核心提示：

2021年氫能行業(yè)出現(xiàn)了兩個(gè)新的趨勢(shì)，一個(gè)是氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)，一個(gè)是氨能。氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)方面，國(guó)內(nèi)的一些主機(jī)廠(chǎng)，包括上汽、一汽、吉利、長(zhǎng)城等都在做氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)方面的研發(fā)，詳見(jiàn)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)是個(gè)啥?能否成為未來(lái)一條技術(shù)路線(xiàn);氨能，則像一陣旋風(fēng)，猛然而至。

本文對(duì)氨能做了一個(gè)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(chē)+X，雙碳背景下汽車(chē)科技創(chuàng)新”為主題的2021年中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)上，李俊院士發(fā)表了題為《Autonomy 2.0與Ammonia=Hydrogen2.0》的主旨報(bào)告，他指出，氫能的長(zhǎng)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(chǔ)和運(yùn)輸方面的優(yōu)勢(shì)能夠很好的彌補(bǔ)氫能的缺陷，全球已進(jìn)入“氨=氫2.0”時(shí)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(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展上海國(guó)際峰會(huì)論壇”，來(lái)自中外的能源廠(chǎng)家、設(shè)備供應(yīng)商和配套廠(chǎng)家均參與其中，交流氨能發(fā)展的新機(jī)會(huì)，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(dòng)力系統(tǒng)上海國(guó)際論壇”，探討氨產(chǎn)業(yè)和氨燃料動(dòng)力系統(tǒng)在航運(yùn)、船舶、內(nèi)燃機(jī)、飛機(jī)、汽車(chē)、市政、電力、工程、港口等清潔新能源市場(chǎng)的機(jī)遇與發(fā)展趨勢(shì)。全球前兩大船東MOL和NKY均報(bào)名參加。

氨能在當(dāng)今碳中和的背景下越來(lái)越受到各個(gè)國(guó)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(zhǎng)戰(zhàn)略》，2021年10月發(fā)布的《能源戰(zhàn)略計(jì)劃》中，均提到氨能。其中，《能源戰(zhàn)略計(jì)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(jià)值。

此外，韓國(guó)產(chǎn)業(yè)通商資源部12月7日主持召開(kāi)的第二次氫氣和氨氣發(fā)電推進(jìn)會(huì)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(jì)劃和路線(xiàn)圖，力求打造全球第一大氫氣和氨氣發(fā)電國(guó)。會(huì)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(guó)自2004年起每年舉行一次“氨學(xué)術(shù)交流會(huì)議”，更是將2008年的會(huì)議主題定為“氨-美國(guó)能源獨(dú)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(diǎn)為570℃，爆炸極限為4%-75%，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?-3m/s，而氨的燃點(diǎn)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(wú)色無(wú)味，泄露過(guò)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(chǔ)優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用場(chǎng)景比較多的儲(chǔ)氫方式主要有三種，分別是液氫儲(chǔ)氫、高壓儲(chǔ)氫和吸附儲(chǔ)氫。在這三種中，最有可能大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)用的分別是液氫儲(chǔ)氫和高壓儲(chǔ)氫兩種，下文對(duì)這兩種氣體存儲(chǔ)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(fèi)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(chǔ)氫罐一般會(huì)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(shí)的臨界壓力也僅為11.298MPa。因此，氨的儲(chǔ)存比氫的儲(chǔ)存更簡(jiǎn)單，氨可以在8.58個(gè)大氣壓下、溫度為20℃的環(huán)境中以液態(tài)的方式儲(chǔ)存，也可以在常壓、溫度為-33℃的條件下儲(chǔ)存液氨。

由于儲(chǔ)存壓力或儲(chǔ)存溫度較低，氨儲(chǔ)氣瓶的材料厚度(或提供強(qiáng)度或提供保溫)可遠(yuǎn)低于氫儲(chǔ)氣瓶，因此氨儲(chǔ)氣瓶占總質(zhì)量比重低，或者是儲(chǔ)氣瓶制造成本差異懸殊，如70MPa碳纖維氫氣儲(chǔ)氣瓶的造價(jià)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(chǔ)存，這能避免液氨氣化導(dǎo)致的氣體損失，從而極大地延長(zhǎng)儲(chǔ)存時(shí)間，這是低溫液氫儲(chǔ)存不可能達(dá)到的工況。

