氫能具有綠色、高效、無碳排放和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)氫能的大規(guī)模應(yīng)用，需要解決氫氣儲(chǔ)運(yùn)難、安全性差等制約瓶頸。發(fā)展氨為儲(chǔ)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(guó)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-無碳高效氨氫利用”的全鏈條“氨-氫”綠色碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線，對(duì)保障國(guó)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。

 

中國(guó)工程院付賢智院士科研團(tuán)隊(duì)在中國(guó)工程院院刊《Engineering》2021年第12期發(fā)表《中國(guó)發(fā)展“氨-氫”能源路線實(shí)現(xiàn)碳中和的機(jī)遇與挑戰(zhàn)》，分析了我國(guó)氫能行業(yè)發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，總結(jié)了氨作為高效儲(chǔ)氫介質(zhì)具有的顯著優(yōu)勢(shì)，提出了發(fā)展“氨-氫”能源綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線的技術(shù)挑戰(zhàn)及建議。文章描繪了“氨-氫”能源“綠色碳”循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線未來的應(yīng)用場(chǎng)景，并從國(guó)家政策引導(dǎo)、研發(fā)平臺(tái)構(gòu)建、關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)三個(gè)方面提出了發(fā)展“氨-氫”能源綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線的對(duì)策建議。

 

 

氫能具有綠色、高效、無碳排放和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，發(fā)展氫能于2019年被首次寫入《政府工作報(bào)告》。2021年3月，習(xí)近平總書記代表中國(guó)承諾力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，“碳達(dá)峰、碳中和”也于2021年被首次寫入《政府工作報(bào)告》。利用氫能是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)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(shì)在必行。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)計(jì)，按照可持續(xù)發(fā)展路線，2040年全球“綠氫和藍(lán)氫”的需求將達(dá)7500萬噸。

 

然而，若要實(shí)現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用，其面臨的挑戰(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”。首先，氫氣因體積能量密度低需35~70 MPa的高壓儲(chǔ)運(yùn)，導(dǎo)致氫氣的儲(chǔ)運(yùn)成本高；其次，根據(jù)我國(guó)2019年發(fā)布的《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》預(yù)計(jì)，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(shè)成本估算，需投入高達(dá)1500億~3000億元，基建成本高；第三，2019年在挪威、韓國(guó)等國(guó)家20天內(nèi)連續(xù)發(fā)生的三起因氫氣儲(chǔ)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(diǎn)。因此，要突破氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，亟需結(jié)合中國(guó)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（NH3）是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的基礎(chǔ)的化工原料，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)具有顯著優(yōu)勢(shì)。

 

高能量密度：氨的體積能量密度達(dá)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(chǔ)運(yùn)成本低：氨只需加壓至1.0 MPa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)30 t（約含5.29 t氫），載氫量較長(zhǎng)管拖車運(yùn)氫（載氫量不到400 kg）提高1個(gè)數(shù)量級(jí)，因此運(yùn)氨成本（約0.001元·kg-1·km-1）也較運(yùn)氫成本（0.02~0.10元·kg-1·km-1）呈數(shù)量級(jí)降低。

 

無碳儲(chǔ)能：氨成熟的技術(shù)體系和標(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，且有研究表明，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，效率僅次于電制液氨。

 

安全性高：氨的火災(zāi)危險(xiǎn)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(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。

 

眾所周知，合成氨已有一百多年發(fā)展歷史，針對(duì)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。我國(guó)是可再生能源裝機(jī)容量最大的國(guó)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。據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2018年全年“三棄”電量高達(dá)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(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(zhǎng)距離存儲(chǔ)和運(yùn)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(chǔ)氫介質(zhì)具有顯著經(jīng)濟(jì)性，一是如果采用氨分解制氫現(xiàn)場(chǎng)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(shù)，實(shí)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(shè)成本預(yù)計(jì)可降低1個(gè)數(shù)量級(jí)。依照2050年中國(guó)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。

 

