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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：氨合成系统、SOEC、制氨系统、制氢系统、成本结构

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

本文将继续介绍报告内容，点击链接☞ 《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）》即可回顾前文内容。

2.2 氨合成系统的技术评价

2.2.1 氨合成系统构成要素的研究（成本估算的前提条件）

本报告中的氨合成系统的规格如表4所示，构建了五种氨合成工艺。氨合成系统示例见下图。

表4.png

图3a.png

图3b.png

案例A和B中，使用由SOEC系统制造的氢来制氨，并比较了（A）利用由HB法催化反应合成氨的传统HB法，以及(B)低压操作催化反应（低压HB法）。在本报告中，假定制氨规模为100t/day，对应220kW平板型SOEC装置1000台/年。

案例C和D中，着眼于直接从水和氮中电化学合成氨的电解合成方法。假设通过质子导电性陶瓷燃料电池（protonic ceramic fuel cell: PCFC）对应的质子导电性陶瓷电解池（protonic ceramic electrolyzer cell: PCEC）进行高温电解合成。在本报告中，为了评估电解合成的可能性，对（C）法拉第效率（FE）99％的理想方案（几乎所有电流都用于氨合成），与（D）FE为50％的方案进行了比较。然而，当前多情况下FE都低于50%，因此，本报告中设定的条件为未来技术创新的理想假设。另外，工作电压和水蒸气利用率参照水蒸气电解SOEC系统，将工作电压设定在反应焓（吸热）和因过电压引起的焦耳热（发热）的热中立点以上，并假设不需要额外的加热器。在这个过程中，氢气和氧气作为副产品生成，但在本报告中不考虑其价值。

案例E中，采用了通过上述水电解SOEC获得的氢气与氮气反应，并利用电化学催化促进效应（EPOC）在低电流下电解合成氨的工艺。EPOC是基于施加电压显著激活催化反应的现象。本报告中，采用在常压条件下，EPOC可以使每单位Fe催化剂获得相当于10MPa压力下的催化活性。另外，氨生成速度也采用1MPa压力下的值，然而此时会超过热力学计算的氨平衡浓度，因此将氨生成速度的上限设定为工作温度的平衡浓度。

传统的HB法在约2000t/day的大型设备上运行，而本报告中假设使用源自水的氢和可再生能源，并在100t/day的较小规模下进行评估。氨合成系统主要由SOEC系统（案例A、B、E）、氨合成模块、压缩机、PSA吸附塔、热交换器、加热器（案例C～E）和泵构成。案例A～E都引入了使用热交换器的循环回路，以有效利用未反应的气体。但是，如上所述，案例D中生成的氢气不考虑循环利用。

2.2.2 氨合成系统的成本结构

基于上述前提条件，对氨电解合成系统进行了成本估算。图3为氨电解合成系统成本的估算结果，以及与制氢系统(SOEC)的比较。假设水电解SOEC模块和氨电解合成PCEC模块的寿命为3年，氨合成催化剂的寿命为5年，BOS（balance of system）的寿命为15年，以更换SOEC模块和催化剂为前提进行了估算。

图3.png

案例A和B的合成反应中，水电解的SOEC模块成本占大部分，而HB法的反应器和Fe催化剂成本占总成本的比例较小。即使在使用Ru系催化剂的B中，氨合成反应器和催化剂的成本占比也相对较小。

案例C的直接氨电解合成具有与案例A和B一样低的系统成本。由于在一个模块中同时进行水电解和氨合成，因此设备成本较低。但需要注意的是，计算是在接近理想状态的条件（法拉第效率99%）下进行的。而在假设法拉第效率为50%的案例D中，实现相同制氨规模所需的模块数量大幅增加，因此成本也显著上升。

使用EPOC的案例E需要两种模块——SOEC模块和PCEC模块，因此系统成本高于案例A～C。此外，用于在高温、低转化率下循环未反应气体的BOS和公用设施成本也会上升，总系统成本与制氢系统成本（比较对象）相当。有望用作案例C和D的补充系统。

对于作为比较对象的制氢系统，由于需要84MPa的压缩机和储罐，因此系统成本高于案例A、B、C和E。

随后，根据图3的结果和下表5的运行率和寿命的值计算制氨成本。结果如图4所示。表6总结了氨合成效率（制得的氨的燃烧焓(LHV)与制氨所需能量（主要为输入电能）的比值）的比较结果。

