异军突起？“氨-氢”能源是什么？能否成为“双碳”目标下氢能源应用的新风口？

 

 

图源天眼查

 

2021年12月10日，紫金矿业与福州大学、北京三聚环保公司在福州大学举行绿色能源重大产业战略合作项目签约仪式。根据协议，三方将本着合作共赢的理念，聚焦我国发展氢能产业存在的“卡脖子”难题。此次合作的技术攻关主要依托福州大学化肥催化剂国家工程研究中心，团队坚持从事氨的高效合成及高值化利用研究，开发出世界首套安全高效低能耗合成氨成套技术，实现在年产20万吨合成氨装置上工业应用，打破了国外近30年的技术垄断，创制出新型低温催化剂，突破了“氨-氢”能源循环的关键技术瓶颈，为发展“氨-氢”特色能源产业奠定了坚实基础。

 

“双碳”达标目前是推动能源技术革命的最大驱动力。氢能是实现“双碳”达标的重要技术途径，它的来源丰富，可以利用光伏、风电通过电解水制氢。氢既可以通过燃料电池来发电，也是一种高温燃料，所以它是具有高热值、高能量转化性、无毒性的、可再生、可持续的理想清洁能源。

 

当前，氢能面临着成本和储运等诸多难题，有不少研究人员开始考虑应用氨能源来解决上述问题的办法。2月18日，院士程一兵在谈国际上氢氨融合颠覆性产业化技术发展就提道：“氨作为一种新能源进行研究，主要是基于两个考量：一是作为储氢介质，同时它还是一个零碳燃料。”

 

 

氨能源是一种以氨为基础的新能源，旨在用无碳化合物代替化石燃料来减少排放，是一种清洁能源。氨的特点在于其可完全由可再生能源（如水、电、空气）生产，在内燃机燃烧的氨，没有硫氧化物、二氧化碳、颗粒物的排放， 氮氧化物也能通过广泛应用于柴油发动机尾气处理的SCR系统减排或移除。可以说氨是一种低碳、无污染、环境友好型能源。不仅如此，价格相对低廉，低空燃比，安全性高也是氨的特点。

 

 

第一，氨新能源可以作为氢能载体。众所周知，1个氨含有3个氢和1个氮，它很容易液化，只要-33℃就可以液化，或者在常温下10个大气压就可液化；氨的点火温度比氢高很多，相对氢气要更安全，方便运载。同时氨的裂解也是非常成熟的技术，加温后变成氮气和氢气。

 

第二，氨能源可以作为作为零碳燃料。氨本身是一种零碳化合物，同时它的能量密度很高，是液氢的1.5倍，它和氧的燃烧反应产物是水和氮气。氢和氮的获得成本低，可以说，氨是除氢以外最宜生产的可再生燃料。另外，氨在消除内燃机氧化氮类（NOx）“光雾气体”的排放中所起的关键作用，也是难以替代的。

 

不过，氨能源也不是一点挑战都没有，氨不容易燃烧，这对安全储运是一个优点，但是，氨的热值比其他的天然气、氢都要低，点火比较困难，燃烧速度远远低于氢，因此氨不太容易点燃和实现稳定燃烧，对于氨燃料来说，如何让它稳定地烧起来就是一个技术挑战。

 

近日，上海长三角氢能科技研究院张焰峰院长在“双碳背景下的氢能产业”主题演讲中提出，未来可再生能源的发展趋势将超过化石化工能源，大力发展清洁能源是降低能源领域碳排放的首要和关键途径，在各种清洁能源中，氢能具有清洁、低碳、高热值、高转化率以及来源广、转换灵活等等优势，且相较于生物质、CCUS等技术路径，它的开发潜力更大、技术迭代更强、产业更加完善，预计将成为本世纪最具前景的二次能源。而说到氢气，富含氢的原材料也不能忽视，目前，比较热的有甲醇、也有氨。

 

据介绍，目前谈论发展氢能经济都认为氢能的储存和运输是一个瓶颈，氨的能量密度分别是压缩氢的3倍和液化氢的1.5倍，且氨的合成、储存和运输是一个成熟的行业。所以，氨可以成为氢能首选的运输载体，可以应用在船舶、锅炉上，还可以利用燃料电池发电。

