科普 | 氨-氢能源路线，在氢能交通领域具有哪些优势与劣势？
氢气(H2)来源广泛，具有高能量密度、高转化效率和清洁性的优点。随着社会和经济进步，在人们对环保、效率、低碳能源的需求推动下，氢能有望成为未来能源的重要构成，在低碳社会中发挥重要作用。根据国际氢能委员会预测，到2050年，氢能将减少CO2排放60亿吨，创造2.5万亿美元的市场价值，在全球能源中所占比重有望达到18%。
与传统石油燃料易运输、可规模储存的特点不同，目前氢储运技术尚未解决能效性、安全性等问题，而且广泛采用的高压气氢运输存在储氢密度低、压缩能耗高等问题，无法大规模远距离运输。目前正在研发的储氢方式有液氢、固态储氢、有机液体储氢和氨/甲醇储氢。
图 主要储氢载体的理化性质氨
作为全球大量生产的基础化工产品，也非常适合用于H2载体。氨具有易液化（-33℃）、体积能量密度大（液氨的体积能量比液氢高50%）、运输储存设施可与丙烷通用、制造成本低、本身可作为无碳燃料等优点。氨除了可以分解为氢气，也可以在大型燃气轮机中直接燃烧，燃烧高效且不产生CO2，是目前大型发电的研究热点方向之一。主要储氢载体的理化性质见上图所示。作为零碳燃料和氢能载体，氨在构建“氢能社会”方面有望发挥重要作用，国际社会对这一观点逐渐达成共识。氨既是氢能载体，也是零碳燃料，对实现“双碳”目标将具有重要意义。
氨作为氢载体，在氢能交通领域具有哪些
优势与劣势？
近年来，世界能源形势正在发生深刻变革，全球迎来以清洁化、低碳化为主要特征的新一轮能源转型。以氢能源和纯电动为主的新能源交通出现替代传统油气交通能源的势头，并正在向燃气发电、分布式供能、微电网、多能互补等方面快速渗透，带动能源生产、运输各环节的利用效率和环保的提升。在交通领域，氨燃料在航运业或将大有可为。目前，减少碳排放已成全球共识，世界各国对低碳航运的需求日益旺盛。交通领域应用与优势
将氨应用于燃料电池有两条路径
一是将氨催化裂化以产生用于燃料电池的氢气。
由于直接车载裂解需要提高车载系统的复杂度和集成度，抬高了成本，被认为不切实际，因此该路线未来可能主要用于加氢站，即加氢站通过氨在线裂解制氢，如下图所示。
图 氨作为氢载体在电-电转换体系中的能量消耗
从理想的燃料生产效率和实际运输方面分析，裂解过程需要>500°C的高温才能生产高纯度氢气（>99.97%，特别是用于汽车），这需要4.2GJ/吨氨（包括H2损失）能量输入。由于PEMFC极易受到微量氨的影响（<0.1×10-6），因此氨转化的氢气必须通过高效的纯化和分离系统进行精华提纯，这将额外消耗0.5GJ/吨氨。
因此，氨分解氢气的纯化过程不可避免地产生大量成本。同时，整个过程还可能导致1.7GJ/吨氨的总热损失。此外，氨分解后，还需要2.0~4.3GJ/吨氨的额外电能将氢气压缩，以重新填充燃料电池汽车(FCEV)700bar的储氢瓶。通说上述计算，氨的总转化效率为61.0%~68.5%。此外，裂化反应器与氢气压缩系统的集成可能会使燃料加注和填充过程复杂化。由于裂化系统的复杂性，以及在杂质存在下催化剂的性能和寿命，可能会进一步限制氨的应用。
图 不同路径下能量利用效率%
另一条途径是直接利用氨，不再需要中间过程将氨转化为氢气。
未来可以利用SOFC内部的高温将氨裂解。然而，SOFC的高运行温度（550~900°C）可能仅适用于无需频繁开关的连续固定应用。因此，SOFC可应用于重型载具，例如用于航空、航运、卡车运输等。此外，负责将氨催化分解为氢气的SOFC阳极材料在连续运行过程中应该具备稳定、耐用和耐高温特性，但目前阳极材料的退化仍然是SOFC商业化的主要障碍。最近，Minutillo等人提出了一种基于以氨为燃料的SOFC技术的新型工厂配置，用于在加氢站现场制氢时同步生产电力。进一步改进SOFC和氨分解技术对于实现这样的概念是必要的。氨内燃机虽然不需要从氨中还原氢气，但除了会产生NOx排放外，还可能导致诸如点火困难、火焰速度低、压缩率更高等其他问题。
氨燃料在航运业或将大有可为
在航运业，与汽车相比，船用动力机特别是远洋船舶，需要较大的功率输出。船用动力系统目前主要以燃油为主，会排放大量的二氧化碳是燃油燃料的致命缺憾，据报道：海运产生的二氧化碳排放量占全球二氧化碳排放量的3%至4%，不容忽视；虽然也有采用电力推动的船舶，但其电力来源还是主要来自于柴油发电机组。相比于其他燃料，氨燃料既能满足船舶大功率运输需求，又具有零碳排放的特性，适合作为船舶燃料，当前，氨燃料在船舶上的使用项目正在全球逐步展开。劣势
