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摘要：本报告将对有望作为可再生能源使用和储存的能源载体——氨的合成进行技术经济性分析。计算使用可再生能源电解水生成的氢（即绿氢）来制造氨的成本。储氢需要压缩机和蓄压器（高压气瓶），这成为氢利用成本高的主要原因。本报告对以绿氢为前提的氨合成及储存系统（储氨型系统）的成本进行了评估，并探讨了氢利用的可能性。在储氨型系统中，对包含哈伯-博世法（HB法）和电解合成的系统构成进行了研究，并与包含压缩机和蓄压器的制氢系统（储氢型系统）进行比较。预计储氨型系统与储氢型系统具有大致相同的成本竞争力。假设电力成本为5日元（约0.26元）/kWh，则单位能量的制氨成本为3日元（约0.16元）/MJ，与制氢成本（2.8日元（约0.15元）/MJ）相比，具有足够的成本竞争力。

关键字：氨合成、固体氧化物燃料电池系统、储氨型系统、储氢型系统、水蒸气电解制氢、成本

目录

1. 本报告的定位

1.1 实现脱碳社会等方面的定位和意义

1.2 相关技术与研究开发的动向等

1.3 相关的政策趋势等

2. 水蒸气电解制氢和氨合成

2.1 制氢系统

2.2 氨合成系统的技术评价

3. 结论

4. 政策提案

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本报告的定位

1.1 实现脱碳社会等方面的定位和意义

可再生能源有望在世界范围内得到普及和扩大，随着这种普及，开发能够应对输出波动的储能系统变得越来越重要。氨电解合成被视为有望用于小型分布式设备的系统。关于使用可再生能源的绿氢制造，日本科学技术振兴机构低碳社会战略中心（JST-LCS）使用固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell: SOFC）对应的水蒸气电解池（solid oxide electrolyzer cell: SOEC），以及固体高分子燃料电池（polymer electrolyte fuel cell: PEFC）对应的水电解池（polymer electrolyte membrane electrolyzer cell: PEMEC），对制氢成本进行了研究。

使用SOEC和PEMEC的制氢系统主要由电解池、压缩机和蓄压器（高压气瓶）构成，它们共同造成了系统成本的居高不下。氨的能量密度高，可以在相对低压下液化，因此有望成为高压储氢的替代技术。

本报告对以利用水电解生成的氢为前提的哈伯-博世法（以下简称“HB法”），由水和氮直接合成氨的电解合成，以及电化学催化促进效果（electrochemical promotion of catalysis: EPOC）进行了评价。一般来说，在电解合成反应中，可以通过改变电极电位来控制合成反应速度和选择率，并有望通过调节施加的电压来实现快速灵活的系统控制。从二氧化碳排放的角度来看，使用水电解和氮还原的氨电解合成更具优越性。因此，通过利用氨作为能源载体的优势以及反应工学和电化学技术，有望开发出支持未来可再生能源普及的储能技术。

1.2 相关技术与研究开发的动向等

HB法用于氨的工业生产，通过大型设备以及100多年的研究开发，已实现了廉价氨的生产。该反应使用铁催化剂在约20-30MPa的高压条件下进行。据报告，在400℃和10MPa的条件下，能够以976μg h^-1 mg_cat^-1的速度生成氨。然而铁催化剂的活化需要1～2天左右，从应对可再生能源波动的角度来看，需要进一步的技术开发。此外，在氨电解合成中，有望通过使用电化学反应来提高与可再生能源的兼容性，并实现小型且可以快速启动的系统。

1.2.1 氨合成的研发动向

表1总结了在氨电解合成中使用各种电解质的研究。大多数关于氨电解合成的研究是在室温和液相下进行的，近年来，由于对催化剂材料的探索和纳米的结构化，合成速度得到提高。水溶液中的研究适合肥料等应用。另一方面，在用作能源载体的氨方面，气相反应无需分离生成的氨和水，因此备受关注。虽然在低温范围内使用固体分子膜Nafion的PEFC具有较高的氨生成速度，但存在氨溶解于酸性电解质膜Nafion膜中的问题。

