通过氨分解实现去中心化氢气生产：工艺模拟、技术经济与环境评估

《Fuel》：Decentralized hydrogen production via ammonia decomposition: process simulation, techno-economic, and environmental assessment

氢能经济与环境影响评估：本研究通过Aspen Plus模拟和 techno-economic分析（TEA）与生命周期评估（LCA），对比了400 kg/天氨分解制氢在350巴条件下的经济性和碳排放。结果显示，传统蒸汽甲烷重整（SMR）和灰色氨分解成本最低（$2.9/kg和$6.8/kg），但碳排放高达13.5和17.9 kg CO?eq/kg H?；而光伏制氨路径虽成本较高（$17.02/kg），但碳排放仅为3 kg CO?eq/kg H?。未来电网脱碳可使氨合成碳排放降低89%。

　　

曼西·乔普拉（Mansi Chopra）|尼蒂什·斯里瓦斯塔瓦（Nitish Srivastava）|普拉塔姆·阿罗拉（Pratham Arora）

印度理工学院鲁尔基分校（Indian Institute of Technology Roorkee）水电与可再生能源系，北阿坎德邦鲁尔基，247667，印度

摘要

氢气的生产、储存和分配仍然是大规模应用的主要障碍，而氨作为一种可行的氢载体具有优势，因为它拥有完善的基础设施和高氢密度。本研究评估了通过氨分解进行分散式氢生产的完整供应链，该过程每天可生产400公斤氢气，压力为350巴，并在Aspen Plus?软件中进行了建模，以应用于氢燃料加注站（HRS）。用于裂解的氨是通过可再生能源途径合成的，包括电网电力、结合太阳能光伏的电网、带有电池储能的太阳能光伏以及独立的太阳能光伏，与灰氨进行了对比。这些途径与太阳能驱动的质子交换膜水电解（PEMWE）和蒸汽甲烷重整（SMR）进行了基准测试。通过技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）来评估氢气的平准化成本（LCOH）及相关二氧化碳（CO₂）排放。结果显示，SMR和灰氨分解是最经济的途径，其LCOH值分别为2.9美元/公斤氢气和6.8美元/公斤氢气。然而，它们的碳足迹较高，分别为13.5公斤二氧化碳当量/公斤氢气和17.9公斤二氧化碳当量/公斤氢气。相比之下，基于太阳能光伏的氨合成方法虽然成本较高（约17.02美元/公斤氢气），但能显著减少排放（3公斤二氧化碳当量/公斤氢气）。基于电网的氨生产途径由于依赖化石燃料电力而既昂贵又碳密集。预计未来电网的脱碳将大幅降低氨生产和裂解过程中的排放，到2040年排放量可减少89%。

引言

随着年度二氧化碳排放量超过37.8亿吨，全球推动脱碳已成为当务之急，这一趋势主要由化石燃料的使用所驱动。多项研究表明，即使在经济持续增长的情况下，增加可再生能源的比例也能在减少二氧化碳排放方面发挥关键作用[1]。最近的研究还强调了能源生产与二氧化碳排放之间的复杂和动态关系，强调了进行系统级综合评估的必要性[2]。包括太阳能和风能在内的可再生能源在全球电力生产中的份额已接近三分之一[3]，但其间歇性和地理生产差异阻碍了能源供应的稳定性和可靠性[4]。因此，高效的能源载体对于确保能源系统在需求和供应的时间和空间变化中的稳定性至关重要[4]。然而，许多脱碳技术涉及显著的成本-性能权衡，这突显了寻找替代低碳能源载体和途径的必要性[5]。氢作为一种关键的能源载体在清洁能源转型中脱颖而出，因为它具有较高的比能量密度（120 MJ/kg）和无碳燃烧特性。然而，在标准条件下，其较低的体积能量密度（9.8 kJ/L）给储存和运输带来了挑战[4]、[6]、[7]。几种氢储存技术，如压缩、液化、金属氢化物和液态有机氢载体（LOHCs），存在显著的能源或材料限制，这些限制了它们的大规模应用[8]。相比之下，氨作为一种有前景的氢载体脱颖而出，它含有17.6%的氢，并且可以在中等压力（约10巴）下液化，从而便于储存和运输[9]。它的体积氢密度（121 kg H₂/m³）高于液化氢（71 kg H₂/m³）和700巴下的气态压缩氢（39.24 kg H₂/m³）[10]。此外，完善的全球基础设施和较低的液化能耗（1.37 MJ/kg，而氢的液化能耗为10–13 MJ/kg）使氨成为新兴氢经济中储存和分配氢气的成本效益高且可扩展的解决方案[10]、[11]。