 

根据预测，到2025年全球氨市场的规模高达1250亿美元，日本、澳大利亚、荷兰、沙特和英国都制定了使用绿氨来储存或出口的国家计划，这样也能够有效的减少氨生产行业的碳排放。在未来，氢-氨经济会是氢经济里边非常热的一个细分领域。

 

 

目前氨能在全球的发展当中，其他国家、企业已有布局。

 

2020年7月，沙特NEOM与Air Products、ACWA Power签署协议表示将建设价值50亿美金的氢制氨工厂。该项目计划于2025年投入使用，Air Products将作为绿色氨的独家来源。该项目将整合来自太阳能、风能和存储的超过4GW的可再生能源；thyssenkrupp技术电解生产650t /天的氢气；利用Air Products的技术进行空气分离生产氮气以及使用Haldor Topsoe技术每年生产120万吨的绿色氨。

 

2020年12月，丹麦宣布将建造全球首个商业规模绿色氨工厂，计划于2022年投产，每年将从可再生能源中生产5000吨以上的绿色氨，用于农业和工业应用。

 

2021年10月，日本政府公布了第六版能源战略计划，第一次把氢能和氨能的燃烧纳入国家能源战略计划中，第一次明确提出优先推广氢、氨混烧的发电技术。提出到2030年利用氢能和氨能产出的电能站日本能源消耗的1%。

 

2021年10月，国际可再生能源署（IRENA）发布报告称，氨在海运领域将成为清洁燃料的主力军。

 

2021年11月，韩国政府的工商能源部公布了氨能和氢能的高温燃烧计划。他们成立了一个氢氨发电示范促进领导小组，目标就是推动氢、氨与天然气、煤混合燃烧发电，并且宣布将2022年作为氢气氨气发电元年，力求打造全球第一大氢气和氨气发电国。

 

目前，澳大利亚利用自身光伏和天然气资源丰富的优势，将电解水制取的“绿氢”和天然气制取的“蓝氢”液化成氨，运输到日本、韩国等主要需求地。

 

 

而国内，当前也已有地方政府、科研单位以及企业已经开展了氢氨方面的规划布局。

 

2021年12月10日上午，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四川成都就绿色能源重大产业项目战略合作签约，三方将成立合资公司，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。

 

2021年12月15日，吉林电力股份有限公司召开大安化工园区千万千瓦新能源制氢基地专题推进会，提出将以“风光制氢合成氨一体化项目”为抓手，建设大安化工园区千万千瓦新能源制氢基地。吉电股份表示为加快推动“风光制氢合成氨一体化项目”建设，需要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；同时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；

 

2022年1月4日，宁夏回族自治区工业和信息化厅发布关于同意成立“宁夏氨氢产业联盟”的批复。

 

2022年2月3日，佛山仙湖实验室院士新春座谈会上，澳大利亚工程院院士、仙湖实验室战略科学家程一兵围绕氨氢融合新能源颠覆性技术创新发言指出：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，他认为开发储氨—氨裂解纯化制氢—加氢的“一站式”加氢站新模式具有很好的应用前景。

 

2022年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。该发电站以氨为燃料的清洁无碳发电成套装置，采用自主研发的新型低温高效氨分解催化剂在线制氢，产生的氢氮混合气直接供给氢燃料电池，实现氢的即产即用和安全高效发电，解决了氢气的储存运输难题，具有零碳排放、高效率、高安全性、无噪音、在线检测、智能控制、多能联供等综合优势。

 

当前，针对绿氨问题，科学家正在探索更多的绿色制氨方案。例如固氮酶合成氨、光催化合成氨、电催化合成氨、等离子体法合成氨、循环工艺法合成氨以及超临界合成氨等。其中固氮酶合成氨、光催化合成氨及电催化合成氨的关注度较高。

 

氨能作为一种清洁能源，未来会具有多种多样的应用场景，而“氨-氢”能源是支撑氢能产业发展的重要载体，是新时代能源转型升级的重要途径，对我国实现“碳达峰和碳中和”目标具有重要意义。