付賢智院士長期從事光催化領(lǐng)域的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。他在《Engineering》雜志發(fā)表的一篇文章探討了氫氨結(jié)合路徑對氫能源發(fā)展的巨大扶持作用：發(fā)展以氨為儲(chǔ)氫介質(zhì)，不僅有望解決傳統(tǒng)高壓儲(chǔ)運(yùn)氫的難題，還將貫通可再生能源、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“氫-氨”綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線，這對保障國家能源環(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。
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”。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(chǔ)運(yùn)氫的路線及其配套產(chǎn)業(yè)鏈。
氨產(chǎn)業(yè)爆發(fā)式發(fā)展
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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。
氫氨融合發(fā)展的可行性
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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?；野焙铣晒に囍赣商烊粴庹羝卣麣錃饧翱諝夥蛛x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。
風(fēng)光氫氨一體化實(shí)踐
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可再生能源耦合轉(zhuǎn)換成“綠氨”能源系統(tǒng)由水力發(fā)電系統(tǒng)或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)或太陽能發(fā)電系統(tǒng)、電解水制氫裝置、氫能儲(chǔ)存、變壓吸附空分氮裝置、合成氨系統(tǒng)和氨裂解制氫組成，這個(gè)過程核心是可再生能源耦合發(fā)電制氫技術(shù)。
眾多研究表明，在發(fā)電機(jī)組容量相同時(shí)，風(fēng)、光或水互補(bǔ)發(fā)電制氫儲(chǔ)能系統(tǒng)相較于單一可再生能源可以獲得比較穩(wěn)定的輸出，系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)可大大減少儲(chǔ)能蓄電池的容量，很少或基本不用啟動(dòng)備用電源如柴油發(fā)電機(jī)組等，可獲得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，符合脫碳減排理念。
高陽等，2022年在《浙江沿海地區(qū)可再生能源制氫的成本研究》中，分析了可再生能源制氫方案中風(fēng)電、光伏與制氫設(shè)備的配置方案并測算了制氫成本，成本分別為34.18～36.56元/kg和41.07～42.82 元/kg，并且還分析了光伏結(jié)合谷電制氫的可能性，計(jì)算得出制氫成本約為25.56～26.95元/kg，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。
李志軍等，2022年在《可再生能源轉(zhuǎn)化為氨氫能源體系技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性分析》中，以四川省涼山州可再生能源電解水制氫、空分制氮為原料生產(chǎn)30萬t/a合成氨裝置為例，裝置總投資134935萬元，按液氨生產(chǎn)消耗定額和消耗品的市場價(jià)，其中電價(jià)按四川上網(wǎng)價(jià)0.18元/kWh計(jì)，計(jì)算“綠氨”單位生產(chǎn)成本為1672元/t，具有很高利潤空間。
影響合成氨生產(chǎn)成本主要因素是電價(jià)。當(dāng)電價(jià)為0.3元/kWh時(shí)，“綠氨”生產(chǎn)成本是2829元/t，加上運(yùn)輸成本（每噸約270元），剛好與液氨市場價(jià)3100 元/t持平。如采用可再生能源的“四棄”，電價(jià)為0.1元/kWh時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)到近2000元/t的利潤。
當(dāng)采用“可再生能源制“綠氨”+氨運(yùn)輸體系+分布式氨裂解制氫”時(shí)，終端用氫成本優(yōu)勢巨大。當(dāng)采用可再生能源電價(jià)為0.1元/kWh，每噸“綠氨”成本為900.55元，考慮運(yùn)輸成本（每噸約270元），終端用每噸液氨成本是1170.55元，采用分布式氨裂解制氫每公斤成本為18.13元，每公斤氫氣利潤約50%，有16元利潤空間，經(jīng)濟(jì)效益很明顯。
通過“綠氨”運(yùn)輸體系，建立可再生能源合成氨氫系統(tǒng)。以清潔且資源量豐富的可再生能源為動(dòng)力進(jìn)行氨的合成，通過氨的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，采用分布式供氫或點(diǎn)供，能解決氫能社會(huì)的氫能源供應(yīng)體系，真正建立可再生能源儲(chǔ)存體系。因此，建立可再生能源-氨氫體系，能降低化工和能源板塊的化石能源消費(fèi)的比重，助力實(shí)現(xiàn)我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，符合我國綠色低碳的能源發(fā)展方向。
來源：《engineering》雜志