因此，發(fā)展氨為儲(chǔ)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(guó)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-無碳高效氨氫利用”的全鏈條“氨-氫”綠色碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線（圖1），對(duì)保障國(guó)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。

 

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

 

根據(jù)以上分析，氨作為理想的儲(chǔ)氫介質(zhì)有望解決氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的儲(chǔ)運(yùn)成本高、能量密度低和本質(zhì)安全性弱等挑戰(zhàn)性難題。國(guó)際上已陸續(xù)啟動(dòng)氨能源示范項(xiàng)目，例如美國(guó)能源部的REFUEL計(jì)劃、歐洲西門子公司及日本JGC公司針對(duì)“可再生能源-氨-電”的示范項(xiàng)目等。發(fā)展以氨作為清潔高效新能源，既實(shí)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(yīng)用前景。在德國(guó)H2Ber氫能示范項(xiàng)目的啟發(fā)下，圖2描繪了“氨-氫”能源“綠色碳”循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線未來的應(yīng)用場(chǎng)景。綠氨的生產(chǎn)和應(yīng)用成本主要受到可再生能源電價(jià)的影響。預(yù)計(jì)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(jìn)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(jì)路線。

   

為實(shí)現(xiàn)“氨-氫”能源循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線，仍需解決如下技術(shù)挑戰(zhàn)。

 

技術(shù)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(yīng)器技術(shù)；

 

技術(shù)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(dòng)態(tài)集配及管控技術(shù)；

 

技術(shù)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(shù)。

 

綜合上述挑戰(zhàn)及國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀，建議如下。

 

第一，在國(guó)家政策引導(dǎo)方面，政府牽頭制定“氨-氫”能源發(fā)展規(guī)劃，從國(guó)家層面完善相應(yīng)的法律法規(guī)，加強(qiáng)能源監(jiān)管制度建設(shè)，引導(dǎo)全國(guó)各地結(jié)合地方優(yōu)勢(shì)布局“氨-氫”能源示范項(xiàng)目，逐步優(yōu)化能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)；國(guó)家相關(guān)部門以氨為切入點(diǎn)之一推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，針對(duì)氨作為能源載體和燃料應(yīng)用，在設(shè)備規(guī)范、認(rèn)證認(rèn)可、安全要求等方面推出共性標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。

 

第二，在研發(fā)平臺(tái)構(gòu)建方面，整合優(yōu)化國(guó)內(nèi)相關(guān)優(yōu)勢(shì)技術(shù)力量，構(gòu)建國(guó)家級(jí)多學(xué)科交叉的“氨-氫”能源創(chuàng)新平臺(tái)，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(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)；同時(shí)，通過政府引導(dǎo)，政產(chǎn)學(xué)研融合，組建“氨-氫”綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。

 

第三，在關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)方面，重點(diǎn)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)模化放大的光解水反應(yīng)器及成套工藝，突破光催化分解水制氫技術(shù)；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(shí)現(xiàn)規(guī)模化制備，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(shù)，并開展溫和條件下合成氨催化材料及工藝技術(shù)的前沿性探索；開展安全低溫氨分解制氫催化劑的設(shè)計(jì)合成及其規(guī)模化制備，開發(fā)高效熱集成的自熱式氨分解制氫反應(yīng)器，集成高純度、高收率的氫提純技術(shù)形成氨現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫成套系統(tǒng)及工藝技術(shù)，集成燃料電池技術(shù)形成間接氨燃料電池成套系統(tǒng)及智控技術(shù)，并針對(duì)直接氨燃料電池開展氨氧化電極催化材料的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及工藝開發(fā)。爭(zhēng)取在2025年實(shí)現(xiàn)“可再生能源電解制氫-低溫低壓合成“氨-氨”現(xiàn)場(chǎng)制氫-間接氨燃料電池”革新性技術(shù)的應(yīng)用示范落地；推動(dòng)在2035年實(shí)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(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。最終形成具有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“清潔低壓合成氨-安全高效儲(chǔ)運(yùn)氨-無碳用氨”的綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線。