Review of Wind-Solar-Hydrogen-Ammonia-Methanol Integrated Technologies and Industry

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.25021

Abstract

Abstract:

Objectives As clean energy sources and chemical raw materials, green hydrogen, green ammonia, and green methanol play an important role in achieving the “dual carbon” goal. With the increasing demand for clean energy, wind-solar-hydrogen-ammonia-methanol integrated industry has emerged as an important new field of interest. However, the industry in China is still in its early stages of development, with numerous challenges in various links of the industry chain. Therefore, it is necessary to explore the technologies related to wind-solar-hydrogen-ammonia-methanol integration and to analyze the future direction of its development. Methods Firstly, the technological routes of producing green hydrogen, synthesizing green ammonia, and synthesizing green methanol through water electrolysis are introduced, along with an overview of technologies addressing the instability of wind and solar power. Next, the economy of the wind-solar-hydrogen-ammonia-methanol integrated industry are analyzed, highlighting the implementation of key projects and related policies in recent years. Additionally, the electricity and water consumption for producing green ammonia and green methanol are analyzed and estimated, and the production costs of green hydrogen, green ammonia, and green methanol are predicted. Based on this, suggestions for industry development are proposed, including technological innovation, industry chain coordination, and policy support. Finally, the future development directions of the wind-solar-hydrogen-ammonia-methanol integrated industry are analyzed. Conclusions In the future, the integrated development of wind-solar-hydrogen-ammonia-methanol will show a trend of technological integration, diversified applications, regional coordination, and cost-effectiveness, making it one of the core pathways to achieve the “dual carbon” goals and transform the energy system.

Key words: dual carbon, wind power, photovoltaic power generation, green hydrogen production, green ammonia, green methanol, zero carbon emissions, industry chain coordination

CLC Number:

TK 09

Yongkang WANG, Jun YI, Xiaodi XIE. Review of Wind-Solar-Hydrogen-Ammonia-Methanol Integrated Technologies and Industry[J]. Power Generation Technology, 2025, 46(3): 556-569.

