合肥綜合性國家科學中心駛出“一條船” —— 全球首航成功標志著純氨燃料在船舶領域的工業化應用取得重大突破

6月27日，科研人員維護純氨燃料內燃機。

在合肥巢湖岸邊，“氨暉號”身披首航成功橫幅靜靜停泊著。

這艘船是全球首艘純氨燃料內燃機動力示范船舶，搭載一臺200kW的高速氣體內燃發電機組、2臺100kW推進電機及雙槳推進系統，滿載50噸，額定航速為10節。

它的首航成功，原理性驗證了純氨是可以燃燒的，邁出了純氨作為燃料使用的第一步。2019年成立的合肥綜合性國家科學中心能源研究院，有著為國家能源安全以及解決人類能源終極問題提供科學和技術支持的使命，“氨暉號”的誕生可以說是研究院將國家重大戰略需求與科技創新緊密相連的生動例證。

一艘碳排放近零的船

沒有黑煙、二氧化碳近零排放，這是“氨暉號”鮮明的特征。

為什么選擇純氨作為船舶燃料？“氨主要由氫氣和氮氣合成制取，是一種富氫的無碳燃料，也是化肥工業的重要原料。”合肥綜合性國家科學中心能源研究院（安徽省能源實驗室）氫能源和氨應用研究中心副主任吳殿武說，氨具有能量密度高、易于液化、成本較低、儲運安全、工業基礎良好等優勢，應用潛力巨大。

吳殿武進一步解釋，氨的體積能量密度是氫的3倍，意味著相同體積的燃料罐，氨能提供更遠航程。同時，氫需要零下253攝氏度的極端低溫儲存，氨在低壓或零下33攝氏度環境即可液化保存。

因此，氨成為大規模船舶應用的理想選擇，既解決了氫燃料的儲運難、使用貴等難題，又解決了鋰電池續航不足的短板。

氨的優勢這么多，為什么不早早用它作為新能源？氨的應用存在著點火難、火焰傳播速度慢、燃燒不穩定等難題。2024年，中國科協發布的“十大前沿科學問題”中將“實現氨氫融合燃料零碳大功率內燃機高效燃燒與近零排放控制”列入其中，可以看出，把氨作為內燃機燃料實現的難度極大。

6月28日，全球首艘純氨燃料內燃機動力示范船舶“氨暉號”在合肥市巢湖水域首航。

“國際上，通常用‘雙燃料模式’點燃氨氣，即將一種易點燃的燃料與氨通過一定比例混合，把氨點燃。”吳殿武告訴記者，團隊創新性采用等離子體點火方式點燃氨氣，等離子體點火能產生高能電子、自由基等活性粒子，具有點火效率高、低點火能量需求、復雜環境適應性和穩定性高等優勢，能完美地解決氨的燃燒難問題。

讓氨從自己的“身體”里源源不斷裂解并控制氫濃度，這是項技術活兒。

吳殿武介紹，借助等離子體的高能量，可以實現氨的冷態快速點火。團隊將氨進行了改性處理，使一部分的氨氣裂解成氮氣和氫氣。為了更好地調控氫、氨比例，團隊還專門成立了一個小組，經過反復試驗，終于找到最佳的解決方案。

邁出純氨作為燃料使用第一步

“這種點火方式得益于團隊多年的技術積累，也是大科學裝置衍生出來的技術轉化。”吳殿武介紹，能源研究院是安徽省政府和中國科學院共同發起，由中國科學院合肥物質科學研究院等離子體所、中國科學技術大學、合肥工業大學、安徽理工大學4家單位合作共建的新型研發機構。

“2019年研究院成立之初，在李建剛院士的帶領下，團隊開始布局純氨燃料方面的應用，在國內首次提出作為氫能補充的氨能工程化實施戰略研究。”吳殿武說，最初，我們是在5千瓦的發動機上做摻燃實驗，沒有做純氨，幾經探索，才最終實現純氨的穩定燃燒，畢竟，純氨才是真正的零碳排放。

2023年，能源研究院團隊通過科技成果孵化，與原中國船舶集團的專家團隊，聯合成立了深圳海旭新能源有限公司，將目標瞄準了純氨燃料在船用內燃機上的應用。

“能源研究院主要是提供原始技術，深圳海旭公司更多是開展工程化工作，‘氨暉號’相關核心裝置的研發以及生產是雙方團隊共同完成。”吳殿武回憶，去年夏天，團隊成員輪流到船舶的加工實驗地湖北，配合落地工作，現場工程人員從早上七點到晚上十一二點，一直在廠房內進行加工和聯調試驗工作，船艙密閉空間很悶熱，汗水不住地順著頭和面頰往下流淌。

經過兩年多的研究，團隊攻克了純氨燃料等離子點火技術、純氨燃料持續燃燒技術、氨氣高效催化裂解產氫技術、氫氨混合氣體燃料在氣體內燃機高效燃燒及控制技術等多項關鍵核心技術，自主研制了多個系統裝備。

“氨暉號”在近一小時的首航里實現了純氨燃料的穩定充分燃燒、二氧化碳的近零排放和氮氧化物的有效控制等預期目標，原理性驗證了純氨是可以燃燒的，邁出了純氨作為燃料使用的第一步。

預計純氨燃料5年到10年可大規模推廣

“選擇將純氨燃料應用在船舶內燃機上，既是大勢所趨，也跟能源研究院一直以來的堅持有關。能源研究院常務副院長胡浩民多次提出，要始終堅持‘需求牽引、應用導向、價值創造’的科研理念，做有需求的科研、有應用的科研、有價值的科研。”吳殿武表示，從產業前景看，低碳轉型是全球共識，綠色航運是大勢所趨。

根據國際海事組織（IMO）的數據，全球航運業每年大約排放10億噸溫室氣體。這個數字相當于每年全球汽車排放量總和的530倍，而一艘超大型集裝箱船（VLCC）燒重油一天的排放量，相當于3萬輛家用轎車。

航運業僅靠節能技術和降低航速難以達成“雙碳”目標，需要以綠色甲醇、綠氨等綠色航運燃料替代傳統化石燃料。國際能源署報告預計，到2050年氨將占航運能源需求的45%。

將科學研究緊密對接國家重大戰略需求和社會發展迫切需求，可以讓科技創新的引擎作用得到最大程度釋放。能源研究院成立之初就有著為國家能源安全以及解決人類能源終極問題提供科學和技術支持的使命，“氨暉號”的誕生就是一個生動的例證。

5年來，能源研究院通過自主研發和協同攻關，產生了一批國內領先、填補空白的標志性科技成果，通過與相關企業共建協同創新中心、聯合實驗室等方式，協助企業解決“卡脖子”技術難題，深化產學研深度合作。

在吳殿武看來，“氨暉號”下水試驗實現了多項預期目標，充分驗證了氨氫融合燃料未來可推廣應用到海洋運輸、陸上交通、工業和生活鍋爐以及固體燃料電池等領域。

中國造船工程學會秘書長王俊利表示，純氨動力示范船的成功運行，對加快構建清潔低碳、安全高效的水上交通能源體系具有重大里程碑意義，未來純氨內燃機發電機組如果能達到兆瓦級，應用范圍會更加廣泛，在“雙碳”目標背景下意義重大。

“當前，‘氨暉號’相關參數還有繼續優化的空間。我們要繼續開展試驗，找出最為經濟可靠的方案。”吳殿武表示，目前，氨的成本仍然很高，經濟性較差，等到純氨燃料的技術可行性和經濟可行性都具備了，氨燃料就會進一步推廣，純氨燃料的大規模推廣約在2030年到2035年實現。