业内专家认为，尽管合成氨工业相对成熟，但要实现大规模氨氢转换，让“氨-氢”这一方式成为氢能产业的一环，目前仍需将氨分解制氢的大容量设备、纯化技术以及终端产品等产业链各环节进行集成。氨作为可行的氢储能材料确实具有巨大潜力，但与液氢相比，使用氨作为氢载体的运输体系在整体的电-燃料-电(PFP)效率方面没有明显优势。另外，裂解过程对大量能量的需求限制了其未来的应用。此外，净化和压缩后的氢气用于供应燃料电池汽车的财务和能源成本都很高，其中投入的电能和热能成本难以通过其他方面的收益回收。除了其技术挑战外，氨的毒性（OSHA暴露限值为50×10-6）、亲水性和腐蚀性也需要大量基础设施，以避免意外泄露和设备腐蚀。一般认为，氨可以作为固定发电的燃料，使用SOFC为偏远地区供电。但作为氢载体，虽然其能量密度高，但还原氢气需要大量的能量以裂解和压缩，限制了它的应用。从应对气候变化的角度看，采用以绿氢为原料来合成氨，替代传统以化石能源为原料的合成氨工艺，是比采用氨作为氢载体更为有效的方法。氨-氢能源路线市场现状
全球范围内，目前日本、阿联酋、澳大利亚等国已将“氨”纳入其政府能源战略之中，与之对比的是，目前国内氢能行业中，氨-氢储运这一方式应用相对较少。在业内人士看来，氨-氢这一模式尽管研究热度不减，但最终能否成为工业主流，仍需考虑各国不同的资源禀赋，并经过一定的实践和市场的检验
基于氨的低价和安全运输优势，原本将氢能作为“王牌”的日本政府，正在引入氨能，希望将发电厂和船舶的燃料替换成氨，凭借燃烧技术突破，以更低的成本实现碳中和。2021年10月，日本政府发布第六版能源战略计划，首次提出引入氨能，具体体现在：“到2030年，利用氢和氨所生产出的电能将占日本能源消耗的1%。”
此外，在韩国产业通商资源部2021年12月7日主持召开的第二次氢气和氨气发电推进会议上，韩政府宣布将2022年作为氢气氨气发电元年，并制定发展计划和路线图，力求打造全球第一大氢气和氨气发电国。会议宣布，政府2022年共将投入400亿韩元用于有关设备基础设施建设，并于2023年前制定“氢气和氨气发电指南”，推广有关技术在LNG发电站使用。
2021年9月23日，由合肥综合性国家科学中心能源研究院（安徽省能源实验室）与安徽省能源集团有限公司联合共建的“安徽能源协同创新中心”，在皖能铜陵发电公司揭牌成立，氨能利用发电项目同步启动
12月10日，福州大学、北京三聚环保新材料股份有限公司、紫金矿业集团股份有限公司在福州举行绿色能源重大产业项目战略合作签约，成立合资公司，创建国内首家“氨-氢能源重大产业创新平台”，围绕“氨-氢”绿色能源重大技术开展深度合作，加快推动科技成果转化。福州大学江莉龙研发团队率先实现了新型的低温“氨分解制氢”催化剂的产业化，探索了以氨为氢能载体的颠覆传统高压储氢方式，为发展“氨-氢”绿色能源产业奠定了坚实的基础
12月13日，国家能源集团召开氨能在煤炭运输产业技术研讨会，会议总结了国家能源集团当前氢能氨能发展情况，要求充分认识氢能、氨能在能源绿色低碳转型过程中的重要战略作用，做好应用场景开发和技术研发布局。
12月27日，由佛山仙湖实验室、佛山欧神诺陶瓷有限公司和佛山市德力泰科技有限公司联合发起成立的先进零碳燃烧技术联合创新研发中心在仙湖实验室成立。该中心瞄准窑炉零碳燃烧颠覆性关键技术，旨在打造国内首家开展氢氨高温窑炉零碳燃烧技术研发的绿色能源产业创新平台。
2022年1月4日，宁夏工信厅同意由宁夏电投太阳山能源有限公司牵头，联合宁夏庆华煤化集团有限公司、宁夏和宁化学有限公司、北京汉氢科技有限公司、厦门大学、银川能源学院、宁夏氨氢研究院等区内外氨氢产业企业、院校、科研院所，共同组建宁夏氨氢产业联盟。
2月13日，由福大紫金开发的3千瓦级氨-氢燃料电池发电站正式交付中国铁塔龙岩分公司。
此前，吉电股份董事长才延福就加快推动“风光制氢合成氨一体化项目”建设，提出四点要求：
◾与地方政府紧密合作，积极协调落实新能源指标事宜，根据电源结构形式，搭建灵活、稳定的电源结构；
◾积极推广自主研发设备，加大PEM制氢技术应用，充分发挥PEM制氢灵活性特点，促进氢、氨生产耦合联动；
◾着手引进专业化工运营团队，弥补跨专业管理短板；
◾保持开放、互利的合作态度，积极接洽意向投资方，实现合作共赢。
氢能源零碳循环的万亿蓝海已经打开，必将催生出一批领头羊。在“氨-氢”的技术迭代下，加快发展集绿氨产业、氢能产业及可再生能源产业于一体的“零碳循环”的万亿级产业链，对保障国家能源安全和社会经济可持续发展具有重要意义。
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