从这个角度来看，使用碱交换膜（AEM）似乎更胜一筹，但使用AEM的氨电解合成的案例很少，且其生成速度较低。目前正在100℃～300℃的中等温度范围内研究熔融盐和含氧酸盐的电解质。熔融盐中的氨生成反应速度比较快，近年来备受关注，如果开发出小型的电解装置，则未来的发展性值得期待。具有质子导电性的含氧酸盐也有望作为电解池的固体电解质，但其易溶于水，因此需要提高电极界面稳定性。目前正在高温范围内研究具有质子导电性的固体氧化物电解质。考虑到生成氨的分离过程、电解质的稳定性和以往的氨生成速度，固体氧化物是最有效的。

然而，从氨生成反应的热力学观点来看，如何实现利于氨生成的低温化是一个课题。此外，在氨电解合成的研究中存在的问题是，现有氨电解合成的生成浓度较低，会出现因实验环境和实验步骤引发的污染，对此，目前已提出了提高实验结果可靠性的协议。因此，在引用氨电解合成研究的结果时需要注意。

此外，传统催化反应的研发也取得进展，在比使用传统Fe系催化剂的HB法更低的压力(1MPa)下，通过使用Ru系催化剂，进行氨合成研究。本报告还研究了结合SOEC和HB法的系统。

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1.3 相关的政策趋势等

在氨能源载体方面，日本通过JST的战略创新创造计划（SIP）“能源载体”项目，从2014年开始在国内开展了为期五年的氨合成和利用的相关研发。2016年，美国能源部高等研究计划署（DOE ARPA-E）举办了“REFUEL Program”，公布了实用化所需的研发目标值。欧盟实施“Energy X”项目，目前正在进行水、氮、二氧化碳循环利用的相关研发。此外，随着日本“清洁燃料氨协会”（之前为“绿氨协会”）和美国“氨能源协会（Ammonia Energy Association）”等组织的成立，其通过与相关企业的产学官合作，致力于面向利用氨的低碳和脱碳社会的研究和社会实施。

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水蒸气电解制氢和氨合成

2.1. 制氢系统

2.1.1 使用固体氧化物电解池的高温水蒸气电解制氢

本报告中，研究了使用固体氧化物电解池（SOEC）的高温水蒸气电解工艺。利用SOEC制造的氢气通过压缩机从大气压升到82MPa，然后储存在高压罐中。在系统成本方面，假设为集装箱式的撬装式加氢站，不包括安装建设成本，对主要设备（SOEC模块、逆变器、压缩机、高压罐、热交换器等）进行了评估。考虑到下文与制氨工序的比较研究，以100t-NH₃/天的制氨量所需的制氢量计算得出运行条件，作为系统的必要条件，计算出所需的SOEC模块的运行条件和成本。

表2.png

表3.png

工艺设计方面，除热中立点（模块内由水蒸气电解反应引起的熵变化（吸热）和过电压引起的焦耳热（发热）平衡）处的运行电压之外，还考虑到SOEC模块中由传导传热引起热损失的电池电压，在系统设计完成后，对成本进行了估算。因此，本报告中使用比以往报告中的制氢效率（LHV）低约6%的值进行了系统评估。设计工艺和系统成本结构如图1所示。

图1.png

其中显示了单位输入功率的系统成本（日元/W）。由图可知，SOEC系统主要由SOEC模块、压缩机和蓄压器（高压罐）构成，压缩机、高压罐的成本与SOEC模块相当，甚至因氢储量的增加而更高。随后，对上述条件下的制氢成本进行了敏感性分析（图2）。

图2.png

一定容积的储氢能力（具有与水蒸气电解时间：8h/day对应容积的蓄压器）下，在电费5日元（约0.26元）/kWh、运行率80%以上的条件下，可以实现30日元（约1.57元）/Nm³-H₂的制氢成本，可作为后述制氨工序的廉价氢原料。不过，如果每日氢需求增加，则需要增加储氢容量（高压罐容积），与图2相比，制氢成本或将进一步增加。综上所述，储能工艺的发展对于作为能源载体的制氢工艺的发展具有重要意义。基于这一结果，下文将对氨合成过程中的氢能储存进行讨论。

未完待续！

我们将在《固体氧化物燃料电池系统 | 氢能转换及储存系统的技术经济性评价（2）》中继续介绍“氨合成系统的技术评价”、“氨合成系统构成要素的研究”、“氨合成系统的成本结构”等重要内容，敬请关注~

固体氧化物燃料电池系统 | 氢能转换及储存系统的技术经济性评价（1）