氫能具有綠色、高效、無碳排放和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢，發(fā)展氫能于2019年被首次寫入《政府工作報告》。2022年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，明確了氫的能源屬性，是未來國家能源體系的組成部分，充分發(fā)揮氫能清潔低碳特點(diǎn)，推動交通、工業(yè)等用能終端和高耗能、高排放行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。同時，明確氫能是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)方向，是構(gòu)建綠色低碳產(chǎn)業(yè)體系、打造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的新增長點(diǎn)。
然而，若要實(shí)現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用，面臨的挑戰(zhàn)主要是低成本高效能的燃料電池技術(shù)和安全高效的氫氣儲運(yùn)技術(shù)。其中氫氣儲運(yùn)難和安全性差是制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要“瓶頸”。
首先，因氫氣體積能量密度低，需35——70 MPa的高壓儲運(yùn)，導(dǎo)致氫氣的儲運(yùn)成本高；其次，根據(jù)我國2019年發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》預(yù)計，2050年將建成1萬座加氫站，按每座加氫站1500萬——3000萬元的建設(shè)成本估算，需投入高達(dá)1500億——3000億元，基建成本高；再次，2019年在挪威、韓國等國家20天內(nèi)連續(xù)發(fā)生的三起因氫氣儲罐泄露引起的爆炸事故，暴露了氫氣易燃易爆、本質(zhì)安全性弱的缺點(diǎn)。
因此，要突破氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，亟需結(jié)合中國能源及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)展成熟、安全、高效的特色儲運(yùn)氫的路線及其配套產(chǎn)業(yè)鏈。
一、氨為突破氫能產(chǎn)業(yè)瓶頸提供了可行的解決途徑
氨（NH3）是關(guān)系國計民生的基礎(chǔ)化工原料，廣泛用于化肥、環(huán)保、軍事、制冷等領(lǐng)域。同時，氨作為高效儲氫介質(zhì)，具有以下顯著優(yōu)勢：
高能量密度。氨的體積能量密度約為13.6 MJ·L-1，1L液氨=4.5L高壓氫（35.0MPa）=1200L常溫常壓氫。
液化儲運(yùn)成本低。氨只需加壓至1.0MPa即可以液態(tài)形式儲運(yùn)，一輛液氨槽罐車載氨量可達(dá)30t（約含5.29t氫），載氫量較長管拖車（載氫量不到400kg）提高1個數(shù)量級，因此運(yùn)氨成本（約0.001元·kg-1·km-1）也較運(yùn)氫成本（0.02——0.10元·kg-1·km-1）呈數(shù)量級降低。
無碳儲能。氨成熟的技術(shù)體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及低成本合成、存儲和運(yùn)輸，可實(shí)現(xiàn)季節(jié)性、遠(yuǎn)距離、“無碳化”的“氨-氫”儲能。有研究表明，在目前主要研究的幾類電制液體燃料技術(shù)（液氫、液氨、液化天然氣、甲醇、有機(jī)液態(tài)儲氫）中，電制氨的成本最低，效率僅次于其他電制液體燃料技術(shù)。
安全性高。氨的火災(zāi)危險性僅為乙類，爆炸極限（16%——25%）較氫（4%——76%）更窄，因此更安全。其刺激性氣味是可靠的警報信號。
因此，發(fā)展以氨為儲氫介質(zhì)，有望解決傳統(tǒng)高壓儲運(yùn)氫的難題。
眾所周知，合成氨已有一百多年發(fā)展歷史，針對氨的生產(chǎn)、儲運(yùn)及使用已形成了完備的產(chǎn)業(yè)鏈、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及安全規(guī)范。如若按照5000萬噸的年產(chǎn)量（其中80%來自煤制合成氨，20%來自天然氣合成氨）來計算，2030年合成氨工業(yè)將排放2.7億噸CO2。
