氨气技术组合:优化能源效率和碳效率

本月初,我很高兴在国际肥料协会上发言’的“氨创新”会议(IFA)。关键是技术多样化的好处:与任何投资组合一样,无论是投资帐户还是全球行业’在可用技术范围内,集中在任何领域都代表风险,而多样化则代表弹性。不幸的是,氨工业’到2050年减排的明确路径要求越来越依赖一种技术和一种碳基原料。这代表了明天的重大风险’碳限制的市场。

本文以五张图表为特色,旨在说明为什么该行业’对能源效率的关注不足以作为技术改进的唯一手段,为什么优化而不是最大化更好,为什么市场发展支持可持续氨合成技术的投资决策。

氨合成技术的发展:效率的胜利

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此图表可能很熟悉。它描述了人类历史上最伟大的成就之一。它衡量了上个世纪氨合成技术的能效提高。它讲述了诺贝尔奖,世界大战和绿色革命的故事,并说明了一项发现背后的推动力,这一发现在这个星球上挽救了更多生命。

它始于20世纪初的Birkeland-Eyde工艺(电弧)和Cyanamid工艺,直到1930年达到Haber-Bosch工艺(尽管该工艺最早于1914年发明,但1930年似乎是衡量它的好时机)成熟的商业技术)。哈伯-博世(Haber-Bosch)淘汰了那些较旧的,耗能更多的过程,但对效率的追求却没有’不要停在那里。尽管自那时以来Haber-Bosch的基本过程可能看起来相对不变,但工程,催化和优化方面不断的不断创新已经带来了以前难以想象的改进。今天生产一吨氨所需的能量仅为1930年的四分之一。

确实,这是一个伟大的人类成就的故事,但这个故事仍未完成。如果该图表的某个方面不熟悉,则是Y轴上的能量单位。该图表取代了兆焦耳(GJ)或数百万英制热量单位(MMBtu)或描述我们从燃烧化石燃料中获取多少能量的任何其他传统计量单位,该图表使用了一种描述电能的计量单位,兆瓦时(兆瓦时)。该单元对于展望未来很有用。

Haber-Bosch的效率改进:收益递减神话手机铃声

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第二张图表‘放大’ 关于最近的技术改进,可以回顾过去的20年,直到2050年。Y轴上的单位仍然是MWh,但是规模比以前的历史图表小了一个数量级。

的“全球平均” 数据来自IFA’正在进行的基准测试项目,该项目从全球活跃的氨厂收集效率指标。从第一个基准(2003年)到最新的基准(2014年)之间,全球氨工厂的能耗从每吨氨10.42 MWh降至10.00 MWh(从37.5 GJ降至36 GJ)。如此令人印象深刻,它说明了哈伯-博世的未来发展将如何带来投资和发明收益的递减。

垂直虚线表示2014年平均值中的工厂效率的高-低范围。尽管数据是匿名的,但较高的数字很可能代表了一个老煤电厂,而较低的数字实际上太低了!它可能代表了一种工厂,该工厂通过使用例如副产物氢而无需进行任何常规化的效率测量,而无需进行任何化石燃料重整。的“最佳” 每吨7.78 MWh(28-29 GJ)的数字描述了当今使用最佳现有技术(BAT)建造的由天然气供气的世界级新氨厂。

当我们展望未来时,问题变得很明显。

IFA指出了未来全球平均水平的潜在改进:能源消耗可能进一步降低25%。这可以通过用新的高效工厂代替低效的旧工厂,并用天然气替代重质烃原料(例如煤或重质燃料油)来实现。这些变化将需要数十年的巨额投资。最终结果将是,到2050年,全球氨工厂的平均运行效率将与现在的新工厂差不多。

Haber-Bosch工艺本身不再具有提高能源效率的任何重大潜力(请参阅下面的附录)。根据IFA,在未来“全球平均” 只需用新工厂替换旧工厂即可实现氨生产。 Haber-Bosch的技术极限是无法克服的。 Haber-Bosch已经针对能源效率进行了高度优化。

但是我相信这个行业’独特的历史– 和未来!– 创新性的创新,所以我不得不问:效率足够吗?我们按照能量强度衡量氨生产的习惯没有抓住重点。在化石燃料时代,它可能很有用,但就其本身而言,能效指标已不足以描述技术组合的未来改进。

未来技术:更具可持续性,不一定能效更高

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此图表重复了“全球平均” 数据,但有一条新的虚线,显示了按原料分类的最佳可用技术(BAT)的能源效率’2009年的基准。煤制氨生产比天然气制氨生产消耗更多的能源,重油和石脑油介于两者之间。为了实现2050年将能源效率提高25%的目标,所有这些能源密集型原料都必须用天然气(SMR)代替。

