核心提示：

2021年氫能行業(yè)出現(xiàn)了兩個新的趨勢，一個是氫氣發(fā)動機(jī)，一個是氨能。氫氣發(fā)動機(jī)方面，國內(nèi)的一些主機(jī)廠，包括上汽、一汽、吉利、長城等都在做氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)方面的研發(fā)，詳見氫氣發(fā)動機(jī)是個啥?能否成為未來一條技術(shù)路線;氨能，則像一陣旋風(fēng)，猛然而至。

本文對氨能做了一個初步研究和梳理，以供行業(yè)交流。

2021年10月19日至21日在上海舉辦的以“汽車+X，雙碳背景下汽車科技創(chuàng)新”為主題的2021年中國汽車工程學(xué)會年會上，李俊院士發(fā)表了題為《Autonomy 2.0與Ammonia=Hydrogen2.0》的主旨報告，他指出，氫能的長尾效應(yīng)嚴(yán)重阻礙了氫能的利用與商業(yè)化進(jìn)程，而氨能在存儲和運輸方面的優(yōu)勢能夠很好的彌補氫能的缺陷，全球已進(jìn)入“氨=氫2.0”時代，氫能產(chǎn)業(yè)要準(zhǔn)備向氨方向發(fā)展。

此前，2021年5月26日-28日上海舉辦了第一屆“2021年氨燃料電池動力系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展上海國際峰會論壇”，來自中外的能源廠家、設(shè)備供應(yīng)商和配套廠家均參與其中，交流氨能發(fā)展的新機(jī)會，反響熱烈。

組織方響應(yīng)產(chǎn)業(yè)界要求，半年后又舉辦了“第二屆氨產(chǎn)業(yè)和氨燃料動力系統(tǒng)上海國際論壇”，探討氨產(chǎn)業(yè)和氨燃料動力系統(tǒng)在航運、船舶、內(nèi)燃機(jī)、飛機(jī)、汽車、市政、電力、工程、港口等清潔新能源市場的機(jī)遇與發(fā)展趨勢。全球前兩大船東MOL和NKY均報名參加。

氨能在當(dāng)今碳中和的背景下越來越受到各個國家政府的重視。

2021年4月日本政府發(fā)布了“Japan embracing ammonia power to achiever 2050 zero CO2 target”氨戰(zhàn)略，并且在2020年12月發(fā)布的《以2050年碳中和為目標(biāo)的綠色增長戰(zhàn)略》，2021年10月發(fā)布的《能源戰(zhàn)略計劃》中，均提到氨能。其中，《能源戰(zhàn)略計劃》是日本政府基于2002年生效的《能源政策基本法》而制定的政府文件，用于披露能源政策的方向，具有非常重要的參考意義和指導(dǎo)價值。

此外，韓國產(chǎn)業(yè)通商資源部12月7日主持召開的第二次氫氣和氨氣發(fā)電推進(jìn)會議上，韓政府宣布將2022年作為氫氣氨氣發(fā)電元年，并制定發(fā)展計劃和路線圖，力求打造全球第一大氫氣和氨氣發(fā)電國。會議宣布，政府將投入400億韓元用于有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并于2023年前制定“氫氣和氨氣發(fā)電指南”。

而美國自2004年起每年舉行一次“氨學(xué)術(shù)交流會議”，更是將2008年的會議主題定為“氨-美國能源獨立的關(guān)鍵”。

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已有氫能，為什么要發(fā)展氨能

第一，氫的燃點為570℃，爆炸極限為4%-75%，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?-3m/s，而氨的燃點為650℃左右，爆炸極限為16%-25%，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s為幾十厘米每秒。另外，氫無色無味，泄露過程中不容易發(fā)現(xiàn)，而氨具有刺激性氣味，在泄露初期更容易被發(fā)現(xiàn)解決。因此，在防爆方面，氨的使用比氫的使用具有更好的安全性。但是也應(yīng)該指出，氨具有毒性，能夠?qū)粑鲤つぎa(chǎn)生不良刺激，由于液氨泄露致人死亡的工程事故不在少數(shù)。