我國是可再生能源裝機(jī)容量最大的國家，但因光伏、風(fēng)電和水電等可再生能源存在間歇性、波動性和季節(jié)性等缺點(diǎn)，導(dǎo)致存在大量“棄風(fēng)、棄光和棄水”（簡稱“三棄”）現(xiàn)象。據(jù)國家能源局統(tǒng)計，我國2018年全年“三棄”電量高達(dá)1.023 × 1011kW·h，尤其主要集中在西北、華北、西南等地區(qū)。探索和發(fā)展可再生能源光解/電解水制氫耦合合成氨技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)可再生能源電力的“消納和調(diào)峰”，實(shí)現(xiàn)低成本、跨地域長距離存儲運(yùn)輸，并與豐富的氨下游產(chǎn)業(yè)相結(jié)合。
初步估算表明，利用氨作為儲氫介質(zhì)具有顯著經(jīng)濟(jì)性。例如，
如果采用氨分解制氫現(xiàn)場為加氫站供氫，可將加氫站的加氫成本降至35元·kg-1以下；
若開發(fā)耦合“氨制氫-燃料電池”的間接氨燃料電池技術(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶終端“氨變電”（NH3-to-power），發(fā)電成本約為1元·（kW·h）-1或乘用車燃料成本約為25元·（100 km）-1，并使現(xiàn)有氫燃料電池系統(tǒng)的續(xù)航能力提升近1倍；
若采用氨作為車用燃料加注，加油站僅需稍加改造即可用于加氨，預(yù)計加氨站的改建成本較加氫站的建設(shè)成本可降低1個數(shù)量級。依照2050年中國建成1萬座加氫站的目標(biāo)，可節(jié)約近千億元的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資。
因此，發(fā)展氨為儲氫介質(zhì)，可貫通可再生能源、氫能和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，開發(fā)出一條符合我國能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的“清潔高效氨合成→安全低成本儲運(yùn)氨→無碳高效‘氨-氫’利用”的全鏈條“氨-氫”綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線（圖1），對保障國家能源環(huán)保安全和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
圖1 “氨-氫”綠色能源循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線。
二、發(fā)展“氨-氫”能源綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線的技術(shù)挑戰(zhàn)
據(jù)上述分析，氨作為理想的儲氫介質(zhì)有望解決氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的儲運(yùn)成本高、能量密度低和本質(zhì)安全性弱等挑戰(zhàn)性難題。國際上已陸續(xù)啟動氨能源示范項目，如美國能源部的REFUEL （Renewable Energy to Fuels Through Utilization of Energy-Dense Liquids）計劃、歐洲西門子公司及日本JGC公司針對“可再生能源—氨—電”的示范項目等。
發(fā)展以氨作為清潔高效的新能源，既實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)合成氨工業(yè)的節(jié)能減排，又貫通了可再生能源和新能源產(chǎn)業(yè)，具有巨大的應(yīng)用前景。在德國H2Ber氫能示范項目的啟發(fā)下，圖2描繪了“氨-氫”能源綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線未來的應(yīng)用場景。
圖2 “氨-氫”能源綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線。CHP：熱電聯(lián)產(chǎn)；EV：電動汽車
“綠氨”的生產(chǎn)和應(yīng)用成本主要受可再生能源電價的影響。預(yù)計到2035年，“綠氨”的生產(chǎn)和應(yīng)用成本為1700元·t-1，氨燃料電池的發(fā)電成本為1.0元·（kW·h）-1；到2060年，“綠氨”的生產(chǎn)和應(yīng)用成本可進(jìn)一步降至800元·t-1，“氨變電”成本降至0.5元·（kW·h）-1以下。為實(shí)現(xiàn)“氨-氫”能源循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線，仍需解決如下技術(shù)挑戰(zhàn)：
技術(shù)挑戰(zhàn)一——高性能低溫低壓合成氨和安全低溫氨分解催化劑及反應(yīng)器技術(shù)，以及面向直接氨燃料電池的新型高性能、高穩(wěn)定性氨氧化（AOR）電催化劑及膜電極技術(shù)；
