在美国利用可再生天然气实现氨生产脱碳：针对特定工厂的评估

《Resources, Conservation and Recycling》：Decarbonizing ammonia production with renewable natural gas in the United States: A plant-specific assessment

美国氨生产设施中可再生天然气（RNG）的脱碳潜力及部署路径研究。通过 techno-economic 分析，评估 RNG 替代化石天然气在 Haber-Bosch 工艺中与/无 CCS 的碳减排效果，发现完全替代可使碳排放降至 0.19 tCO?/tNH?，10% RNG + CCS 即达净零。研究揭示了生物质供应半径、设施规模与减排效率的关联，提出 RNG 需与政策激励（如IRA 税收抵免）及多元脱碳技术协同的过渡路径。

　　

路德维希·卢茨（Ludwig Luz）| 洛伦佐·罗萨（Lorenzo Rosa）

生物圈科学与工程，卡内基科学研究所，斯坦福，加利福尼亚州，94035，美国

摘要

由于氨的生产依赖于化石燃料衍生的氢气，因此它是主要的工业排放源。本研究首次在工厂层面评估了可再生天然气（RNG）作为美国氨生产设施过渡性脱碳策略的可行性。通过技术经济分析，我们模拟了利用生物质废物通过厌氧消化产生的RNG作为传统哈伯-博施（Haber-Bosch）工艺的原料，并考虑了是否集成碳捕获与储存（CCS）技术的情况。我们分析了美国33家氨生产厂的二氧化碳排放情况，发现当完全使用RNG时，排放量可从1.80吨二氧化碳/吨氨（tCO?/tNH?）降至0.19吨二氧化碳/吨氨。值得注意的是，即使仅使用10%的RNG并配合CCS技术，典型的氨生产厂也能实现净零排放。空间分析显示，位于生物质资源丰富地区的小型工厂可以在140公里半径范围内满足RNG需求，而大型工厂则面临生物质供应的限制。我们的研究结果指出了RNG最有效的应用场景，并为高效脱碳提供了框架，同时明确了在哪些情况下采用其他策略（如CCS、电气化或搬迁）可能带来更大的减排效果。

引言

氨是通过能耗较高的哈伯-博施工艺生产的，它通过生产氮肥支撑着全球近一半的人口（Mingolla和Rosa，2025；Rosa和Gabrielli，2022）。然而，这一关键行业仍然严重依赖化石燃料（国际能源署，2021）。全球用于氨生产的氢气约有98%来自煤的气化以及天然气的蒸汽甲烷重整（国际能源署，2021）。这种依赖不仅导致了全球1.3%的温室气体（GHG）排放（每年约4.5亿吨二氧化碳当量），还使食品系统面临能源市场的波动（Gao和Cabrera Serrenho，2023），例如2022年能源危机期间欧洲氨价的三倍上涨（Mingolla和Rosa，2025）。随着氨需求的年均增长约3%（受农业需求和可再生能源储能及航运领域新应用推动），其生产的脱碳已成为当务之急（Gao和Cabrera Serrenho，2023；Tonelli等人，2024；Zhang等人，2024）。

目前，氨生产的脱碳努力面临诸多权衡（Gabrielli等人，2023；Rosa和Gabrielli，2022）。对哈伯-博施工厂进行碳捕获与储存（CCS）改造可减少高达70%的排放，但仍然需要依赖化石燃料（Smith等人，2020；英国皇家学会，2020）。利用水电解产生的可再生氢气生产氨虽然几乎可以实现零碳排放，但会增加成本和对自然资源的依赖（D’Angelo等人，2023；Mingolla等人，2024；Terlouw等人，2024；Tonelli等人，2024；Vinardell等人，2023；Zhang等人，2024）。分散式生产模式常被提出，以避免大规模或改造型集中式工厂所需的大量前期资本投资（Mingolla和Rosa，2026；Rosa和Tonelli，2026；Srivastava等人，2023；Tonelli等人，2024）。