第二，氨具有存儲優(yōu)勢。應(yīng)用場景比較多的儲氫方式主要有三種，分別是液氫儲氫、高壓儲氫和吸附儲氫。在這三種中，最有可能大規(guī)模商業(yè)化運用的分別是液氫儲氫和高壓儲氫兩種，下文對這兩種氣體存儲方式進(jìn)行討論。氫的臨界溫度為零下239.96℃，臨界壓力為1.32MPa。氫如果需要在常壓下保持液態(tài)形式，則需要將環(huán)境溫度繼續(xù)降至零下253℃，這不僅將耗費大量的能量制冷，并且，由于內(nèi)外溫差大，氫的氣化不可避免，50立方米的儲氫罐一般會以每天0.4%的速度發(fā)生蒸發(fā)。氨的臨界溫度高達(dá)132.4℃，此時的臨界壓力也僅為11.298MPa。因此，氨的儲存比氫的儲存更簡單，氨可以在8.58個大氣壓下、溫度為20℃的環(huán)境中以液態(tài)的方式儲存，也可以在常壓、溫度為-33℃的條件下儲存液氨。

由于儲存壓力或儲存溫度較低，氨儲氣瓶的材料厚度(或提供強度或提供保溫)可遠(yuǎn)低于氫儲氣瓶，因此氨儲氣瓶占總質(zhì)量比重低，或者是儲氣瓶制造成本差異懸殊，如70MPa碳纖維氫氣儲氣瓶的造價是普通鋼瓶的10倍以上。另外，氨氣可以在常溫下加壓液化儲存，這能避免液氨氣化導(dǎo)致的氣體損失，從而極大地延長儲存時間，這是低溫液氫儲存不可能達(dá)到的工況。

第三，氨具有輸運優(yōu)勢。首先，氨的體積能量密度是液氫的兩倍。在同樣的容積內(nèi)，能夠輸送的氨能蘊含能量高一倍。另外，如前所述，液氫的保存溫度非常低，這需要非常厚的保溫材料。因此儲存的氫氣大約是低溫儲存箱體總質(zhì)量的20%，體積占總箱體的50%。在實際運輸中，需要消耗許多額外的能量用于儲存罐的運輸。

最后，氨是一種常用的化工用品，每年世界對氨的需求量為兩億噸左右，一個廣泛運用的氨輸送體系已經(jīng)存在，而氫運輸網(wǎng)絡(luò)尚處于制定標(biāo)準(zhǔn)的起步階段(如氫能剛被列為2022年能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)立項重點方向)，以后還需要進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

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氨的生產(chǎn)及其發(fā)展趨勢

Haber-Bosch合成氨工藝是世界上最廣泛運用的氨生產(chǎn)工藝，該工藝平均每年約生產(chǎn)1.8億噸的氨，同時能源消耗占全球能源總消耗的1.8%-3%，二氧化碳排放量約占全球二氧化碳總排放量的1%。因此各國正在探尋基于可再生能源制氫的綠氨生產(chǎn)工藝。

在歐洲，荷蘭處于領(lǐng)先地位，目前已經(jīng)完成將海上風(fēng)電和太陽能轉(zhuǎn)化為氨燃料的可行性分析和論證工作。報告指出，隨著太陽能和風(fēng)能發(fā)電成本的進(jìn)一步降低，以電解水為基礎(chǔ)的氨合成成本將比以天然氣為基礎(chǔ)的氨生產(chǎn)成本更低。荷蘭的能源公司(NUON)、天然氣公司(Gasunie)等多家大型企業(yè)均有所參與布局。

日本福島可再生能源研究所在2013年已經(jīng)在陸地建成了50kW的風(fēng)電和光電生產(chǎn)氨燃料并利用其發(fā)電的示范基地，氨與煤油混合使用能降低38%的煤油用量。德國西門子與英國盧瑟福阿普爾頓實驗室合作于2017年底建成純電力合成綠色氨和儲能系統(tǒng)的示范項目。該項目由英國創(chuàng)新公司支持(Innovate UK)。澳大利亞正在對利用澳洲沙漠的太陽能生產(chǎn)氨燃料并出口給日本的技術(shù)方案和協(xié)作戰(zhàn)略進(jìn)行論證。此外，挪威化肥巨頭雅苒國際(Yara International)2021年7月宣布，將于2023年在澳大利亞試生產(chǎn)綠氨，并計劃將其銷售給日本的發(fā)電廠。