技術(shù)挑戰(zhàn)二——間歇性可再生能源制氫-低溫低壓合成氨系統(tǒng)的動態(tài)集成匹配、設(shè)計優(yōu)化及管控技術(shù)；
技術(shù)挑戰(zhàn)三——安全低溫氨現(xiàn)場制氫系統(tǒng)和氨燃料電池系統(tǒng)的高效集成、緊湊化設(shè)計及智能協(xié)同控制技術(shù)。
三、競逐“綠氨”賽道
2022年，在雙碳大背景下，伴隨綠氫“風(fēng)起”，綠氫合成綠氨也被化工企業(yè)看重，成為其減碳降碳的重要方式之一。其中，據(jù)全球氫能觀察，中國天楹、吉電股份、遠(yuǎn)景科技集團(tuán)、明拓集團(tuán)、國家能源集團(tuán)、國家電投、盈德氣體、中國氫能、京能集團(tuán)等企業(yè)競相布局綠氫綠氨項目。
遠(yuǎn)景零碳工廠概念圖，圖源遠(yuǎn)景集團(tuán)
1、中國天楹
9月，中國天楹股份有限公司（簡稱“中國天楹”）與通遼市人民政府、中國投資協(xié)會簽署戰(zhàn)略合作框架協(xié)議。三方將共同打造通遼千萬千瓦級風(fēng)光儲氫氨一體化零碳產(chǎn)業(yè)園項目，總投資達(dá)600億元，建成后將年產(chǎn)5萬噸綠氫、30萬噸綠氨等。
同時，三方還將共同打造零碳產(chǎn)業(yè)裝備制造中心，重點(diǎn)打造綠氫、綠氨等領(lǐng)域北方零碳裝備制造業(yè)中心，總投資100億元；此外，協(xié)議中還表示將共同發(fā)起成立通遼零碳產(chǎn)業(yè)母基金和子基金群，發(fā)起成立綠氫研究院、綠氨研究院等。
2、吉電股份
9月，吉林電力股份有限公司（簡稱：吉電股份）發(fā)布公告稱，大安風(fēng)光制綠氫合成氨一體化示范項目已獲得核準(zhǔn)（備案）。依據(jù)公告內(nèi)容，大安風(fēng)光制綠氫合成氨一體化示范項目總投資為63.32億元，規(guī)劃建設(shè)700兆瓦風(fēng)電項目、100兆瓦光伏項目、配套建設(shè)40兆瓦/80兆瓦時儲能裝置，同時還將新建制氫、儲氫及18萬噸合成氨裝置。
而在今年1月，吉電股份與伊藤忠（中國）集團(tuán)有限公司就加強(qiáng)氫能產(chǎn)業(yè)鏈方面合作展開深入交流，明確希望雙方加強(qiáng)氫能全產(chǎn)業(yè)鏈、碳中和等方面的深度合作交流，推動項目早日落地，促進(jìn)綠氫、綠氨、綠醇生產(chǎn)耦合聯(lián)動。
3、京能集團(tuán)
京能集團(tuán)由原北京國際電力開發(fā)投資公司和原北京市綜合投資公司合并而成，經(jīng)過多年的資源整合，由單一能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展為熱力、電力、煤炭、健康文旅等多業(yè)態(tài)產(chǎn)業(yè)格局。
今年8月，京能集團(tuán)與內(nèi)蒙古錫林郭勒盟多倫縣人民政府簽署了風(fēng)光儲氫制綠氨項目合作開發(fā)框架協(xié)議。依據(jù)協(xié)議，雙方將合力推進(jìn)風(fēng)光儲氫制綠氨項目實(shí)施進(jìn)程，利用錫林郭勒盟南部區(qū)域可再生能源資源生產(chǎn)綠電并電解制綠氫，綠氫轉(zhuǎn)化為綠氨后供應(yīng)國內(nèi)外市場。項目建成后，預(yù)計電解制氫規(guī)模日產(chǎn)300噸，年產(chǎn)綠氨規(guī)模達(dá)60萬噸。
4、中國能建&眾宇動力
8月22日，近日，武漢眾宇動力與中國能源建設(shè)集團(tuán)聯(lián)合投資打造的蘭州新區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)園項目正式開工。
該項目規(guī)劃建設(shè)“一基地三中心”功能的綜合型氫能園區(qū)，包括綠氫供應(yīng)基地、氫能示范應(yīng)用中心、氫能裝備制造中心和氫能研究中心。項目規(guī)劃面積2.83平方公里，總投資150億元，項目一期總投資30億元，主要建設(shè)年產(chǎn)2萬噸制氫能力和10萬標(biāo)方儲氫能力的綠氫供應(yīng)基地，以年產(chǎn)6萬噸綠氨和氫能交通應(yīng)用為核心的示范應(yīng)用中心，以年產(chǎn)3000套氫燃料電池系統(tǒng)為核心的氫能裝備制造中心，同時建設(shè)氫能研發(fā)創(chuàng)新中心、檢測中心和人才培訓(xùn)中心。
5、盈德氣體&中國氫能
盈德氣體是一家致力于中國工業(yè)發(fā)展的大型專業(yè)氣體公司，專注于現(xiàn)場供氣、清潔能源、零售、工程與制造、氫能、稀特氣體業(yè)務(wù)，以現(xiàn)場管道供氣、液體零售、瓶裝氣等方式，供應(yīng)氧、氮、氬、氫等高品質(zhì)工業(yè)氣體產(chǎn)品，并提供基于氫氣及一氧化碳的合成氣清潔能源解決方案。
