干貨：氫氨融合能源路線與碳中和的實(shí)現(xiàn)

      政策鼓勵(lì)、市場火熱，但叫好不叫賣卻是目前氫能市場的現(xiàn)狀。氫能汽車有數(shù)十年的研發(fā)歷史，近年來，氫能相關(guān)法規(guī)逐漸完善，按照預(yù)期將迎來氫能源汽車的大爆發(fā)。但實(shí)際上，氫能汽車評(píng)價(jià)體系涉及運(yùn)輸、存儲(chǔ)、車載、動(dòng)力、安全、成本等多方面，熱管理、載氫量、加氫標(biāo)準(zhǔn)等復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)鏈問題無一不影響市場開拓。

      日本政府2017年提出建設(shè)氫能社會(huì)，之后推出了氫燃料電池汽車、加氫站、還嘗試了利用氫能給居民住宅供應(yīng)暖氣和熱水。在工業(yè)領(lǐng)域，氫能熱值高，適用于有高溫?zé)嵝枨蟮墓I(yè)部門。但是，氫能源成本高昂，在汽車領(lǐng)域的推廣并不順利。2021年初，日產(chǎn)公司宣布暫停與德國戴姆勒公司及美國福特公司開發(fā)燃料電池車的合作計(jì)劃，將力量集中于發(fā)展鋰電池電動(dòng)車。6月，本田公司宣布停產(chǎn)旗下的氫能源車型，主要原因是成本過高導(dǎo)致銷量慘淡。豐田公司也從此前大力研發(fā)推廣氫能源車型，轉(zhuǎn)向鋰電池電動(dòng)車、氫能源電動(dòng)車共同發(fā)展。

     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(chǔ)運(yùn)技術(shù)。其中氫氣儲(chǔ)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35~70MPa的高壓儲(chǔ)運(yùn)，導(dǎo)致氫氣的儲(chǔ)運(yùn)成本高；其次，每座加氫站1500萬~3000萬元的建設(shè)成本高；再次，2019年在挪威、韓國等國家20天內(nèi)連續(xù)發(fā)生三起因氫氣儲(chǔ)罐泄露引起的爆炸事故，暴露了氫氣易燃易爆、安全性弱的缺點(diǎn)。

     氨（NH₃）是關(guān)系國計(jì)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(shí)，氨作為高效儲(chǔ)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，1L液氨=4.5L高壓氫（35.0MPa）=1200L常溫常壓氫。

     液化儲(chǔ)運(yùn)成本低。氨只需加壓至1.0MPa即可以液態(tài)形式儲(chǔ)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(gè)數(shù)量級(jí)，因此運(yùn)氨成本（約0.001元/kg·km）也較運(yùn)氫成本（0.02~0.10元/kg·km）呈數(shù)量級(jí)降低。

     無碳儲(chǔ)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(chǔ)和運(yùn)輸，可實(shí)現(xiàn)季節(jié)性、遠(yuǎn)距離、“無碳化”的“氨-氫”儲(chǔ)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(chǔ)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(xiǎn)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(bào)信號(hào)。

因此，發(fā)展以氨為儲(chǔ)氫介質(zhì)，有望解決傳統(tǒng)高壓儲(chǔ)運(yùn)氫的難題。

     氨能利用分為傳統(tǒng)行業(yè)和新能源行業(yè)兩種。氨能在化肥、軍工、環(huán)保、制冷等傳統(tǒng)行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，是關(guān)乎國計(jì)民生的基礎(chǔ)化工產(chǎn)業(yè)。近年來，在氨制氫、氨燃料電池、氨內(nèi)燃機(jī)/燃?xì)廨啓C(jī)等新能源領(lǐng)域，氨能利用迅速發(fā)展，用于實(shí)現(xiàn)氫能終端、氨能發(fā)電、氨能燃料等產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的無碳排放。

    2021年3月，日本成功實(shí)現(xiàn)了70%的液氨在2000千瓦級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中的穩(wěn)定燃燒，并能同時(shí)抑制氮氧化物產(chǎn)生。參與此課題的IHI公司表示，有信心在2025年之前實(shí)現(xiàn)氨燃?xì)廨啓C(jī)商業(yè)化。2021年10月啟動(dòng)的JERA公司氨能發(fā)電示范項(xiàng)目，就是IHI公司與JERA公司的合作。三菱重工公司則正開發(fā)4萬千瓦級(jí)的100%氨專燒燃?xì)廨啓C(jī)，計(jì)劃在2025年以后實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，引入發(fā)電站。

