導(dǎo)讀：在碳達(dá)峰、碳中和的世紀(jì)熱潮中，世界各國都在積極尋找下一代能源技術(shù)，氨能高效利用正在成為近期全球關(guān)注的焦點(diǎn)。氨從最傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)化肥領(lǐng)域向能源領(lǐng)域拓展，目前在全球取得了哪些進(jìn)展？還將面臨哪些障礙？在“雙碳”目標(biāo)下能否成為2022年的新風(fēng)口？
在2021年10月舉行的2021中國汽車工程學(xué)會年會上，中國汽車工程學(xué)會理事長、中國工程院院士、清華大學(xué)教授李駿發(fā)表了題為《Autonomy 2.0與Ammonia=Hydrogen2.0》的主旨報(bào)告，提出全球已進(jìn)入“氨=氫2.0”時代，氫能產(chǎn)業(yè)要準(zhǔn)備向氨能方向發(fā)展。
日本在2021年10月發(fā)布的第六版能源戰(zhàn)略計(jì)劃中，首次引入氨能概念，提出到2030年，利用氫和氨所生產(chǎn)出的電能將占日本能源消耗的1%。這是對2018年發(fā)布的第五版能源戰(zhàn)略計(jì)劃的重要修訂。
韓國在2021年11月公布了氨能和氫能的高溫燃燒計(jì)劃，宣布成立了一個氫氨發(fā)電示范促進(jìn)領(lǐng)導(dǎo)小組，目標(biāo)就是推動氫、氨與天然氣、煤混合燃燒發(fā)電。2021年12月7日，韓國進(jìn)一步宣布將2022年作為氫氨發(fā)電元年，力求打造氫氣和氨氣發(fā)電全球第一大國。
澳大利亞工程院院士程一兵在2021年年底的一次氫能會議上介紹，澳大利亞目前在積極布局向日本和韓國提供氨燃料，因?yàn)榘拇罄麃喌年柟夥浅３渥悖麄儗⒗霉夥?a href='http://www.mgsoxford.com/kw-24.html' target='_blank'>制氫制氨，再把氨能通過海運(yùn)方式運(yùn)輸送到日本和韓國。
值得關(guān)注的是，在2021年年底，中國首家“氨-氫”綠色能源產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺已在福建成立，并致力于成立高新企業(yè)，發(fā)展集綠氨產(chǎn)業(yè)、氫能產(chǎn)業(yè)和可再生能源產(chǎn)業(yè)于一體的萬億元級產(chǎn)業(yè)鏈。2022年1月4日，寧夏回族自治區(qū)工業(yè)和信息化廳批準(zhǔn)成立“寧夏氨氫產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”。聯(lián)盟由多家氨氫產(chǎn)業(yè)企業(yè)、高校和科研機(jī)構(gòu)共同組建。
從技術(shù)角度，氨能是一種以氨為基礎(chǔ)的新能源，既可以與氫能融合，解決氫能發(fā)展的重大瓶頸問題，也可以作為直接或者間接的無碳燃料直接應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)高溫零碳燃料的重要技術(shù)路線。
氨從最傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)化肥領(lǐng)域向能源領(lǐng)域拓展，目前在全球取得了哪些進(jìn)展？還將面臨哪些障礙？在“雙碳”目標(biāo)下能否成為2022年的新風(fēng)口？
1、兩大難題待解
人類對氨的認(rèn)識已超過200年，其分子式1784年被正式確定下來。氨的分解與合成，起始于19世紀(jì)中期。20世紀(jì)中期之后，氨能作為交通燃料應(yīng)用的探索多種多樣。從1960年代開始，氨燃料從軍用轉(zhuǎn)向民用。
比利時研究人員首先將氨作為燃料用于驅(qū)動汽車。美國航天局利用氨作為動力燃料開發(fā)研制了X-15型試驗(yàn)飛機(jī)。俄羅斯發(fā)動機(jī)制造商Energomash公司研制出以氨-乙炔混合物為燃料的新型發(fā)動機(jī)。瑞典ASEA公司設(shè)計(jì)了功率為200千瓦的液氨-液氧燃料電池用于驅(qū)動潛水艇。