中國氫能有限公司是未來能源控股有限公司的全資控股子公司，致力于氫能研究與應(yīng)用，擁有氫能全產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)資源與技術(shù)。
今年7月，盈德氣體集團(tuán)與中國氫能有限公司簽署合作協(xié)議，就在鄂爾多斯市達(dá)拉特旗投資建設(shè)綠氫、綠氨項目達(dá)成合作。此次簽約項目以綠氫、綠電制取綠氮為主要原料，經(jīng)過低溫低壓制合成氨工藝，生產(chǎn)純度為99.9%的綠色合成氨，年產(chǎn)能包括0.93萬噸綠氫和5萬噸綠氨。
6、國家電投
6月22日，國家電投智慧能源（國核電力院）牽頭總承包的達(dá)茂旗風(fēng)光制氫與綠色靈活化工一體化項目開工。項目位于內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗，主要包括200兆瓦風(fēng)電、200兆瓦光伏，預(yù)計年發(fā)電量12.5億千瓦時；采用風(fēng)光電解制氫，年制氫1.78萬噸；再以氫氣和氮?dú)鉃樵虾铣梢喊碑a(chǎn)品，年產(chǎn)10萬噸。
7、國家能源集團(tuán)
國家能源集團(tuán)是由中國國電集團(tuán)公司和神華集團(tuán)有限責(zé)任公司聯(lián)合重組而成的中央骨干能源企業(yè)，擁有煤炭、電力、運(yùn)輸、化工等全產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)務(wù)，產(chǎn)業(yè)分布在全國31個省區(qū)市以及美國、加拿大等10多個國家和地區(qū)，是全球規(guī)模最大的煤炭生產(chǎn)公司、火力發(fā)電公司、風(fēng)力發(fā)電公司和煤制油煤化工公司。
今年5月，國家能源集團(tuán)旗下國華巴彥淖爾（烏拉特中旗）風(fēng)電有限公司烏拉特中旗甘其毛都口岸加工園區(qū)風(fēng)光氫氨一體化新型儲能示范項目獲備案。據(jù)了解，該項目總投資額達(dá)235400萬元，配套規(guī)劃新能源裝機(jī)容量110萬kW，其中風(fēng)電80萬kW，光伏30萬kW。該項目擬利用風(fēng)光發(fā)電分解水制取高品質(zhì)氫氣，再用于生產(chǎn)合成氨，預(yù)計年產(chǎn)綠氨約30萬噸，以供蒙西地區(qū)工業(yè)園區(qū)化工生產(chǎn)使用。
8、明拓集團(tuán)&華陸公司
4月7日，國際氫能冶金化工產(chǎn)業(yè)示范區(qū)新能源制氫聯(lián)產(chǎn)無碳燃料項目簽約儀式在內(nèi)蒙古包頭九原工業(yè)園區(qū)舉行。明拓集團(tuán)有限公司、華陸公司以及水木明拓（包頭）公司進(jìn)行此次合作。項目內(nèi)容圍繞以綠氫、空氣捕捉的氮為原料，建設(shè)中國首臺套氫電催化合成技術(shù)的120萬噸綠氨化工項目，推動形成綠色低碳化工產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)冶金化工產(chǎn)業(yè)的全面碳中和。
9、遠(yuǎn)景集團(tuán)
遠(yuǎn)景科技集團(tuán)是一家全球領(lǐng)先的綠色科技企業(yè)，由旗下智能風(fēng)電和儲能技術(shù)公司遠(yuǎn)景能源、動力電池企業(yè)遠(yuǎn)景動力、智能物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)遠(yuǎn)景智能三大主要業(yè)務(wù)板塊組成，共同構(gòu)建能源轉(zhuǎn)型整體解決方案，成為全球企業(yè)、政府與機(jī)構(gòu)的“零碳技術(shù)伙伴”。
今年3月28日，赤峰市人民政府與遠(yuǎn)景科技集團(tuán)舉行戰(zhàn)略合作協(xié)議簽約儀式，依據(jù)協(xié)議，遠(yuǎn)景科技集團(tuán)將在赤峰市建設(shè)風(fēng)光制綠氫綠氨一體化示范項目，總投資約為400億元，預(yù)計2028年前建成投產(chǎn)。其中，該項目規(guī)劃年產(chǎn)152萬噸零碳工業(yè)氣體產(chǎn)品，一期項目將于兩年內(nèi)投產(chǎn)，成為全球首個零碳?xì)浒表椖俊?/div>
同時，該項目建成后，將為赤峰經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)區(qū)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)提供零碳氨、氫、氧、氮等工業(yè)氣體產(chǎn)品，削減園區(qū)碳排放量，依托零碳工業(yè)氣體產(chǎn)品優(yōu)勢及先進(jìn)貯能型空分工藝，將元寶山化工園區(qū)打造成零碳化工園區(qū)。
