氫能具有綠色、高效、無碳排放和應用范圍廣等優(yōu)勢，實現(xiàn)氫能的大規(guī)模應用，需要解決氫氣儲運難、安全性差等制約瓶頸。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)特點的“清潔高效氨合成-安全低成本儲運氨-無碳高效氨氫利用”的全鏈條“氨-氫”綠色碳循環(huán)經(jīng)濟路線，對保障國家能源環(huán)保安全和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

 

中國工程院付賢智院士科研團隊在中國工程院院刊《Engineering》2021年第12期發(fā)表《中國發(fā)展“氨-氫”能源路線實現(xiàn)碳中和的機遇與挑戰(zhàn)》，分析了我國氫能行業(yè)發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn)，總結(jié)了氨作為高效儲氫介質(zhì)具有的顯著優(yōu)勢，提出了發(fā)展“氨-氫”能源綠色循環(huán)經(jīng)濟路線的技術挑戰(zhàn)及建議。文章描繪了“氨-氫”能源“綠色碳”循環(huán)經(jīng)濟路線未來的應用場景，并從國家政策引導、研發(fā)平臺構(gòu)建、關鍵技術開發(fā)三個方面提出了發(fā)展“氨-氫”能源綠色循環(huán)經(jīng)濟路線的對策建議。

 

 

氫能具有綠色、高效、無碳排放和應用范圍廣等優(yōu)勢，發(fā)展氫能于2019年被首次寫入《政府工作報告》。2021年3月，習近平總書記代表中國承諾力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和，“碳達峰、碳中和”也于2021年被首次寫入《政府工作報告》。利用氫能是實現(xiàn)碳達峰和碳中和的最可行途徑之一，因此，發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)勢在必行。據(jù)國際能源署預計，按照可持續(xù)發(fā)展路線，2040年全球“綠氫和藍氫”的需求將達7500萬噸。

 

然而，若要實現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模應用，其面臨的挑戰(zhàn)主要是低成本高效能的燃料電池技術和安全高效的氫氣儲運技術。其中氫氣儲運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，氫氣因體積能量密度低需35~70 MPa的高壓儲運，導致氫氣的儲運成本高；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1500萬~3000萬元的建設成本估算，需投入高達1500億~3000億元，基建成本高；第三，2019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。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，發(fā)展成熟、安全、高效的特色儲運氫的路線及其配套產(chǎn)業(yè)鏈。

 

 

氨（NH3）是關系國計民生的基礎的化工原料，廣泛用于化肥、環(huán)保、軍事、制冷等領域。同時，氨作為高效儲氫介質(zhì)具有顯著優(yōu)勢。

 

高能量密度：氨的體積能量密度達約13.6 MJ·L-1，1 L液氨 = 4.9 L高壓氫（35.0 MPa）= 1200 L常溫常壓氫。

 

液化儲運成本低：氨只需加壓至1.0 MPa即可以液態(tài)形式儲運，一輛液氨槽罐車載氨量可達30 t（約含5.29 t氫），載氫量較長管拖車運氫（載氫量不到400 kg）提高1個數(shù)量級，因此運氨成本（約0.001元·kg-1·km-1）也較運氫成本（0.02~0.10元·kg-1·km-1）呈數(shù)量級降低。

 

無碳儲能：氨成熟的技術體系和標準規(guī)范及低成本合成、存儲和運輸，可實現(xiàn)季節(jié)性、遠距離、“無碳化”的“氨-氫”儲能，且有研究表明，在目前主要研究的幾類電制液體燃料技術（液氫、液氨、液化天然氣、甲醇、有機液態(tài)儲氫）中，電制氨的成本最低，效率僅次于電制液氨。

 

安全性高：氨的火災危險性僅為乙類，具有較氫氣（4%~76%）更安全的爆炸極限（16%~25%），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)、儲運及使用已形成了完備的產(chǎn)業(yè)鏈、行業(yè)標準及安全規(guī)范。我國是可再生能源裝機容量最大的國家，但因光伏、風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，導致存在大量“棄風、棄光和棄水”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1.023×1011 kW·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，可實現(xiàn)可再生能源電力的“消納和調(diào)峰”，實現(xiàn)低成本、跨地域長距離存儲和運輸，并與豐富的氨下游產(chǎn)業(yè)相結(jié)合。例如，初步估算表明，利用氨作為儲氫介質(zhì)具有顯著經(jīng)濟性，一是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。二是若開發(fā)耦合“氨制氫-氫燃料電池”的間接氨燃料電池技術，實現(xiàn)用戶終端“氨變電”，發(fā)電成本約1元·(kW·h)-1或100 km車用燃料成本約25元，并使現(xiàn)有氫燃料電池系統(tǒng)的續(xù)航能力提升近1倍。三是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，加氨站的改建成本較加氫站的建設成本預計可降低1個數(shù)量級。依照2050年中國建成1萬座加氫站的目標，可節(jié)約近千億元的基礎設施建設投資。