從燃料特質(zhì)來看，氨是氫之外最容易獲取的可再生燃料。氨可由水中的氫和空氣中的氮合成，并在氨燃料電池反應(yīng)時或在氨內(nèi)燃機(jī)中燃燒時還原為水和空氣。
氨的空燃比（空氣和燃料的混合比例）較低，在同樣的空氣進(jìn)量下能提供更多的能量，因此可以作為高功率燃料。氨燃燒的熱損失遠(yuǎn)低于汽油和氫氣，意味著高溫氮?dú)鈳ё叩臒崃繐p失也大大減少。氨燃燒后尾氣排放總量最少，也沒有二氧化碳的排放。
與氫能相比，氨能在儲存和運(yùn)輸上具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。氫是元素周期表上最輕的元素，很容易泄漏，對儲存容器要求高，并且氫氣非常活潑，與空氣混合后容易發(fā)生燃燒和爆炸。如果遠(yuǎn)距離運(yùn)輸氫，需要將其液化，在常壓狀態(tài)下，需要將其溫度降低到零下235攝氏度以下，能耗較高。如果以管道運(yùn)輸，則需要克服純氫以及摻氫的氣體給管道帶來的安全隱患，攻克氫氣管道的材料難題。
正是因?yàn)闅涞膬Υ婧瓦\(yùn)輸成本太高，氨開始受到更多的關(guān)注。氨由一個氮原子和三個氫原子組成，是天然的儲氫介質(zhì)；常壓狀態(tài)下，溫度降低到零下33攝氏度就能夠液化，便于安全運(yùn)輸。目前全球八成以上的氨用于生產(chǎn)化肥，因此氨有完備的貿(mào)易和運(yùn)輸體系。所以，從理論上來看，可以用可再生能源生產(chǎn)氫，再將氫轉(zhuǎn)換為氨，運(yùn)輸?shù)侥康牡亍?
盡管氨能具備上述多種優(yōu)點(diǎn)，但仍然有兩大技術(shù)難題未能解決。
其一，不能穩(wěn)定燃燒。氨氣的燃點(diǎn)為651攝氏度，需要較高溫度才能燃燒，難以穩(wěn)定持續(xù)的燃燒會產(chǎn)生不完全燃燒的副反應(yīng)——產(chǎn)生有毒有害氣體一氧化氮和二氧化氮。
其二，如何獲取“綠氨”。氨氣主要是氫氣和氮?dú)庠诟邷馗邏合掳l(fā)生催化反應(yīng)而成，目前全球主流的制取方法是20世紀(jì)初德國化學(xué)家弗里茨·哈伯和卡爾·博世等人提出的哈伯-博世工藝，這一方法本身以化石燃料為氫源和熱源，會造成大量的二氧化碳排放。
2、日韓技術(shù)領(lǐng)先
對于上述兩大難題，全球的科學(xué)家和產(chǎn)業(yè)界都在重注投入攻關(guān)。
針對充分燃燒問題，日韓兩國在研發(fā)上遙遙領(lǐng)先。據(jù)程一兵介紹，三菱重工目前開發(fā)的4萬千瓦100%純氨燃料發(fā)電機(jī)，已經(jīng)能將氮氧化物控制在100ppm（百萬分之一）甚至10ppm以下，預(yù)計(jì)2025可以實(shí)現(xiàn)商用。日本大阪大學(xué)教授赤松史光正在牽頭研究，用氨作為燃料燃燒開發(fā)10～100千瓦的燃燒爐，已經(jīng)達(dá)成工業(yè)級規(guī)模。
2021年3月4日，韓國船級社授予韓國船舶技術(shù)株式會社研發(fā)的“8000噸級氨燃料動力加注船”原則性認(rèn)可證書，使其成為韓國第一艘以船用輕質(zhì)柴油（MGO）和氨為雙燃料的8000噸級氨燃料加注船。
2021年12月27日，住友商事宣布與大島造船發(fā)起共同項(xiàng)目，設(shè)計(jì)開發(fā)世界領(lǐng)先的氨動力散貨船。預(yù)計(jì)在2025年完工后，這艘散貨船將由住友商事?lián)碛胁⑦\(yùn)營，助力干散貨航運(yùn)客戶減少供應(yīng)鏈排放。
針對綠氨問題，科學(xué)家正在探索更多的綠色制氨方案。例如固氮酶合成氨、光催化合成氨、電催化合成氨、等離子體法合成氨、循環(huán)工藝法合成氨以及超臨界合成氨等。其中固氮酶合成氨、光催化合成氨及電催化合成氨的關(guān)注度較高。
