用于海洋脱碳的电力转化为燃料的途径：E-氨和E-甲醇的技术经济分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：Power-to-fuel pathways for maritime decarbonization: Techno-economic analysis of E-ammonia and E-methanol

　　1. 请先检查输入的内容。如果内容分为两段，后面的一段可能是重复的，请删除重复的部分。 2. 如果输入的内容是没有HTML标签的纯文本，请根据意思划分段落，并在每个段落末尾添加换行符。 **Mike Te Brake | Songul Tekeli | Evrim Ursavas | Stuart X. Zhu** **格罗宁根大学，Nettelbosje 2，格罗宁根，9747 AE，荷兰** **摘要** 实现海运运输的脱碳需要可扩展的零排放和接近零排放的燃料，这些燃料必须满足高能量密度和长航程的要求。本研究评估了通过“电力制氨”（Power-to-Ammonia, PtA）和“电力制甲醇”（Power-to-Methanol, PtM）技术生产的电氨和电甲醇，以用于荷兰的气候中性航运，符合国际海事组织（IMO）和FuelEU海事目标。 一个基于情景的技术经济模型考虑了2030年和2050年的情况，涵盖了海上可再生能源电力、电解-合成一体化、储能以及电网约束。结果表明，这两种技术都是可行的，但成本仍高于传统燃料。到2030年，PtA和PtM分别可以提供9.7 PJ和8.9 PJ的燃料，有助于替代燃料的需求。然而，即使有欧盟排放交易系统（EU ETS）的收入，成本仍然无法实现平等。 敏感性分析显示，到2050年的竞争力取决于可再生能源的发展、优化的电力采购协议以及支持性的政策框架。这些发现为设计有效的“电力制燃料”（Power-to-Fuel）策略以推动海运脱碳提供了见解。 **引言** 根据《巴黎协定》将全球温度上升限制在1.5°C以内对于避免不可逆转的气候临界点（如海平面上升、极地冰层消失和海洋环流系统紊乱）至关重要。海运部门作为全球温室气体（GHG）排放的重要来源，占全球排放量的大约2.5%-3%，欧洲排放量的3%-4%，面临着快速脱碳的巨大压力[1]。尽管航运仍然是全球贸易的支柱，承担了约90%的国际货物运输，但其对化石燃料的依赖使其成为最难实现减排的领域之一。 在国际层面，国际海事组织（IMO）通过了2023年IMO温室气体战略[2]，目标是在2030年前将碳强度降低40%（以每单位运输工作的二氧化碳排放量衡量），并规定到同一年份，零排放或接近零排放的燃料至少占国际航运能源使用的5%，理想情况下为10%。作为补充，欧盟出台了FuelEU海事法规（Regulation (EU) 2023/1805），要求到2050年将海运能源使用的温室气体强度降低80%[3]。这些全球和区域框架表明了向低排放海运生态系统的转变，这不仅需要技术创新，还需要能源、工业和运输部门之间的系统协调。 与这些国际努力相一致，荷兰承诺到2050年实现气候中性航运，需要将其每年约470 PJ的海上能源消耗转化为可持续替代燃料[4]。然而，尽管气候法规日益严格，该行业在采用低碳燃料方面仍面临相当大的技术和经济障碍[5]。船舶的较长使用寿命、运营模式的多样性以及有限的改造选项使得转型复杂化，而高昂的投资成本和燃料价格的不确定性限制了大规模采用。 目前没有一种燃料能够普遍适用于所有类型的船舶和航行范围。虽然电气化已成为短途和内陆航运的可行选择，但由于能量密度低和电池重量限制，对于大型远洋船舶来说仍不可行[6]、[7]、[8]。在这种情况下，“电力制燃料”（Power-to-Fuel, PtF）技术——作为更广泛的“电力制X”（Power-to-X, PtX）概念的一个子集——越来越被认为是实现海运脱碳的有希望的途径[9]、[10]。PtF技术利用可再生能源电力生产碳中性的合成燃料，特别是电甲醇和电氨，这些燃料可以整合到现有的基础设施和供应链中。虽然氢气是PtX系统中的核心能源载体，但其较低的体积能量密度和储存复杂性限制了其在航运中的直接使用。相比之下，通过“电力制甲醇”（PtM）和“电力制氨”（PtA）过程生产的电甲醇和电氨具有更高的能量密度和更好的处理性能，更适合海运应用[6]、[8]、[11]、[12]、[13]。PtM将电解产生的氢气与从工业过程或大气中捕获的二氧化碳结合，而PtA则将氢气与从空气中分离出的氮气反应[14]、[15]。 荷兰在欧洲处于推动PtX发展的战略位置，利用其北海不断扩大的海上风电能力、先进的港口和工业基础设施以及互联的能源系统。这些条件促进了大规模的可再生燃料生产和能源生成、工业需求与运输应用之间的跨部门联系。此外，荷兰的国家倡议（如荷兰气候协议、国家氢能计划以及参与IPCEI和Horizon Europe项目）增强了该国成为PtX创新先锋的雄心。从行业耦合的角度来看，这些发展反映了整合电力、氢气和海运燃料生产的方法，以提高系统灵活性和循环资源利用。随着海运向低碳和可再生燃料的转型，运输、能源、工业和林业部门之间的行业耦合变得越来越重要。同时，航空和公路运输等领域对稀缺的可持续能源和原料资源的竞争也在加剧，这突显了综合能源系统规划和政策协调的必要性[16]、[17]。然而，欧洲各地在工业规模PtX部署方面的进展并不均衡。对220个欧洲PtX项目的回顾[18]显示，荷兰的倡议主要集中在工业过程中的氢气集成上，对海运应用的关注有限。尽管先前的研究[19]、[20]为PtM和PtA系统提供了有用的见解，但它们很少提供特定于航运用例的全面技术经济评估。TNO的最新成本分析表明，由于资本成本高、电价和电网连接费用等原因，氢气生产在经济上仍然不具备竞争力（每公斤氢气12-14欧元）[21]。这些挑战强调了考虑行业互动、政策工具和不断变化的市场条件的系统级评估的重要性。 此外，社会技术因素（尤其是财务和政治因素）在塑造海运转型的速度和方向方面起着决定性作用[17]，但在当前的技术经济评估中这些因素尚未得到充分关注。通过将可持续性转型理论与技术经济建模相结合，本研究旨在弥合这一差距，并为海运部门的脱碳路径提供更全面的理解。基于此，本文对荷兰2030年和2050年的PtA和PtM路径进行了基于情景的技术经济评估，评估了电氨和电甲醇生产的技术性能、成本轨迹和政策影响，同时确定了荷兰海运和能源生态系统中的关键推动因素和制约因素。 为此，开发了一个技术经济建模框架，模拟了基准情景、中期和长期的能源需求。