相比于成熟的煤裂解制氫合成氨，采用電解水制氫合成氨的方式成本一般較高。根據(jù)勢銀能鏈謝易奇的分析，綠氫合成氨成本主要由原料成本(綠氫生產(chǎn)和氮氣生產(chǎn))和設(shè)備折舊、工用設(shè)備(主要為電力)等其他成本組成，并假設(shè)原料成本占總成本比例為70%，其余部分占30%。每噸綠氨合成需要0.176噸綠氫和0.832噸氨氣。當(dāng)煤炭價格處于正常范圍(700-900元/噸)，傳統(tǒng)合成氨的成本范圍在1900-2200元/噸，此時在可再生能源豐富且電價低廉(0.1元/度)的地區(qū)，綠色合成氨的成本可以和傳統(tǒng)煤制氫合成氨相競爭。而當(dāng)煤價處于歷史高點時(1500-2000元/噸)，傳統(tǒng)合成氨的成本將超過3000元/噸。此時電價到達(dá)0.2元/度的地區(qū)，綠氨生產(chǎn)成本也也可以和傳統(tǒng)氨生產(chǎn)成本競爭。

 

 

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氨的應(yīng)用

氨除了能夠作為化工用品外，其可作為燃料直接用于飛機(jī)、航空飛船等機(jī)械設(shè)備的動力系統(tǒng)。

早在1941年，比利時A.Macq就提出氨燃料可以用于發(fā)動機(jī)，并成功將其運用于汽車。1963年，美國航天局將氨作為燃料應(yīng)用于X-15實驗機(jī)，以當(dāng)時人類航空史上最高時速送上太空。

如今，挪威海工船船東Eidesvik和瓦錫蘭將對一艘海工輔助船(OSV)進(jìn)行改裝，這也是全球首次在OSV上應(yīng)用氨燃料驅(qū)動。改裝后的系統(tǒng)可使用70%的混合氨燃料來運行。同時，船用發(fā)動機(jī)制造商曼恩(Man Energy Solutions)也正在制造一臺二沖程氨動力發(fā)動機(jī)，計劃在2024年前完成。船運巨頭馬士基也表示，為早日實現(xiàn)碳中和，氨能將成為其船只主要動力之一。

另外，氨燃料也可用于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行發(fā)電。如日本在2021年發(fā)布的《能源戰(zhàn)略計劃》中提出在2030年要將氨和氫發(fā)出的電能占日本能源消耗的1%?；诖吮尘?，2021年3月日本東北大學(xué)流體科學(xué)小林秀昭課題組成功實現(xiàn)了70%液氨在2000kW級燃?xì)廨啓C(jī)中的穩(wěn)定燃燒，并能同時抑制氮氧化物。

如上所述，上述研究成果主要集中在氨混合燃燒領(lǐng)域，這是因為氨作為燃料獨自使用時具有燃點高，燃燒穩(wěn)定性差等缺點，并可能產(chǎn)生燃燒不充分的現(xiàn)象，這將排放氮氧化物污染環(huán)境。為了使其具有更好的燃燒效果，一般需要添加一定量的含碳化合物，此時無法達(dá)到“凈零”目標(biāo)。因此氨能作為燃料直接使用時要想達(dá)到完全的零排放還有很長的路要走。

氨除了能直接用于燃燒外，也可將氨的儲存和輸運優(yōu)勢與氫能利用相結(jié)合，以氨能為氫能載體，構(gòu)建一條“清潔高效合成氨-安全低成本儲運氨-無碳產(chǎn)氫用氫”的全鏈條特色氫能利用路線，為實現(xiàn)“30.60”碳減排目標(biāo)提供一個嶄新的能源利用解決方案。

2016年，美國能源部通過一項“再生燃料”(REFUEL)的研究計劃，目標(biāo)是開發(fā)可擴(kuò)展的技術(shù)，將電能從可再生能源轉(zhuǎn)化為能源密度高的碳中性液體燃料，并根據(jù)需要轉(zhuǎn)換為電力或氫氣。目前，該研究計劃內(nèi)共有17個與氨有關(guān)的項目獲得資助。

國內(nèi)福州大學(xué)于12月10日啟動建設(shè)了國內(nèi)首家“氨-氫”綠色能源重大產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺，該校江莉龍團(tuán)隊研發(fā)的新型低溫“氨分解制氫”催化劑率先實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，為“氨-氫”清潔能源高效轉(zhuǎn)換利用奠定堅實基礎(chǔ)。

 

 

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結(jié)語與未來展望

目前世界正處于能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，我們需要保持開放的心態(tài)，保持勇于嘗試的態(tài)度，保持敢于創(chuàng)新的精神。完成2050年的碳減排目標(biāo)需要多種能源的配合使用，基于氨氫融合解決氫能利用輸運問題的能源解決方案或者是氨能獨自使用都可能隨著技術(shù)進(jìn)步在未來大放光彩，需要給它們提供更多的機(jī)會，為實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和尋找多樣的路徑和技術(shù)。

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