表5.png

图4.png

表6.png

从图4所示的结果可以看出，案例A～E中电力成本都占制造成本的大部分。在单位热能的制造成本指标中，基于案例A和B催化反应的氨合成方法为2.7～2.8日元（约0.1412～0.1464元）/MJ，大致相当于制氢（2.8日元（约0.1464元）/MJ）成本，主要原因在于制氢系统需要压缩过程和储存过程。而在HB法中，虽然也进行制氢，但是包含压缩在内的氨合成和储存在同一个反应塔中进行。从合成效率的角度来看，制氢的LHV效率最高（70%），其次是催化反应，约为60%。

由于案例C～E都基于电化学反应，因此氨电解合成电池的性能不仅体现在系统构成中，还直接反映在电力成本上。案例C和D中，由于过电压产生的焦耳热被用来提高气体的温度，因此PCEC模块的输出会影响电力成本。水电解SOEC在热中立点处运行，在比较单位能量的成本时，电解合成系统的成本高于SOEC的电力成本。在法拉第效率为50%的案例D中，PCEC模块所需的输入电能比案例C增加了一倍，并且由于循环水蒸气和供气量的增加，BOS的输入电能也随之增加。由此，从能源效率的角度来看，高法拉第效率的重要性显而易见。

案例E中，EPOC效应的优点是氨电解合成模块的输入功率很低，过电压产生的焦耳热也相应减少，专门用于提高供给气体温度的热源也随之减少。因此，案例E需要额外的能量输入来提高温度。即在550℃的工作温度下，由于热力学限制，由氮向氨的转化率较低，存在大量循环的未反应气体，因此需要将温度升高数十度。如果能够降低工作温度，则可以在转化率较高的条件下进行反应，BOS所需的电力也有望得到减少。如上所述，虽然有必要对系统进行改进，但EPOC有望成为PCFC氨电解合成的补充。

3

结论

本文对储氢型系统和储氨型系统进行了评价。比较100t/day规模的制氨系统和同等规模的制氢系统，假设电力成本为5日元（约0.26元）/kWh，基于催化反应的氨合成工艺的制造成本为2.7～2.8日元（约0.1412～0.1464元）/MJ，相当于制氢成本（2.8日元（约0.1464元）/MJ）。当以99%的法拉第效率使用直接由水和氮电化学合成氨的PCEC时，制氨成本为3.4日元（约0.18元）/MJ。然而，以目前的技术，氨电解合成PCEC的法拉第效率大多低于50%，而在法拉第效率为50%时，制氨成本已经上升到7.2日元（约0.38元）/MJ。

最后，假设基于电化学催化促进效应（EPOC）同时提供氢气和氮气，根据目前的研究结果，制氨成本为3.9日元（约0.20元）/MJ。将EPOC应用于氨电解合成工艺中，有望提高电池性能，优化工作条件，并进一步降低制氨成本。今后，有望实现直接氨电解合成和EPOC一体化，在同一个模块中高效进行水电解（制氢）和氨电解合成。

计划今后对氨以外的能源载体进行成本评估。

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政策提案

以下，在本报告提及的成本评估和讨论的基础上，对普及氨作为能源载体提出建议。

1）氨合成技术的小型化、高效化、低成本化

1-1）虽然利用催化反应的哈伯-博世法可以实现低成本氨合成，但需要通过小型化来提高可再生能源对输出波动的适应性。例如，需要开发一种能够迅速改变催化活性（快速上升）、成本低且在空气中也能稳定的催化剂。

1-2）虽然电解合成法适用于小型化，但必须通过开发电极催化剂来大幅提高法拉第效率。此外，需要设计适合运行条件的反应器，并且需要在燃料电池技术开发的基础上，致力于低成本制造工艺的技术开发。

2）氨利用技术的高效化、低成本化

本报告对氨和氢的制造成本进行了评估，但是，以氨为燃料的技术，如氨燃烧技术和氨直接利用燃料电池，需要提高技术效率和降低成本。

3）工业和民生领域氨利用法规的制定以及构建社会基础设施

预计今后来自可再生能源的氨将得到广泛普及，随着处理能源载体的大型设备技术的开发，建立与小型分布式设备相对应的基础设施，构建氨利用安全法规的框架十分重要。

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）