     韓國也在推動(dòng)液氨發(fā)電及氨氫混合發(fā)電技術(shù)聯(lián)合研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，一種“雙燃料綠色氨”發(fā)電模式正處于快速開發(fā)階段。中國國家能源研究院與皖能集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)的8.3MW純氨燃燒器，驗(yàn)證了火電摻氨燃燒發(fā)電項(xiàng)目的可行性。此外，氨動(dòng)力船舶技術(shù)也在飛速發(fā)展，韓國研發(fā)了以輕質(zhì)柴油與氨為雙燃料的8000t級(jí)氨動(dòng)力加注船，完成了以液化石油氣與氨為雙燃料的超大型液化氣運(yùn)輸船設(shè)計(jì)；日本住友商事與大島造船正在聯(lián)手打造全球首艘8×10⁴t級(jí)氨動(dòng)力散貨船；挪威正在推進(jìn)氨動(dòng)力船及海上氨燃料加注技術(shù)研發(fā)，建立氨燃料加注網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)氨能航運(yùn)的全產(chǎn)業(yè)鏈無碳化；上海船舶研究設(shè)計(jì)院自主研發(fā)設(shè)計(jì)的中國首艘氨動(dòng)力7000車位汽車運(yùn)輸船獲得挪威船級(jí)社頒發(fā)的原則性認(rèn)可證書。

     初步估算表明，利用氨作為儲(chǔ)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或乘用車燃料成本約為25元/100km，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(jì)加氨站的改建成本較加氫站的建設(shè)成本可降低1個(gè)數(shù)量級(jí)。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。

     合成氨已有一百多年發(fā)展歷史，氨的生產(chǎn)、儲(chǔ)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。合成氨包括灰氨、藍(lán)氨、綠氨3種合成工藝。灰氨合成工藝指由天然氣蒸汽重整氫氣及空氣分離的氮?dú)庠偻ㄟ^傳統(tǒng)哈伯法合成氨，該工藝已沿用上百年，但其高溫高壓條件造成巨大能耗，且伴隨大量CO₂溫室氣體排放。藍(lán)氨合成工藝與灰氨基本相似，但會(huì)對工藝流程進(jìn)行碳捕集與封存。綠氨合成工藝主要指全程以可再生能源為動(dòng)力開展的電解水制氫及空氣分離制氮再通過哈伯法制氨。

     按照我國每年5000萬噸的氨產(chǎn)量（其中80%來自煤制合成氨，20%來自天然氣合成氨）來計(jì)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(dòng)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”現(xiàn)象。2019年，我國棄風(fēng)、棄水、棄光電力合計(jì)約720億kWh，其中棄風(fēng)、棄光電量總和約為215億kWh；2020年，我國棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象主要集中在“三北”地區(qū)，其中甘肅棄風(fēng)率最高為13.8%，西藏棄光率最高為25.4%。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(chǔ)運(yùn)輸，并與豐富的氨下游產(chǎn)業(yè)相結(jié)合。

     因此，發(fā)展氨為儲(chǔ)氫介質(zhì)，通過液氨實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的氫氣運(yùn)輸，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(chǔ)運(yùn)氨→無碳高效"氫-氨"利用的全鏈條“氫-氨”綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線，對保障國家能源環(huán)保安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

     在氫氨融合技術(shù)路徑方面，國家已出臺(tái)相關(guān)鼓勵(lì)政策。2022年4月，科技部發(fā)布《國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料”等重點(diǎn)專項(xiàng)2022年度項(xiàng)目申報(bào)指南》，提出包括分布式氨分解制氫技術(shù)與灌裝母站集成、氨燃料電池到摻氨清潔高效燃燒等與氨有關(guān)的技術(shù)。《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》提出依托可再生能源制氫（氨）的氫（氨）儲(chǔ)能等試點(diǎn)示范，將探索風(fēng)光氫儲(chǔ)等源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)的儲(chǔ)能發(fā)展模式列入“十四五”新型儲(chǔ)能區(qū)域示范。