只有当氨是由可再生能源生产时，它才能作为一种可持续的氢载体，因为传统的化石燃料基合成方法会显著增加全球二氧化碳排放[12]、[13]。Sahu等人[14]在印度背景下开发了一种由可再生能源驱动的分布式绿色氨生产系统，使用质子交换膜水电解器（PEMWE）。他们的技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）显示排放量有所减少，但由于PEMWE的成本较高，氨的平准化成本（LCOA）仍然较高[14]。一个全面的低碳氢供应链需要将这一框架扩展到氨分解。多项研究使用Aspen Plus?等仿真工具对氨分解过程进行了建模，采用了不同的反应器模型和系统边界。Makhloufi和Kezibri提出了一个大规模的氨裂解装置，每天可生产200 MTPD的氢气，压力为250巴，报告的氢气平准化成本（LCOH）为5.65欧元/公斤氢气[15]。Restelli等人基于Gibbs反应器过程建模，在全价值链分析中确定了氨合成和分解是主要成本驱动因素[16]。Devkota等人将多催化填充床反应器与MATLAB?结合在Aspen Plus?中，报告的LCOH为6.05美元/公斤氢气，全球变暖潜力（GWP）为0.66公斤二氧化碳/公斤氢气[17]、[18]。Cha等人使用实验数据验证了一个化学计量反应器模型，报告的最低氢气售价（MHSP）在7.03美元/公斤氢气（小规模）到3.98美元/公斤氢气（工业规模）之间[19]。然而，这些研究没有进行全面的LCA，也没有包括储存和运输方面以及氢纯化之后的压缩成本。

LCA是一种用于估算从原材料获取到最终处置阶段整个生命周期过程中排放的关键方法。该方法由国际标准化组织（ISO）制定（标准14040和14044）[14040和14044]，包括四个阶段：目标和范围定义、清单建模、影响评估和解释。多项研究使用多种能源对各种氢和氨合成途径进行了LCA应用[20]、[21]、[22]。然而，据作者所知，关于氨分解的LCA文献仍然有限，特别是没有充分捕捉能源来源的影响。Akhtar和Liu[23]使用SimaPro 9.1.1.1对韩国的氢生产进行了排放分析，发现使用澳大利亚生产的绿色氨在环境上不可行，因为运输过程中会产生排放。Alghool等人[24]的报告指出，通过氨裂解途径的全球变暖潜力约为6公斤二氧化碳当量/公斤氢气。直接使用太阳能PEMWE生成氢气的排放量为3.03公斤二氧化碳当量/公斤氢气。大多数报告排放量的研究没有考虑经济因素，这凸显了已发表研究中的一个关键差距。

尽管有许多研究对氨分解进行了建模，但大多数研究依赖于灰氨，并未考虑在氨合成过程中使用的可再生能源对裂解系统整体成本和环境性能的影响。因此，系统地比较绿色氨和传统氨途径，以及与直接水电解等替代低碳氢生产途径的基准测试仍然有限。为了解决这一研究空白，本研究开发了用于分散式氢燃料加注站（HRS）现场氢生产的氨分解详细过程模拟。进行了全面的TEA，以比较可再生和传统能源情景下的资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）和LCOH。分析考虑了氨的储存和运输成本，并将太阳能驱动的水电解作为参考途径。最后，LCA评估了每种能源情景下整个过程中的氢生产环境影响，包括排放和资源消耗。

方法论

氨分解过程使用Aspen Plus?进行模拟，结合了详细的热力学和动力学参数来准确建模过程并估算氢产量。热力学性质是使用内置的Redlich-Kwong-Soave-Boston-Mathias（RKS-BM）模型确定的。图1概述了整合了模拟、经济评估和生命周期分析的方法论框架。

经济分析考虑了氨合成的成本、储存成本等

过程模拟

原料通过进料阀在2.5巴的压力下从液体储存罐中释放。在系统启动期间，需要61.7公斤/小时的CNG来达到1347°C的火焰温度。系统运行后，使用产品气体中的氢进行燃料供应，该气体组成为74.5%的N₂、24.8%的H₂和0.45%的NH₃。回收的流中仅含有微量NH₃，并在燃料贫乏的过量空气条件下燃烧，因此预计NO_x的生成量会很小。相关排放已包含在内

结论

本研究开发了一个详细的氨裂解过程模拟，用于每天为分散式HRS供应400公斤氢气，并对其技术经济和环境性能进行了评估，与替代氢生产途径进行了比较。经济分析表明，在所有情景下，氨裂解的CAPEX都低于太阳能PEMWE，而OPEX最低的是太阳能PEMWE，最高的是情景IV。

CRediT作者贡献声明

曼西·乔普拉（Mansi Chopra）：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。尼蒂什·斯里瓦斯塔瓦（Nitish Srivastava）：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。普拉塔姆·阿罗拉（Pratham Arora）：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

曼西·乔普拉（Mansi Chopra）和尼蒂什·斯里瓦斯塔瓦（Nitish Srivastava）对这项工作做出了同等贡献。作者还感谢Vensol Ventures Pvt. Ltd.提供了支持本研究实施的工业输入。