Figures/Tables 15

References 51

1	周孝信，陈树勇，鲁宗相，等．能源转型中我国新一代电力系统的技术特征[J]．中国电机工程学报，2018，38(7)：1893-1904．
	ZHOU X X， CHEN S Y， LU Z X，et al ．Technology features of the new generation power system in China[J]．Proceedings of the CSEE，2018，38(7)：1893-1904．
2	朱继忠，谢楚楚，张迪，等．电碳耦合市场研究综述：现状、挑战与可持续发展[J]．电力建设，2025，46(1)：158-173．
	ZHU J Z， XIE C C， ZHANG D，et al ．Review of electric-carbon coupling market studies：status，challenges，and sustainability perspectives[J]．Electric Power Construction，2025，46(1)：158-173．
3	任大伟，肖晋宇，侯金鸣，等．双碳目标下我国新型电力系统的构建与演变研究[J]．电网技术，2022，46(10)：3831-3839．
	REN D W， XIAO J Y， HOU J M，et al ．Construction and evolution of China’s new power system under dual carbon goal[J]．Power System Technology，2022，46(10)：3831-3839．
4	朱法华，徐静馨．双碳背景下中国与主要发达国家电力低碳转型比较[J]．电力科技与环保，2024，40(6)：561-571．
	ZHU F H， XU J X ．Comparison of low-carbon transformation in electricity between China and major developed countries under the background of carbon peaking and carbon neutrality[J]．Electric Power Technology and Environmental Protection，2024，40(6)：561-571．
5	周君，安娟，杨宽辉，等．现代能源体系耦合绿氢化工应用的研究进展[J]．低碳化学与化工，2023，48(4)：46-54．
	ZHOU J， AN J， YANG K H，et al ．Research progresses in application of modern energy system coupled with green hydrogen chemical industry[J]．Natural Gas Chemical Industry，2023，48(4)：46-54．
6	刘洋，樊珈池，白嘉琦，等．我国绿氢氨醇产业发展现状及展望[J]．云南化工，2024，51(11)：1-5．
	LIU Y， FAN J C， BAI J Q，et al ．The current status and prospects of green hydrogen-ammonia-ethanol industry in China[J]．Yunnan Chemical Technology，2024，51(11)：1-5．
7	郭婷婷，曹蕃．低碳能源系统发展趋势与应用实践[J]．分布式能源，2025，10(1)：1-13．
	GUO T T， CAO F ．Development trend and application of low-carbon energy system[J]．Distributed Energy，2025，10(1)：1-13．
8	白建明，张弛．氢氨醇产业现状及发展前景[J]．石油石化绿色低碳，2024，9(5)：1-6．
	BAI J M， ZHANG C ．Current situation and development prospects of hydrogen，ammonia and methanol industry energy[J]．Green Petroleum & Petrochemicals，2024，9(5)：1-6．
9	张春雁，窦真兰，王俊，等．电解水制氢-储氢-供氢在电力系统中的发展路线[J]．发电技术，2023，44(3)：305-317．
	ZHANG C Y， DOU Z L， WANG J，et al ．Development route of hydrogen production by water electrolysis，hydrogen storage and hydrogen supply in power system[J]．Power Generation Technology，2023，44(3)：305-317．
10	李彬，潘雨情，文华杰，等．基于碳减排的氢电资源耦合发展现状及展望[J]．供用电，2023，40(10)：106-113．
	LI B， PAN Y Q， WEN H J，et al ．Current status and prospects of hydrogen electricity resource coupling development based on carbon emission reduction[J]．Distribution & Utilization，2023，40(10)：106-113．
11	李红伟，吴佳航，王佳怡，等．计及P2G及碳捕集的风光氢储综合能源系统低碳经济调度[J]．电力系统保护与控制，2024，52(16)：26-36．
	LI H W， WU J H， WANG J Y，et al ．Low-carbon economic dispatch of a wind，solar，and hydrogen storage integrated energy system considering P2G and carbon capture[J]．Power System Protection and Control，2024，52(16)：26-36．
12	ABE J O， POPOOLA A P I， AJENIFUJA E，et al ．Hydrogen energy，economy and storage：review and recommendation[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2019，44(29)：15072-15086． doi:10.1016/j.ijhydene.2019.04.068
13	石志鹏，石祥建，蔡丹，等．绿电与绿氢耦合煤化工的系统建设方案[J]．南方能源建设，2023，10(3)：143-149． doi:10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.016
	SHI Z P， SHI X J， CAI D，et al ．Construction scheme for the system coupling coal chemical industry with green electricity and green hydrogen[J]．Southern Energy Construction，2023，10(3)：143-149． doi:10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.016
14	徐波，伍声宇，侯东羊，等．考虑季节性储氢的区域能源系统优化模型[J]．智慧电力，2024，52(2)：40-47．
	XU B， WU S Y， HOU D Y，et al ．Regional energy system optimization model considering seasonal hydrogen storage[J]．Smart Power，2024，52(2)：40-47．
15	张学强，董龙，王栋．考虑氢能需求的甘肃省电力行业低碳转型路径研究[J]．中国电力，2023，56(12)：262-272．
	ZHANG X Q， DONG L， WANG D ．Study on low-carbon transition path of power industry in Gansu Province considering hydrogen energy demand[J]．Electric Power，2023，56(12)：262-272．
16	李京光，王希，蔡雨辰，等．大规模可再生能源制氨技术方案研究[J]．电力勘测设计，2024(10)：25-29，79．
	LI J G， WANG X， CAI Y C，et al ．Research on large-scale ammonia production using renewable energy[J]．Electric Power Survey & Design，2024(10)：25-29，79．
17	舒斌，陈建宏，熊健，等．碳中和目标下推动绿色甲醇发展的必要性分析[J]．化工进展，2023，42(9)：4471-4478．
	SHU B， CHEN J H， XIONG J，et al ．Necessity analysis of promoting the development of green methanol under the goal of carbon neutrality[J]．Chemical Industry and Engineering Progress，2023，42(9)：4471-4478．