在提出的解决方案中，通过有机废物的厌氧消化产生的可再生天然气（RNG）已成为一种实用的短期选择，可以通过替代现有哈伯-博施基础设施中的化石天然气来减少排放（Arora等人，2016；Istrate等人，2024；Rosa和Mazzotti，2022）。这一途径利用了成熟的技术和供应链，同时减少了废物生物质分解产生的温室气体排放（Feng和Rosa，2024）；然而，其可扩展性、成本竞争力以及在更广泛脱碳战略中的角色仍需进一步探索（Prussi等人，2021；Rosa和Gabrielli，2023）。作为一种高纯度的甲烷（CH?）燃料，RNG在与CCS结合使用时可实现氨生产的净零甚至负温室气体排放（Istrate等人，2024；Rosa和Mazzotti，2022）。它与传统的蒸汽甲烷重整和哈伯-博施工艺兼容，允许在最小化基础设施改造的情况下直接集成（Antonini等人，2020；Buffi等人，2022；Frattini等人，2016）。RNG的生产依赖于成熟的技术，首先是厌氧消化生成沼气（通常含有50-70%的CH?和剩余的CO?，Scarlat等人，2018），然后通过水洗或压力摆动吸附等升级工艺去除CO?（Angelidaki等人，2018；Buffi等人，2022）。由于RNG符合传统天然气的规格，它可以注入现有天然气网络，并直接用于通过蒸汽甲烷重整生产氢气（国际能源署，2025）。

RNG的独特之处在于其生物源碳含量——这些碳来自植物在光合作用过程中吸收的大气中的CO?（Northrup等人，2021；Schulte等人，2022）。因此，永久储存升级过程中去除的CO?可以实现大气中CO?的净减少（Cordova等人，2022；Rosa等人，2021）。这不仅为在氨生产中替代化石天然气提供了机会（Arora等人，2016；Istrate等人，2024），还实现了二氧化碳的去除（Rosa和Mazzotti，2022）。RNG因此提供了一个独特的过渡机会：其与现有基础设施的兼容性使其能够快速部署，而其从有机废物中生产的方式符合循环经济原则，将强效温室气体甲烷从垃圾填埋场和农业活动中转移出来（Marconi和Rosa，2023；Mohammad等人，2021）。尽管具有潜力，但只有少数研究量化了其减排效益或评估了其环境和经济上的权衡（Istrate等人，2024）。

然而，RNG的可扩展性受到有限有机废物可用性、高净化成本以及各行业对RNG竞争的限制（Brémond等人，2021；Hamelin等人，2021；Prussi等人，2019；Rosa等人，2021）。全球RNG的年产量估计为1000-1500太瓦时（TWh），仅能满足当前全球氨原料需求的15-20%，因此需要将其与其他脱碳路径战略相结合（国际能源署，2024）。例如，将RNG与CCS结合使用或与电解氢混合使用可以进一步减少排放，而碳定价和废物转能源补贴等政策机制可能有助于降低成本（Mertins等人，2023；Wong等人，2022）。地缘政治因素也增加了采用的复杂性：阳光充足的地区优先出口电解氢，而依赖化石燃料的经济体则将RNG视为维护现有基础设施的桥梁（Obanor等人，2024）。

