綠色先鋒 創(chuàng)新高地

探訪全球最大投產(chǎn)單體綠氨裝置

提到氨，大家并不陌生，它廣泛應(yīng)用于肥料、化工、制藥等多個(gè)領(lǐng)域。這種伴有濃烈刺激性氣味的無(wú)色氣體，以往主要依靠化石燃料制取，這意味著生產(chǎn)氨的同時(shí)會(huì)排放大量溫室氣體。

有沒(méi)有一種綠色、可持續(xù)的制氨方式？位于吉林省大安市的國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)家電投”）大安風(fēng)光制綠氫合成氨一體化示范項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱“大安項(xiàng)目”），給出了肯定的回答。

大安項(xiàng)目于2023年5月開(kāi)工，今年7月26日建成投產(chǎn)。該項(xiàng)目通過(guò)800兆瓦風(fēng)電光伏新能源機(jī)組（風(fēng)電700兆瓦，光伏100兆瓦）發(fā)出的綠電，每年可制綠氫3.2萬(wàn)噸，綠氫制綠氨18萬(wàn)噸，節(jié)約標(biāo)煤約23萬(wàn)噸，減少的碳排放量相當(dāng)于傳統(tǒng)火電模式下50萬(wàn)戶普通家庭一年生活用電產(chǎn)生的碳排放。

以綠色能源取代化石燃料制取綠氨，會(huì)面臨哪些技術(shù)難題？又是如何攻堅(jiān)克難的？記者日前采訪了大安項(xiàng)目參與者，了解背后的故事。

大安項(xiàng)目的風(fēng)光發(fā)電裝置。受訪單位供圖

實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈貫通——

打造“綠電—綠氫—綠氨”的綠色發(fā)展模式

在當(dāng)前全球能源格局深度調(diào)整的背景下，中國(guó)新能源發(fā)展勢(shì)頭正猛。

據(jù)國(guó)網(wǎng)能源院新能源研究所日前發(fā)布的《中國(guó)新能源發(fā)電分析報(bào)告2025》，截至2024年底，我國(guó)新能源累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到14.1億千瓦，2024年新能源發(fā)電量1.84萬(wàn)億千瓦時(shí)，對(duì)發(fā)電量增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率超過(guò)60%。

“要保障新能源大規(guī)模可持續(xù)發(fā)展、保持新能源經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)高效消納是關(guān)鍵。”國(guó)家電投大安吉電綠氫能源有限公司（以下簡(jiǎn)稱“大安吉電”）黨委書記、董事長(zhǎng)宋樹(shù)林認(rèn)為，這需要優(yōu)先解決好一對(duì)供需矛盾——新能源發(fā)電能力與電網(wǎng)實(shí)際消納能力在空間和時(shí)間上的不匹配。

宋樹(shù)林向記者進(jìn)一步解釋道，從空間上看，豐富的新能源資源主要集中在我國(guó)西部地區(qū)，而電力消費(fèi)主力集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部地區(qū)；從時(shí)間上看，新能源發(fā)電受風(fēng)力、光照等自然條件影響，其發(fā)電高峰時(shí)段，往往存在“發(fā)電很多，電網(wǎng)卻‘吃不消’”的情況，導(dǎo)致出現(xiàn)“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象。

近年來(lái)，隨著供給側(cè)要素、傳輸與調(diào)配要素、消費(fèi)側(cè)要素、市場(chǎng)機(jī)制要素等技術(shù)和市場(chǎng)手段的不斷拓展，新能源發(fā)電消納途徑如雨后春筍般涌現(xiàn)。但在實(shí)際操作中，儲(chǔ)能成本過(guò)高和傳輸范圍有限，又對(duì)新能源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提出了挑戰(zhàn)。