18	张杰，罗雪鹏．液氢制-储-运-加关键技术发展现状及展望[J]．发电技术，2024，45(5)：888-898．
	ZHANG J， LUO X P ．Development status and prospect of key technologies for liquid hydrogen production-storage-transportation-refueling[J]．Power Generation Technology，2024，45(5)：888-898．
19	田江南，袁雄俊，贾江涛，等．可再生能源制氢氨醇油关键技术研究[J]．电力勘测设计，2024(10)：18-24．
	TIAN J N， YUAN X J， JIA J T，et al ．Research on key technologies of producing green hydrogen，green ammonia，green methanol and sustainable aviation fuel from renewable energy sources[J]．Electric Power Survey & Design，2024(10)：18-24．
20	沙海伟，胡晓雨，韩倩倩．电力设计企业开发氢氨醇油一体化项目的对策探讨[J]．电力勘测设计，2024(10)：30-34．
	SHA H W， HU X Y， HAN Q Q ．Discussion on the development countermeasures of hydro-ammonia alcohol oil integration project for power design enterprises[J]．Electric Power Survey & Design，2024(10)：30-34．
21	李建林，邵晨曦，张则栋，等．氢能产业政策及商业化模式分析[J]．发电技术，2023，44(3)：287-295．
	LI J L， SHAO C X， ZHANG Z D，et al ．Analysis of hydrogen industry policy and commercialization model[J]．Power Generation Technology，2023，44(3)：287-295．
22	王梦川，洪子鑫，李峰，等．绿色甲醇产业发展现状及前景分析[J]．国际石油经济，2024，32(5)：78-84．
	WANG M C， HONG Z X， LI F，et al ．Green methanol industry development status and prospect analysis[J]．International Petroleum Economics，2024，32(5)：78-84．
23	滕越，赵骞，袁铁江，等．绿电-氢能-多域应用耦合网络关键技术现状及展望[J]．发电技术，2023，44(3)：318-330．
	TENG Y， ZHAO Q， YUAN T J，et al ．Key technology status and outlook for green electricity-hydrogen energy-multi-domain applications coupled network[J]．Power Generation Technology，2023，44(3)：318-330．
24	刘泽洪，孟婧，张瑾轩，等．电-氢-碳耦合促进新能源基地开发模式研究[J]．全球能源互联网，2024，7(5)：473-491．
	LIU Z H， MENG J， ZHANG J X，et al ．Research on the development model of new energy bases based on the electricity-hydrogen-carbon synergy[J]．Journal of Global Energy Interconnection，2024，7(5)：473-491．
25	俞红梅，邵志刚，侯明，等．电解水制氢技术研究进展与发展建议[J]．中国工程科学，2021，23(2)：146-152． doi:10.15302/j-sscae-2021.02.020
	YU H M， SHAO Z G， HOU M，et al ．Hydrogen production by water electrolysis：progress and suggestions[J]．Strategic Study of CAE，2021，23(2)：146-152． doi:10.15302/j-sscae-2021.02.020
26	李建林，李光辉，郭丽军，等．“十四五”规划下氢能应用技术现状综述及前景展望[J]．电气应用，2021，40(6)：10-16．
	LI J L， LI G H， GUO L J，et al ．Overview and prospect of hydrogen energy application technology under the 14th Five Year Plan[J]．Electrotechnical Application，2021，40(6)：10-16．
27	ZHAO Y， GONG M， ZHOU Y，et al ．Thermo dynamics analysis of hydrogen storage based on compressed gaseous hydrogen，liquid hydrogen and cryo-compressed hydrogen[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2019，44(31)：16833-16840． doi:10.1016/j.ijhydene.2019.04.207
28	宋洁，郜捷，梁丹曦，等．质子交换膜电解制氢系统建模研究综述[J]．电力建设，2024，45(2)：58-78．
	SONG J， GAO J， LIANG D X，et al ．A review on modeling of hydrogen production system with proton exchange membrane electrolysis[J]．Electric Power Construction，2024，45(2)：58-78．
29	吉旭，周步祥，贺革，等．大规模可再生能源电解水制氢合成氨关键技术与应用研究进展[J]．工程科学与技术，2022，54(5)：1-11．
	JI X， ZHOU B X， HE G，et al ．Research review of the key technology and application of large-scale water electrolysis powered by renewable energy to hydrogen and ammonia production[J]．Advanced Engineering Sciences，2022，54(5)：1-11．
30	周步祥，蔡宇豪，邱一苇，等．考虑电、氢、氨市场的可再生能源电制氢合成氨系统多主体合作运行策略[J]．电力建设，2024，45(11)：50-64．
	ZHOU B X， CAI Y H， QIU Y W，et al ．Multi-stakeholder cooperative operation strategy of renewable power to ammonia systems considering the electricity，hydrogen and ammonia markets[J]．Electric Power Construction，2024，45(11)：50-64．
31	李育磊，刘玮，董斌琦，等．双碳目标下中国绿氢合成氨发展基础与路线[J]．储能科学与技术，2022，11(9)：2891-2899． doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0324
	LI Y L， LIU W， DONG B Q，et al ．Green hydrogen ammonia synthesis in China under double carbon target：Research on development basis and route[J]．Energy Storage Science and Technology，2022，11(9)：2891-2899． doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0324
32	曾悦，王月，张学瑞，等．可再生能源合成绿氨研究进展及氢-氨储运经济性分析[J]．化工进展，2024，43(1)：376-389．
	ZENG Y， WANG Y， ZHANG X R，et al ．Research progress of green ammonia synthesis from renewable energy and economic analysis of hydrogen-ammonia storage and transportation[J]．Chemical Industry and Engineering Progress，2024，43(1)：376-389．
33	林承顺．合成氨工艺技术现状及发展趋势[J]．能源化工，2024，45(1)：12-15．
