基于概率的氨分解制氢技术经济评估

《International Journal of Hydrogen Energy》：A probabilistic techno-economic assessment of hydrogen production via ammonia decomposition

　　

摘要：氨(NH₃)因其高氢密度、成熟的基础设施以及良好的储存和运输特性，已成为最有前景的氢载体之一。本研究开发了一个概率性技术经济框架，用于评估通过热催化氨分解进行工业规模制氢。研究人员将严格的Aspen Plus^?流程模拟与基于蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟的随机经济评估相结合，以量化与平准化氢成本(LCOH)相关的不确定性。该工艺实现了97.1%的氨转化率，并生产出纯度为99.97%的氢气。确定性分析得出的LCOH为5.54美元·kg^-1 H₂，而概率性评估得出的平均LCOH为7.35美元·kg^-1 H₂。结果揭示了制氢成本存在显著的不对称分布，确定了氨价格是主导经济驱动因素，并表明仅凭确定性LCOH值会低估投资风险。该框架为评估新兴氨基氢供应链中的投资风险提供了一个稳健的决策支持工具。

**论文解读：基于概率的氨分解制氢技术经济评估**

**1. 研究背景与问题**

氢能被视为实现深度脱碳的关键能源载体，尤其在钢铁、化工、长途运输和季节性储能等难以直接电气化的领域。然而，氢气的储存和长距离运输是其大规模部署面临的主要挑战。氨(NH₃)因其高氢含量（17.6%）、易液化及成熟的全球基础设施，被国际可再生能源机构(IRENA)和氢能委员会等组织视为最具前景的氢载体之一。因此，从氨中高效回收氢气（即氨分解技术）对于构建未来氢能供应链至关重要。

目前，关于氨分解制氢的技术经济评估研究存在以下主要问题：第一，大多数研究采用确定性分析，仅报告单一的平准化氢成本(LCOH)值，并结合单因素敏感性分析。这种方法无法量化原料价格、能源成本、资本支出、融资条件等关键变量在现实市场中同时波动所带来的综合不确定性。第二，尽管概率性方法（如蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟）已应用于电解水制氢的经济风险评估，但尚未被系统性地扩展到工业规模的氨分解系统中。第三，很少有研究将严格的流程模拟、详细的设备尺寸设计和概率性技术经济模型整合到一个统一的框架中，以支持不确定性条件下的投资决策。因此，开展一项能够量化不确定性并提供投资风险决策支持的氨分解制氢技术经济评估至关重要。

**2. 研究对象与方法**

本研究由来自巴西圣保罗大学(Erik Eduardo Rego, Celma de Oliveira Ribeiro, Matias Campos Helmeister, Claudio A. Oller Nascimento)的研究人员开展，旨在开发一个概率性技术经济框架，评估工业规模热催化氨分解制氢工艺。论文发表在《International Journal of Hydrogen Energy》。

**3. 主要关键技术方法**

研究人员主要采用了以下关键技术方法：
1. **Aspen Plus^?流程模拟**：建立并模拟工业规模氨分解制氢的全流程模型，包括氨预热、催化分解、热回收、氨去除、变压吸附(PSA)提纯和氢气压缩，获取物料与能量平衡数据，用于设备尺寸计算和技术性能评估。
2. **技术经济评估**：采用bare-module成本估算方法，使用Aspen Process Economic Analyzer^?(APEA)进行设备成本估算，并基于Turton等人的方法计算资本支出(CAPEX)和运营支出(OPEX)，通过贴现现金流(DCF)分析计算平准化氢成本(LCOH)。
3. **蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟**：利用Oracle Crystal Ball^?软件，对氨价格、电力成本、资本支出(CAPEX)和贴现率等关键不确定性变量，基于其历史数据拟合概率分布（如对数正态、极值、Beta分布等），进行1000次随机抽样迭代，计算LCOH的概率分布，从而量化投资风险。

**4. 研究结果**

结果表明，所提出的概率性框架能够有效评估工业氨分解制氢的经济风险。

- **工艺性能指标**：Aspen Plus^?流程模拟结果表明，在550°C、20 bar条件下，氨转化率可达97.1%，经变压吸附(PSA)提纯后，氢气纯度达99.97%。采用甲烷(CH₄)和氨(NH₃)作为燃料时，系统能效分别为77.38%和76.10%，单位能耗(SEC)分别为11.84和14.83 MJ Nm^-3 H₂。该结果与Avilez等人的研究高度一致，验证了工艺模型的可靠性。

- **确定性LCOH分析**：在基准假设下，确定性分析得出的平准化氢成本(LCOH)为5.54美元·kg^-1 H₂。该结果与Makhloufi和Kezibri的研究结果相近，但显著低于Kanaan等人的研究（8.00美元·kg^-1 H₂），主要差异源于氨价格假设的不同，初步证实了氨价格是影响成本的关键因素。

- **蒙特卡洛(Monte Carlo)分析**：概率性评估揭示了LCOH存在显著的不对称分布。蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟得出的平均LCOH为7.35美元·kg^-1 H₂，中位数为4.83美元·kg^-1 H₂，均高于确定性分析的5.54美元·kg^-1 H₂。分布呈现出强烈的正偏态（偏度=4.66），表明不利市场条件对制氢成本的影响远大于有利条件，存在小概率但成本极高的“尾部风险”。氨价格被确定为最重要的经济驱动因素。通过对比，该研究得出的LCOH分布覆盖了Makhloufi和Kezibri的确定性结果，进一步证实了经济假设的主导作用。与可再生能源制氢技术相比，氨分解制氢在成本上具备竞争力，但仍显著高于传统的蒸汽甲烷重整(SMR)。

**5. 讨论与结论**

**讨论**：概率性评估结果明确了确定性LCOH的局限性，其仅能提供一个基准参考，而无法反映项目面临的实际经济风险。成本分布的不对称性（平均值远高于中位数）表明，项目存在“下行风险”，即实际成本高于预期的可能性及其影响程度，远大于成本低于预期的可能性。因此，依赖单点估计的投资决策可能严重低估潜在风险。氨价格作为主导因素，其未来波动将对项目经济性产生决定性影响，凸显了降低绿氨生产成本的重要性。

**结论**：本研究开发并论证了一个用于评估工业规模热催化氨分解制氢的概率性技术经济框架。该框架将严格的Aspen Plus^?流程模拟与基于蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟的随机经济分析相结合。技术结果证实了大规模氨分解制氢的可行性，氨转化率达97.1%，氢气纯度达99.97%。经济评估表明，氨原料成本是制氢成本的主导驱动因素，确定性分析得出的平准化氢成本(LCOH)为5.54美元·kg^-1 H₂。概率性框架揭示了LCOH值存在显著的不对称分布，表明不利市场条件对项目经济性的影响比有利条件更大。从方法论角度看，该工作的主要贡献在于将严格的流程模拟与工业规模氨分解设施的概率性经济分析相结合，为在不确定市场条件下评估氨基制氢的经济风险提供了一个实用的决策支持工具。