“我們想通過(guò)一條全產(chǎn)業(yè)鏈把富余的新能源電能轉(zhuǎn)換成另一種形式‘儲(chǔ)存’起來(lái)，讓它能夠像大宗商品一樣跨越時(shí)空的限制，更好地服務(wù)全球生活生產(chǎn)需要。”懷揣著這一想法，大安吉電從國(guó)家電投接下了研發(fā)任務(wù)，以期為我國(guó)新能源富集地區(qū)的綠電消納難題提供一套可復(fù)制、可借鑒的新方案。

對(duì)于能否順利完成這項(xiàng)研發(fā)任務(wù)，起初研發(fā)團(tuán)隊(duì)心里也在打鼓。此前我國(guó)在綠電、綠氫、綠氨方面已積累了成熟工藝，但要把各環(huán)節(jié)有機(jī)整合起來(lái)，放眼全球也沒(méi)有先例可循，注定每一步都要“摸著石頭過(guò)河”。

大安項(xiàng)目中的液氨球罐。受訪單位供圖

“我們是行業(yè)內(nèi)第一個(gè)吃螃蟹的。創(chuàng)新研發(fā)道路上肯定存在困難和問(wèn)題，但只要一步步穩(wěn)扎穩(wěn)打，也沒(méi)有想象得那么難。”大安吉電副總經(jīng)理賈玉瑩說(shuō)。

研發(fā)期間，研發(fā)團(tuán)隊(duì)遇到的首個(gè)難題是“電能如何轉(zhuǎn)換、又該轉(zhuǎn)換成什么”。經(jīng)過(guò)細(xì)致比對(duì)、試驗(yàn)，他們把目光投向了氨。在他們看來(lái)，氨的制作工藝流程簡(jiǎn)單、成本低，只需在直流電的作用下從水中分解氫氣，從空氣中分離氮?dú)猓侔幢壤旌稀嚎s，在高溫、高壓和催化劑作用下合成氨。

有了明確的目標(biāo)后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)按照“綠氫消納綠電、綠氨消納綠氫、源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”的設(shè)計(jì)思路，逐步實(shí)現(xiàn)從電到氫再到氨的全產(chǎn)業(yè)鏈貫通：先通過(guò)新能源機(jī)組將吉林西部的風(fēng)光資源轉(zhuǎn)換成綠電，隨后通過(guò)電解水制氫裝置制取綠氫，再將其與空氣中的氮?dú)饨Y(jié)合，最終合成綠氨，以廣泛應(yīng)用于化工、交通及電力等領(lǐng)域。

“通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，我們打造了‘綠電—綠氫—綠氨’綠色發(fā)展模式，不僅實(shí)現(xiàn)可再生能源電力就地轉(zhuǎn)化應(yīng)用和存儲(chǔ)，還推動(dòng)新能源與電力系統(tǒng)、能源結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的深度融合。”宋樹(shù)林介紹，風(fēng)光制綠氫合成氨是第一步，未來(lái)企業(yè)還要規(guī)劃一系列綠色能源產(chǎn)業(yè)。

技術(shù)創(chuàng)新從無(wú)到有——

實(shí)現(xiàn)電能跨時(shí)空、跨地域“存儲(chǔ)”

創(chuàng)新是一個(gè)從無(wú)到有的過(guò)程。大安項(xiàng)目研發(fā)期間，研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了多項(xiàng)世界之最，也轉(zhuǎn)變了思維理念。

在占地30萬(wàn)平方米的廠區(qū)內(nèi)，有一臺(tái)五層結(jié)構(gòu)的藍(lán)灰裝置——全球最大的已投產(chǎn)綠氫合成氨裝置，每年可生產(chǎn)18萬(wàn)噸合成氨。

記者了解到，大安項(xiàng)目生產(chǎn)18萬(wàn)噸合成氨，大概要消耗21億千瓦時(shí)新能源電力，這相當(dāng)于1家千萬(wàn)噸級(jí)煉油廠2至3年的用電需求。若是傳統(tǒng)制作工藝，同樣的產(chǎn)值大約需要11萬(wàn)噸天然氣或46萬(wàn)噸原煤。