	LIN C S ．Current status and development trends of synthetic ammonia process technology[J]．Energy Chemical Industry，2024，45(1)：12-15．
34	胡道成，王睿，赵瑞，等．二氧化碳捕集技术及适用场景分析[J]．发电技术，2023，44(4)：502-513． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22056
	HU D C， WANG R， ZHAO R，et al ．Research on carbon dioxide capture technology and suitable scenarios[J]．Power Generation Technology，2023，44(4)：502-513． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22056
35	杨攀峰，黄宁，程一步．绿色甲醇生产技术比较研究[J]．当代石油石化，2024，32(10)：36-41．
	YANG P F， HUANG N， CHENG Y B ．Comparative study on green methanol production technology[J]．Petroleum & Petrochemical Today，2024，32(10)：36-41．
36	闫娜，严欢，贾宏刚，等．面向新能源高占比地区的混合储能优化配置及运行策略[J]．电网与清洁能源，2024，40(7)：18-27．
	YAN N， YAN H， JIA H G，et al ．Optimization configuration and operation strategy of hybrid energy storage for areas with a high proportion of new energy[J]．Power System and Clean Energy，2024，40(7)：18-27．
37	郭可玟，续永杰，史瑞静．3种制氢技术路线的经济性分析[J]．电工技术，2024(7)：40-43．
	GUO K W， XU Y J， SHI R J ．Economic analysis of three technology routes of hydrogen production[J]．Electric Engineering，2024(7)：40-43．
38	王明华．新能源电解水制氢技术经济性分析[J]．现代化工，2023，43(5)：1-5．
	WANG M H ．Technical economic analysis on hydrogen production from water electrolysis by new energy[J]．Modern Chemical Industry，2023，43(5)：1-5．
39	东方证券．从氢的供需拆解探寻氢能发展方向[EB/OL]．(2024-04-25)[2024-12-01]．．
	Securities Oriental ．Explore the development direction of hydrogen energy from the disassembly of hydrogen supply and demand[EB/OL]．(2024-04-25)[2024-12-01]．．
40	杜东，王小林，张国生，等．氨能产业发展现状及展望[J]．石油科技论坛，2023，42(2)：96-104．
	DU D， WANG X L， ZHANG G S，et al ．Present conditions and prospects of ammonia energy industrial development[J]．Petroleum Science and Technology Forum，2023，42(2)：96-104．
41	陈发清．中标国内最大绿色氢氨醇一体化项目[N]．深圳商报，2024-08-08(2)．
	CHEN F Q ．Wins bid for the largest domestic green hydrogen-ammonia-alcohol integration project[N]．Shenzhen Economic Daily，2024-08-08(2)．
42	傅向升．煤化工未来高质量发展的思考[J]．中国石油和化工，2023(9)：6-9．
	FU X S ．Thoughts on the future high-quality development of coal chemical industry[J]．China Petroleum and Chemical Industry，2023(9)：6-9．
43	鲍仁．工业和信息化部：加大对锂等矿产资源找矿支持力度[N]．期货日报，2024-11-07(5)．
	BAO R ．Ministry of industry and information technology：increase support for mineral exploration of lithium and other resources[N]．Futures Daily，2024-11-07(5)．
44	刘洋洋．内蒙古通辽市总投资37.0亿元风光储氢氨一体化产业园示范项目开工建设[N]．通辽统计微讯，2024-12-16(7)．
	LIU Y Y ．Demonstration project of an integrated industrial park for wind，solar，storage，hydrogen，and ammonia with a total investment of 3.7 billion yuan launched in Tongliao，Inner Mongolia[N]．Tongliao Statistics News，2024-12-16(7)．
45	王雅岚．投资新疆布局氢能产业正逢其时[N]．新疆日报，2024-09-04(6)．
	WaNG Y L ．Investing in Xinjiang and laying out the hydrogen energy industry is timely[N]．Xinjiang Daily，2024-09-04(6)．
46	邓振宇，张润之，张文韬，等．风光电解水制氢平准化成本优化空间分析[J]．广东电力，2024，37(7)：22-31．
	DENG Z Y， ZHANG R Z， ZHANG W T，et al ．Levelized cost optimization space analysis for wind-solar electrolytic water electrolyzing hydrogen generation[J]．Guangdong Electric Power，2024，37(7)：22-31．
47	张轩，王凯，樊昕晔，等．电解水制氢成本分析[J]．现代化工，2021，41(12)：7-11．
	ZHANG X， WANG K， FAN X Y，et al ．Cost analysis on hydrogen production via water electrolysis[J]．Modern Chemical Industry，2021，41(12)：7-11．
48	陈磊磊，年珩，赵建勇，等．含多电解槽的新能源制氢能量管理优化[J]．电力工程技术，2024，43(2)：2-10．
	CHEN L L， NIAN H， ZHAO J Y，et al ．Energy management optimization of new energy hydrogen production system including multi-electrolyzers[J]．Electric Power Engineering Technology，2024，43(2)：2-10．
49	沈明军，孙祥鑫，曲顺利．可再生能源制绿氨工艺技术分析[J]．氮肥技术，2023，44(4)：1-5．
	SHEN M J， SUN X X， QU S L ．Technology analysis of renewable energy to green ammonia process[J]．Nitrogenous Fertilizer Technology，2023，44(4)：1-5．
50	韩鹏飞，徐潇源，王晗，等．基于功率-温度自适应控制的多堆质子交换膜电解制氢系统效率优化[J]．电工技术学报，2024，39(7)：2236-2248．
	HAN P F， XU X Y， WANG H，et al ．Operational efficiency enhancement of multi-stack proton exchange membrane electrolyzer systems with power-temperature adaptive control[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2024，39(7)：2236-2248．
51	马达夫，温霄瑨，闻哲，等．生物质制取绿色甲醇技术及经济性分析[J]．现代化工，2025，45(1)：250-255．
	MA D F， WEN X J， WEN Z，et al ．Technology and economic analysis on green methanol production from biomass[J]．Modern Chemical Industry，2025，45(1)：250-255．