 

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)特點的“清潔高效氨合成-安全低成本儲運氨-無碳高效氨氫利用”的全鏈條“氨-氫”綠色碳循環(huán)經(jīng)濟路線（圖1），對保障國家能源環(huán)保安全和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

 

                                                         圖1  “氨-氫”綠色能源循環(huán)經(jīng)濟路線。

 

根據(jù)以上分析，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，例如美國能源部的REFUEL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新能源，既實現(xiàn)傳統(tǒng)合成氨工業(yè)節(jié)能減排，又貫通可再生能源和新能源產(chǎn)業(yè)，具有巨大的應用前景。在德國H2Ber氫能示范項目的啟發(fā)下，圖2描繪了“氨-氫”能源“綠色碳”循環(huán)經(jīng)濟路線未來的應用場景。綠氨的生產(chǎn)和應用成本主要受到可再生能源電價的影響。預計到2035年，綠氨成本為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，綠氨成本可進一步降至800元·t-1，氨變電成本將至0.5元·(kW·h)-1以下。
 

                                             圖2  “氨-氫”能源“零碳”循環(huán)經(jīng)濟路線。

   

為實現(xiàn)“氨-氫”能源循環(huán)經(jīng)濟路線，仍需解決如下技術挑戰(zhàn)。

 

技術挑戰(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器技術；

 

技術挑戰(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)集配及管控技術；

 

技術挑戰(zhàn)三：安全低溫氨制氫系統(tǒng)和氨燃料電池系統(tǒng)的高效集成及智控技術。

 

綜合上述挑戰(zhàn)及國內(nèi)現(xiàn)狀，建議如下。

 

第一，在國家政策引導方面，政府牽頭制定“氨-氫”能源發(fā)展規(guī)劃，從國家層面完善相應的法律法規(guī)，加強能源監(jiān)管制度建設，引導全國各地結(jié)合地方優(yōu)勢布局“氨-氫”能源示范項目，逐步優(yōu)化能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)；國家相關部門以氨為切入點之一推進氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，針對氨作為能源載體和燃料應用，在設備規(guī)范、認證認可、安全要求等方面推出共性標準及規(guī)范。

 

第二，在研發(fā)平臺構(gòu)建方面，整合優(yōu)化國內(nèi)相關優(yōu)勢技術力量，構(gòu)建國家級多學科交叉的“氨-氫”能源創(chuàng)新平臺，統(tǒng)籌傳統(tǒng)合成氨工業(yè)、可再生能源及氫能產(chǎn)業(yè)等相關產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)；同時，通過政府引導，政產(chǎn)學研融合，組建“氨-氫”綠色循環(huán)經(jīng)濟路線的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。

 

第三，在關鍵技術開發(fā)方面，重點開發(fā)寬吸收光譜、高量子效率的光解水催化劑，創(chuàng)制高太陽能利用效率、可規(guī)?；糯蟮墓饨馑磻骷俺商坠に?，突破光催化分解水制氫技術；突破合成氨高溫高壓的限制，創(chuàng)制新型低溫低壓合成氨催化劑并實現(xiàn)規(guī)?；苽?，發(fā)展間歇性可再生能源電解水制氫與合成氨耦合的非線性系統(tǒng)集成管理及智能控制技術，并開展溫和條件下合成氨催化材料及工藝技術的前沿性探索；開展安全低溫氨分解制氫催化劑的設計合成及其規(guī)?；苽?，開發(fā)高效熱集成的自熱式氨分解制氫反應器，集成高純度、高收率的氫提純技術形成氨現(xiàn)場制氫加氫成套系統(tǒng)及工藝技術，集成燃料電池技術形成間接氨燃料電池成套系統(tǒng)及智控技術，并針對直接氨燃料電池開展氨氧化電極催化材料的創(chuàng)新設計及工藝開發(fā)。爭取在2025年實現(xiàn)“可再生能源電解制氫-低溫低壓合成“氨-氨”現(xiàn)場制氫-間接氨燃料電池”革新性技術的應用示范落地；推動在2035年實現(xiàn)“光解/電解水制氫-溫和條件下合成氨-直接氨燃料電池”顛覆性技術的創(chuàng)新發(fā)展。最終形成具有完整自主知識產(chǎn)權(quán)的“清潔低壓合成氨-安全高效儲運氨-無碳用氨”的綠色循環(huán)經(jīng)濟路線。