Carbon emission and energy efficiency analysis of ammonia production routes in China from life-cycle perspective and prospects

我国实现双碳目标的核心在于能源系统的低碳化和清洁化。未来风电、光伏电等一次能源大比例接入电网，其波动性、间歇性等特点使得可跨季广域消纳储能技术的发展成为刚需。氨的稳定性、易存储、输储设施完善等特性使其成为极具竞争力的化学储能介质，有望破解当前氢储运难题，助力实现“碳中和、碳达峰”目标。目前面向我国规模化应用的中国制氨路线生命周期评估工作较少，缺乏考虑细分环节的合成氨路线的全生命周期碳排放及能效等指标的评估与分析。针对上述氨储能技术发展存在的机遇和挑战，本文建立各主要阶段的合成氨全生命周期评估（Life Cycle Assessment，LCA）集成模型，结合低碳排技术对不同制氨路线生命周期间的一次能源投入及碳排放进行评估与分析。通过核算煤制氨（R1）、天然气制氨（R2）、市电制氨（R3）及可再生电力制氢合成氨（R4）四种技术路线的碳排放及能源效率，并对关键参数进行敏感度分析，确定造成碳排放的关键环节和关键因素，提出减少碳排放的技术改进建议。研究表明， 未采用碳捕获与封存技术(Carbon Capture and Storage，CCS)的煤制氨（R1-w/o CCS）与天然气制氨路线（R2-w/o CCS）碳排放则分别高达4.190 kg CO2/kg NH3 和2.356 kg CO2/kg NH3，R3路线碳排放高达6.384 kg CO2/kg NH3，分别以光伏电站（R4-PV）和风力发电站（R4-Wind）为电力输入的可再生电力制氢合成氨路线碳排放分别为0.569 kg CO2/kg NH3和0.335 kg CO2/kg NH3。结合CCS技术后，R1-w/CCS和R2-w/CCS路线碳排放可分别降低61.8%和55.4%，但因CO2捕获、运输和封存带来的额外能耗使每功能单位氨生产的化石能源消耗量相应增长4.2%和5.8%，生命周期能源效率分别降低1.6%和2.5%。本文从全生命周期的碳排放和能效角度出发，通过定义统一系统边界提高模型的精准度与可对比度，为不同制氨路线的工艺改进情景提供了可靠的分析。