参数	AEC	PEM电解槽	SOEC
电解质	KOH溶液	PEM	Y₂O₃/ZrO₂
运行温度/℃	70~90	50~80	600~1 000
电解效率/%	60~75	70~90	85~100
电极/催化剂	镍、钴、锰	铂、铱、金	镍、钴、铁
使用寿命/a	20~30	10~20	2~3
直流能耗/(kW⋅h/m³)	4.5~5.5	3.8~5.0	2.6~3.6
电流密度/(A⋅cm^-2)	0.2~0.4	1~2	1~10
技术阶段	产业化应用	商业化初期	研发和示范阶段
环保特性	碱液污染	无污染	无污染

参数	AEC	PEM电解槽	SOEC
电解质	KOH溶液	PEM	Y₂O₃/ZrO₂
运行温度/℃	70~90	50~80	600~1 000
电解效率/%	60~75	70~90	85~100
电极/催化剂	镍、钴、锰	铂、铱、金	镍、钴、铁
使用寿命/a	20~30	10~20	2~3
直流能耗/(kW⋅h/m³)	4.5~5.5	3.8~5.0	2.6~3.6
电流密度/(A⋅cm^-2)	0.2~0.4	1~2	1~10
技术阶段	产业化应用	商业化初期	研发和示范阶段
环保特性	碱液污染	无污染	无污染

制氢技术	原料价格	成本
煤制氢	煤价600~1 000元/t	15 000~20 000元/t
天然气重整制氢	天然气价2.5~4.5元/m³	16 000~22 000元/t
电解水制氢	电价0.4元/(kW⋅h)	28 000~32 000元/t

制氢技术	原料价格	成本
煤制氢	煤价600~1 000元/t	15 000~20 000元/t
天然气重整制氢	天然气价2.5~4.5元/m³	16 000~22 000元/t
电解水制氢	电价0.4元/(kW⋅h)	28 000~32 000元/t

发布主体	政策名称	相关政策内容概述
工业和信息化部等部门	《工业领域碳达峰实施方案》	支持氢能全产业链发展，鼓励因地制宜开展可再生能源制氢，绿氢合成绿氨、绿色甲醇
国家发改委等部门	《关于大力实施可再生能源替代行动的指导意见》	在合成氨、合成甲醇等领域鼓励低碳氢规模化替代高碳氢，探索建设风光氢氨醇一体化基地
国家发改委等部门	《关于推动现代煤化工产业健康发展的通知》	在资源禀赋和产业基础较好的地区，推动现代煤化工与可再生能源、绿氢、绿氨、二氧化碳捕集、利用与封存等耦合创新发展
工业和信息化部	《新型储能制造业高质量发展行动方案》(征求意见稿)	拓展风光储氢等新能源应用场景，打通绿电-绿氢-绿氨/绿色甲醇产业链，推动多能互补