨，而2024年的预计需求更是达到1.83亿吨。随着全球人口的增长和农业对化肥依赖的加深，传统以化石燃料为原料的尿素生产方式正面临巨大的环境压力。特别是在温室农业中，由于其封闭环境和高能耗特性，温室的碳排放强度较高，而绿色尿素的引入则为这一问题提供了可行的解决方案。通过将绿色尿素与温室直接结合，不仅能够满足温室对氮肥的需求，还能通过碳捕获和利用技术实现碳排放的大幅减少。

本研究还探讨了绿色尿素生产与温室农业整合的具体流程。首先，风能通过电解水制取氢气，氢气随后用于合成氨，再与二氧化碳结合生成尿素。这一过程中，氢气的储存和输送是关键环节，必须确保在风能供应不连续时仍能维持生产流程的稳定性。同时，尿素的生产还需要大量的热能，这通常来自传统的化石燃料，但研究提出通过利用温室中燃烧天然气所产生的余热，来降低整个系统的能源消耗和碳排放。这种整合模式不仅提高了资源利用率，还为农业系统提供了更可持续的能源解决方案。

从经济角度来看，绿色尿素的高成本是其推广的主要障碍。然而，研究指出，尽管生产成本高于传统方式，绿色尿素仍可通过市场溢价、碳信用收益和政府补贴等手段实现经济平衡。例如，当前绿色尿素的生产成本为每公吨775美元，而传统尿素的市场价格在某些情况下可能高于这一数值。因此，如果市场对低碳农业产品接受度高，绿色尿素有望在市场中获得更高的价格回报。此外，随着风能成本的下降和电解技术的进步，绿色尿素的经济性将有望进一步改善。

在技术经济评估中，研究还对多个关键参数进行了敏感性分析。结果显示，绿色电力的价格是影响绿色尿素生产成本的主要因素。当绿色电力价格下降时，LCOU也随之降低，这表明绿色尿素的经济可行性在风能成本下降的情况下将显著提升。同时，折扣率对项目回报率也有重要影响，较高的折扣率会导致项目净现值下降，从而降低其经济吸引力。因此，绿色尿素项目的实施需要综合考虑市场环境、政策支持以及技术进步等多方面因素。

此外，研究还强调了该系统的环保价值。通过将温室中产生的二氧化碳回收并用于尿素生产，不仅减少了温室的碳排放，还实现了农业废弃物的资源化利用。这一闭环系统在降低碳排放的同时，还能提高农业生产的可持续性，为未来农业模式提供新的思路。绿色尿素的生产过程能够实现零碳排放，甚至可能成为碳负排放的农业解决方案，这对全球碳中和目标具有重要意义。

研究还指出，尽管绿色尿素生产在技术上是可行的，但在实际推广过程中仍面临诸多挑战。首先，风能的不稳定性要求系统具备良好的储能和调度能力，以确保生产过程的连续性。其次，绿色尿素的高成本可能限制其在大规模农业中的应用，特别是在价格波动较大的市场环境下。因此，政府政策的支持、碳信用市场的完善以及技术成本的进一步降低，将是推动绿色尿素生产与温室农业整合的关键因素。

综上所述，绿色尿素生产与温室农业的结合为农业碳中和提供了一种创新路径。尽管当前成本较高，但其在环境效益和长期可持续性方面具有显著优势。通过优化能源利用、提高生产效率以及拓展市场渠道，绿色尿素有望在未来成为农业生产的主流选择之一。此外，该研究为其他地区提供了可借鉴的模型，通过结合本地风能资源和温室需求，绿色尿素生产可以被推广到更多农业区域，助力全球农业向低碳、可持续方向转型。