“傳統(tǒng)制作工藝高能耗、高碳排，我們以綠電取代化石燃料，盡管投入的成本變高了，環(huán)境代價(jià)卻是最小的。”宋樹(shù)林說(shuō)，這筆生態(tài)賬是項(xiàng)目研發(fā)的動(dòng)力源。

氫是合成氨的重要原料。據(jù)了解，大安項(xiàng)目采用的是堿液與質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane，簡(jiǎn)稱PEM）混合電解水制氫技術(shù)。在探索雙技術(shù)耦合過(guò)程中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)的思維理念也悄然發(fā)生轉(zhuǎn)變。

大安項(xiàng)目的合成氨裝置。受訪單位供圖

堿液電解水制氫設(shè)備多應(yīng)用于大規(guī)模、集中式的制氫場(chǎng)景，操作方便，但響應(yīng)速度慢。相比之下，PEM制氫設(shè)備以貴金屬為催化劑，盡管難度系數(shù)高、資金投入大，但快速啟動(dòng)和停止的優(yōu)勢(shì)能夠更好地適應(yīng)新能源發(fā)電的波動(dòng)性輸入。

“兩種技術(shù)路線各有優(yōu)勢(shì)，我們借助36000標(biāo)方/小時(shí)的堿液制氫與9600標(biāo)方/小時(shí)的PEM制氫設(shè)備的雙技術(shù)路線耦合，構(gòu)建組合優(yōu)勢(shì)，在刷新全球混合制氫規(guī)模的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了制氫效率最大化。”分析投產(chǎn)期間的數(shù)值，賈玉瑩發(fā)現(xiàn)，PEM制氫設(shè)備的綜合電耗較堿液制氫的要低10%，所節(jié)約的電費(fèi)十分可觀。“以往更多考慮設(shè)備的購(gòu)買成本，有了這次研發(fā)經(jīng)歷，團(tuán)隊(duì)更注重計(jì)算項(xiàng)目全生命周期的使用成本，將生產(chǎn)投入、使用壽命等因素考慮在內(nèi)。”

依托全球最大規(guī)模混合制氫設(shè)備，大安項(xiàng)目開(kāi)拓了綠氫資源的生產(chǎn)方式。為了更好利用綠氫，該項(xiàng)目建設(shè)了48000標(biāo)方固態(tài)儲(chǔ)氫裝置，在風(fēng)光發(fā)電量較大的時(shí)候，可以把氫氣儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)風(fēng)光發(fā)電量較小的時(shí)候，儲(chǔ)氫系統(tǒng)就會(huì)對(duì)外釋放氫氣，進(jìn)而提高系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

工作人員在對(duì)合成氨裝置進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。受訪單位供圖

“該項(xiàng)目固態(tài)儲(chǔ)氫裝置是目前全球規(guī)模最大，也是首次工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的案例，助力破解氫氣儲(chǔ)存難題。”宋樹(shù)林介紹，氫氣以氫原子形式進(jìn)入金屬晶格間隙，與金屬形成氫化物，可實(shí)現(xiàn)氫氣的低壓、安全、高密度儲(chǔ)存。該技術(shù)不涉及液體介質(zhì)或腐蝕性物質(zhì)，具備無(wú)腐蝕、無(wú)容量衰減等特點(diǎn)，適合長(zhǎng)期穩(wěn)定儲(chǔ)氫。

據(jù)了解，該項(xiàng)目還建造了全球規(guī)模最大的直流微電網(wǎng)制氫系統(tǒng)，攻克直流離網(wǎng)制氫關(guān)鍵技術(shù)及裝備國(guó)產(chǎn)化難題，實(shí)現(xiàn)40兆瓦新能源發(fā)電直供制氫。