第三，氨具有輸運(yùn)優(yōu)勢(shì)。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(yùn)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(chǔ)存的氫氣大約是低溫儲(chǔ)存箱體總質(zhì)量的20%，體積占總箱體的50%。在實(shí)際運(yùn)輸中，需要消耗許多額外的能量用于儲(chǔ)存罐的運(yùn)輸。

最后，氨是一種常用的化工用品，每年世界對(duì)氨的需求量為兩億噸左右，一個(gè)廣泛運(yùn)用的氨輸送體系已經(jīng)存在，而氫運(yùn)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(xiàng)重點(diǎn)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(shì)

Haber-Bosch合成氨工藝是世界上最廣泛運(yùn)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(shí)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(guó)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(yáng)能轉(zhuǎn)化為氨燃料的可行性分析和論證工作。報(bào)告指出，隨著太陽(yáng)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(guó)西門(mén)子與英國(guó)盧瑟福阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室合作于2017年底建成純電力合成綠色氨和儲(chǔ)能系統(tǒng)的示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目由英國(guó)創(chuàng)新公司支持(Innovate UK)。澳大利亞正在對(duì)利用澳洲沙漠的太陽(yáng)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(guó)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(jì)劃將其銷(xiāo)售給日本的發(fā)電廠(chǎng)。

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(shì)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?dú)馍a(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?jī)r(jià)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(shí)在可再生能源豐富且電價(jià)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(jìng)爭(zhēng)。而當(dāng)煤價(jià)處于歷史高點(diǎn)時(shí)(1500-2000元/噸)，傳統(tǒng)合成氨的成本將超過(guò)3000元/噸。此時(shí)電價(jià)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(jìng)爭(zhēng)。

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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(dòng)力系統(tǒng)。

早在1941年，比利時(shí)A.Macq就提出氨燃料可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)，并成功將其運(yùn)用于汽車(chē)。1963年，美國(guó)航天局將氨作為燃料應(yīng)用于X-15實(shí)驗(yàn)機(jī)，以當(dāng)時(shí)人類(lèi)航空史上最高時(shí)速送上太空。

如今，挪威海工船船東Eidesvik和瓦錫蘭將對(duì)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(dòng)。改裝后的系統(tǒng)可使用70%的混合氨燃料來(lái)運(yùn)行。同時(shí)，船用發(fā)動(dòng)機(jī)制造商曼恩(Man Energy Solutions)也正在制造一臺(tái)二沖程氨動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，計(jì)劃在2024年前完成。船運(yùn)巨頭馬士基也表示，為早日實(shí)現(xiàn)碳中和，氨能將成為其船只主要?jiǎng)恿χ弧?/p>

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(jì)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%。基于此背景，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(shí)現(xiàn)了70%液氨在2000kW級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中的穩(wěn)定燃燒，并能同時(shí)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?yàn)榘弊鳛槿剂溪?dú)自使用時(shí)具有燃點(diǎn)高，燃燒穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，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(shí)無(wú)法達(dá)到“凈零”目標(biāo)。因此氨能作為燃料直接使用時(shí)要想達(dá)到完全的零排放還有很長(zhǎng)的路要走。

氨除了能直接用于燃燒外，也可將氨的儲(chǔ)存和輸運(yùn)優(yōu)勢(shì)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(chǔ)運(yùn)氨-無(wú)碳產(chǎn)氫用氫”的全鏈條特色氫能利用路線(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)“30.60”碳減排目標(biāo)提供一個(gè)嶄新的能源利用解決方案。

2016年，美國(guó)能源部通過(guò)一項(xiàng)“再生燃料”(REFUEL)的研究計(jì)劃，目標(biāo)是開(kāi)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(jì)劃內(nèi)共有17個(gè)與氨有關(guān)的項(xiàng)目獲得資助。

國(guó)內(nèi)福州大學(xué)于12月10日啟動(dòng)建設(shè)了國(guó)內(nèi)首家“氨-氫”綠色能源重大產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺(tái)，該校江莉龍團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型低溫“氨分解制氫”催化劑率先實(shí)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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結(jié)語(yǔ)與未來(lái)展望

目前世界正處于能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，我們需要保持開(kāi)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(yùn)問(wèn)題的能源解決方案或者是氨能獨(dú)自使用都可能隨著技術(shù)進(jìn)步在未來(lái)大放光彩，需要給它們提供更多的機(jī)會(huì)，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和尋找多樣的路徑和技術(shù)。