對此，蘇州大學(xué)能源學(xué)院院長晏成林認(rèn)為，固氮酶合成氨工藝具有電子效率高、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，但反應(yīng)速度慢限制了氨產(chǎn)率的提高，此外還面臨催化劑的穩(wěn)定性和回收利用難題；光催化合成氨具有傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料成本低廉、易于制備且光穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但容易受到太陽能不確定性和效率低的限制。
電催化合成氨在常溫常壓的溫和條件下即可實(shí)現(xiàn)綠色、零排放合成氨，但氮?dú)夥€(wěn)定的化學(xué)鍵、較高的第一電離能及其在水中較低的溶解度，都對電催化合成氨反應(yīng)造成了極大的障礙。
3、應(yīng)用剛剛起步
氨能作為一種清潔能源，雖然未來應(yīng)用場景多種多樣，但目前主要包括儲氫、發(fā)電和傳船舶燃料等領(lǐng)域。
目前，澳大利亞利用自身光伏和天然氣資源豐富的優(yōu)勢，將電解水制取的“綠氫”和天然氣制取的“藍(lán)氫”液化成氨，運(yùn)輸?shù)饺毡尽㈨n國等主要需求地。
據(jù)報(bào)道，由沙特阿拉伯的未來城市NEOM、沙特國際電力和水務(wù)公司、空氣產(chǎn)品公司三方組成的 “NEOM綠氫公司”正在考慮將綠氫合成零碳排放的綠氨，并專由空氣產(chǎn)品公司出口至全球市場。目前項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)和采購工作已正式啟動，預(yù)計(jì)工廠將于2026年投產(chǎn)。
在發(fā)電燃料上，日本制定了積極的目標(biāo)。根據(jù)第六版能源戰(zhàn)略計(jì)劃，日本提出了積極的目標(biāo)，到2030年將氫和氨用作燃料，與天然氣或煤粉等混燒發(fā)電，占日本發(fā)電量的1%。具體來說，日本計(jì)劃首先采用混燒技術(shù)，比如30%的氫加70%的天然氣，或者20%的氨加80%的煤粉，之后逐步提升氨和氫的混燒比例，計(jì)劃到2050年實(shí)現(xiàn)100%的氨、氫燃燒發(fā)電。
2021年12月26日，國家能源集團(tuán)總經(jīng)理、中國氫能聯(lián)盟理事長劉國躍提出，要推進(jìn)燃煤機(jī)組摻燒液氨，探索綜合減污降碳技術(shù)。目前，國家能源集團(tuán)正在積極推進(jìn)燃煤電廠摻氨燃燒技術(shù)研發(fā)和示范，謀劃綠氫合成綠氨技術(shù)示范。
廈門大學(xué)能源學(xué)院教授王兆林在2021年年底透露，其在山東布局的氨燃料發(fā)動機(jī)已經(jīng)具備量產(chǎn)能力，2022年氨氫能源將會有大的發(fā)展。
據(jù)了解，程一兵所在的仙湖實(shí)驗(yàn)室正在加快建立氫氨融合燃燒實(shí)驗(yàn)室，建立一流的研發(fā)隊(duì)伍，研究零碳內(nèi)燃機(jī)和高溫工業(yè)爐穩(wěn)定燃燒技術(shù)。
在船舶領(lǐng)域，2021年10月28 日，國際可再生能源署(IRENA)發(fā)布報(bào)告稱，氨在海運(yùn)領(lǐng)域?qū)⒊蔀榍鍧嵢剂系闹髁姟?
令人關(guān)注的是，挪威化肥巨頭雅苒國際出資建造的全球第一艘用氨能驅(qū)動的貨船雅苒·伯克蘭號，已于2021年11月22日下水首航。
資料顯示，我國是全球氨生產(chǎn)大國，全世界每年生產(chǎn)合成氨2億噸左右，我國的產(chǎn)能大約占到全球的四分之一。
“在電解水制氫的基礎(chǔ)上，我們要研究二代的綠氨合成技術(shù)，車載的氫氨分離器技術(shù)，并研制氫氨融合的內(nèi)燃機(jī)，用于大功率的卡車和輪船。同時我們還要開發(fā)零碳的氫和氨的燃燒技術(shù)，幫助硅酸鹽行業(yè)、發(fā)電行業(yè)首先實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和。”程一兵強(qiáng)調(diào)。
來源： 能源評論 首席能源觀 袁素