研發(fā)柔性控制系統(tǒng)——

智能調(diào)度綠氨生產(chǎn)全過(guò)程

在大安項(xiàng)目的中央控制室，30余名工作人員正認(rèn)真地盯著LED大屏幕上跳動(dòng)的數(shù)據(jù)。“屏幕上顯示的是在柔性控制系統(tǒng)統(tǒng)籌下，項(xiàng)目各環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。”宋樹(shù)林說(shuō)。

為了更安全、高效地生產(chǎn)綠氨，在國(guó)家電投的統(tǒng)籌指導(dǎo)下，大安吉電聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家單位協(xié)同攻關(guān)，自主研發(fā)了這套柔性控制系統(tǒng)。作為統(tǒng)籌“風(fēng)電/光伏發(fā)電—制氫/儲(chǔ)氫—合成氨”全過(guò)程的一體化智能調(diào)度平臺(tái)，該系統(tǒng)集成了先進(jìn)的數(shù)字化、智能化預(yù)測(cè)控制技術(shù)，具備高度的靈活性、智能化、開(kāi)放性和互聯(lián)性，能夠根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)節(jié)，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)全鏈條各環(huán)節(jié)之間的源荷互動(dòng)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化與超前預(yù)控。

具體來(lái)看，它擅長(zhǎng)分析研判，既能根據(jù)生產(chǎn)預(yù)算情況、以實(shí)現(xiàn)效益最大化為目標(biāo)，將電能分配到制氫、儲(chǔ)氫和合成氨各環(huán)節(jié)，提升新能源的消納能力和項(xiàng)目整體運(yùn)行效率；又能結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)環(huán)境，為產(chǎn)品的生產(chǎn)、定價(jià)、銷售提供必要參考。

大安項(xiàng)目的空分裝置。 受訪單位供圖

它“眼觀六路、耳聽(tīng)八方”，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)天氣變化，提前預(yù)知，自控調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)能夠預(yù)測(cè)風(fēng)光資源變化，精準(zhǔn)計(jì)算風(fēng)光發(fā)電能力，提前智能調(diào)整生產(chǎn)線負(fù)荷在30%到110%之間靈活變動(dòng)，從而適配新能源電力變化，保障合成氨的連續(xù)高效生產(chǎn)。這一智能系統(tǒng)的研發(fā)投運(yùn)，不僅顯著提升了新能源消納能力和氫基能源的運(yùn)行效率，更有效解決了可再生能源波動(dòng)性與工業(yè)用能穩(wěn)定性之間的矛盾。

“如果沒(méi)有柔性控制系統(tǒng)，制氫廠房、合成氨裝置等設(shè)備的參數(shù)就需要人工逐個(gè)調(diào)整。”宋樹(shù)林給記者簡(jiǎn)單算了一筆賬，生產(chǎn)線僅電解水制氫裝置就有84臺(tái)（套），人工調(diào)整費(fèi)時(shí)費(fèi)力，“以前一個(gè)員工一天要走近4萬(wàn)步，有了這套系統(tǒng)，工作強(qiáng)度大大降低。”

投產(chǎn)以來(lái)，大安項(xiàng)目在柔性控制系統(tǒng)守護(hù)下安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行，目前已產(chǎn)出綠氨超過(guò)1900噸。

“大安項(xiàng)目為解決我國(guó)新能源富集地區(qū)綠電消納難題提供了可復(fù)制、可借鑒的新方案，為國(guó)家能源安全和‘雙碳’目標(biāo)實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)重要力量。”國(guó)家電投吉林電力股份有限公司黨委書記、董事長(zhǎng)楊玉峰表示，接下來(lái)，將滾動(dòng)開(kāi)發(fā)梨樹(shù)綠甲醇、綠航油等具有標(biāo)桿意義的示范項(xiàng)目，推動(dòng)形成“綠電+綠氫+綠色氫基能源”聯(lián)動(dòng)發(fā)展的新格局。