本研究通过技术经济分析探讨了RNG在氨生产中脱碳的潜力。我们设计了一条利用RNG通过蒸汽甲烷重整生产氨的供应链（图1），并将其应用于美国的氨产业。该分析考虑了完全脱碳现有氨生产设施所需的RNG量、生物质可用性、生物质运输距离以及设施层面的部署策略。目前美国有33家工厂生产全球8.5%的氨（每年1710万吨氨，Schueler等人，2024）。为了评估基于RNG的氨生产的可行性，我们根据2022年推出的《通胀削减法案》（IRA）的政策环境评估了每个工厂的潜力。美国IRA通过第45 V条清洁氢生产税收抵免政策支持氢气生产，该政策根据氢气的生命周期温室气体（GHG）强度提供补贴。生产低碳氢气（<0.45千克二氧化碳当量/千克氢气）的生产商每千克氢气可获得最多3美元的补贴，高排放路径的补贴等级较低（美国财政部，2024）。首先，我们量化了每个工厂生产氨所需的RNG量。其次，我们将氨工厂与各县RNG生成潜力估计值进行叠加（Milbrandt，2016），以评估RNG供需的匹配情况。Milbrandt提供了美国最新的县级生物质数据集。第三，我们计算了在特定地理区域内可获得的RNG量，从而了解基于RNG的氨生产在美国的可行性和可扩展性。第四，我们根据当地RNG可用性和美国IRA税收抵免提供的激励措施，量化了采用RNG后每个工厂的温室气体减排量。最后，我们根据RNG替代率量化了每个美国氨工厂的供应链泄漏量。

总体而言，我们的结果表明，当原料来自广阔且地理分散的地区时，甲烷泄漏会大大削弱生物甲烷在氨生产中的气候效益。因此，有效监控和控制整个供应链中的甲烷泄漏对于确保基于生物甲烷的路径真正实现减排至关重要。综上所述，我们的发现强调，虽然RNG不是独立的解决方案，但它可以在更广泛的多管齐下的脱碳策略中发挥关键作用——在短期内减少温室气体排放，同时维持支撑粮食安全和公平能源转型的氨生产。随着氨需求从肥料扩展到能源和工业应用，这项工作为政策制定者提供了在短期实用性与长期净零排放目标之间取得平衡的路线图。

部分摘录

方法概述

我们评估了RNG在美国氨生产中脱碳的潜力。首先，我们设计了一条利用生物质衍生RNG通过传统蒸汽甲烷重整生产氢气、再通过哈伯-博施工艺生产氨的供应链（图1）。其次，我们量化了不同RNG混合比例（含/不含CCS）对氢气碳强度的影响，进而影响氨的碳强度。这些结果随后与生产税收抵免政策进行了关联。

根据IRA获得税收抵免所需的RNG替代率

我们评估了RNG替代对氨生产温室气体排放的影响及其对美国IRA第45 V条氢气税收抵免资格的影响。利用通过蒸汽甲烷重整生产的氢气的碳强度，我们估算了氨的碳排放，并将这些值映射到第45 V条规定的四个补贴等级中。表1总结了不同45 V税收抵免等级所需的RNG量。

讨论

RNG结合CCS在短期内具有明显优势，因为它利用了现有的天然气基础设施，同时实现了显著的减排。目前在美国推进的几个蓝色氨项目依赖于带有CCS的化石天然气来降低生命周期温室气体排放（Saoradh Enterprise Partners LLC，2023），但尚未纳入RNG。本研究的结果表明，即使有限的RNG整合也能产生显著影响：例如，混合约10%的RNG……

结论

本研究首次在工厂层面评估了可再生天然气作为美国氨产业脱碳策略的可行性，提供了关于如何利用现有的蒸汽甲烷重整和哈伯-博施基础设施减少排放的新见解。虽然RNG单独使用无法完全满足行业的氢气需求，但它提供了一种实际且立即可行的温室气体减排途径，尤其是在与CCS结合使用时。要满足氨生产的全部RNG需求……

CRediT作者贡献声明

路德维希·卢茨（Ludwig Luz）：软件、方法论、正式分析、数据整理。洛伦佐·罗萨（Lorenzo Rosa）：资源、项目管理、方法论、概念化。

利益冲突声明

作者声明以下可能的利益冲突：洛伦佐·罗萨报告称获得了卡内基科学研究所的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。

致谢

LR由Alfred P. Sloan基金会资助（奖项编号G-2024–22698），并得到了Anthony J. Cavalieri和Ellen E. Look的慈善支持。