但是,为了比较,我’ve包括另一套技术:可能在2050年可用的未来工艺。2050年的虚线显示了Cefic(2013年“欧洲化学工业的声音”)。这些技术可能更具可持续性,但显然并没有更高的能源效率。 2050年生物质气化产生的氨将像今天一样消耗大量能源’的煤炭生产,但将实现碳中和。 Cefic中包含的其他技术’到2050年的预测是采用Haber-Bosch进行电解,电化学过程,核高温蒸汽电解以及采用碳捕集和封存(SMR CCS)的天然气供气Haber-Bosch。在所有这些方法中,只有尚未发明的核工艺比未来的天然气基氨生产(SMR 2050)更节能。

IFA所描述的技术途径与Cefic所想象的未来技术之间的区别很简单:多元化。我们成功地将每吨全球平均能源消耗降低了25%的能效路线,需要全球范围内的氨气工厂车队集中于一种技术和一种原料:哈伯-博世天然气公司。如果这是投资组合(就是这样),则此集中度将被描述为风险。没有多元化,氨工业– 因此,全球食品供应链– 面临仅靠能源效率无法充分衡量或抗衡的风险。

下一张图表是我的最爱。

氨技术的发展:原料和工艺的多样化

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该图表显示的数据与上一个完全相同。不同之处在于,X轴显示的是每种技术的碳强度,而不是年份。在此图表中,一个可能看起来像“低效的” 当我们考虑只要 能量现在看起来“有效率的” 当我们考虑 能源和碳。

在投资方面,此图描述了优化氨合成技术产品组合的机会。而不是简单地最大化能源效率,因为我们’在过去的一百年中,我们可以同时开始优化能源和碳效率。碳效率最高的过程可能过于耗能。同时,最节能的过程可能过于耗碳。

与任何多元化战略一样,该过程将根据行业来驱动’风险偏好。并且,与任何创新计划一样,先发优势和劣势都将存在。

先动者已经动起来:目前正在开发不少于四个不同的绿色氨示范厂,每个示范厂都建议使用可再生能源来运行电解器,以生产传统的哈伯-博世合成回路的氢气。尽管这些项目的能效尚未确定,但我’我们在2020年电解哈伯-博世的图表上增加了一个额外的数据点,使我们可以将今天的拇指法则估计值(每吨12兆瓦时)与塞法奇进行比较’2050年每吨8.61兆瓦时的数字。

氨市场发展:奖励碳和能源效率
当然,关键点是碳的成本。在氨技术向碳能源优化发展的同时,氨市场必须发展以奖励碳效率。

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为了说明这一点,这里是相同的技术图表,但在单位前面带有美元符号:消耗的每兆瓦时美元和二氧化碳每吨美元2 发射。

今天的价值未知,规模可能会偏斜,并且每个地区每种商品的价格都将不同。但是,如果能源和碳在市场上都受到重视,那么右上方的技术将缺乏竞争力,而左下方的技术将更具竞争力。

这并不是说碳成本将对经济产生负面影响(例如,碳税)。相反,我们更有可能看到积极的市场发展,通过对绿色氨水支付高价来奖励碳效率。

附录:
本文中的图表主要借鉴了两个来源,即IFA Benchmark和Cefic。

神话手机铃声

IFA:基准年
IFA目前正在为其2018年基准收集数据,我强烈鼓励目前未参与的任何氨厂运营商参与其中。正如宣传视频所说,“致力于卓越的时刻到了。” IFA提供了有关如何参加2018年基准测试.

Cefic:能源路线图– 欧洲化学促进增长
Cefic的报告是关于“开启充满竞争,低碳和节能的未来,” 用于欧洲化学工业。它特别包含两个图表,为本文提供了参考。

Click to enlarge. Cefic, 能源路线图– 欧洲化学促进增长, 2013
第一张图表确定了现有氨合成技术的改进可能带来的未来节能效果。它强调了一点,尽管从技术上说,对天然气喂养的哈伯-博世的这些改进是可行的,“没有考虑经济可行性。”

Click to enlarge. Cefic, 能源路线图– 欧洲化学促进增长, 2013
第二张图表显示了2050年技术的能耗概况,以改进的天然气供气哈伯-博世工艺为基准开始。三种能源输入(原料,燃料和电力)之间的区别说明了以兆瓦时为单位衡量未来技术的好处:这些过程不需要原料或燃料。

完整的186页报告 可在Cefic网站上找到。

3条评论

  1. 艾哈迈德·索利曼 说:

    Dear Sir,

    感谢您分享这一信息
    我在MOPCO公司工作,担任能源经理,尿素的生产能力是1925吨/天,氨水的生产能力是1200吨/天。
    我已经在每天计算我们工厂的SEC,但我想知道IFA’的计算方法,用于将我们的工厂与基准进行比较。

    你能分享IFA吗’的方法来计算我们工厂的SEC。

    Regards,

  2. 谭武B 说:

    Dear Sir,

    感谢您分享您的出色作品。
    I’米目前正在对氨生产工艺设计进行案例研究。我发现您的文章非常有帮助,很有帮助,并且希望在完整报告中阅读更多详细信息。但是,完整报告的下载链接似乎无效。
    I’我想知道您是否可以与我分享新链接或通过电子邮件将报告全文发送给我。
    谢谢

    亲切的问候
    u

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