3月15日，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)交叉科學(xué)部擬設(shè)立“重型車輛氨氫融合零碳動(dòng)力系統(tǒng)基礎(chǔ)研究”專項(xiàng)項(xiàng)目，項(xiàng)目旨在解決車用氨燃料點(diǎn)火難、燃燒慢及動(dòng)態(tài)控制復(fù)雜等問(wèn)題，為重型運(yùn)載車輛氨氫融合燃料復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)零碳排放技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

氨能，離我們?cè)絹?lái)越近了。

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氨的優(yōu)勢(shì)

相比于氫，氨的優(yōu)勢(shì)明顯。

首先，氨（NH3）相對(duì)氫來(lái)說(shuō)更容易運(yùn)輸和儲(chǔ)存。氨比氫更不易燃，因此在這方面氨是一種更安全的燃料。此外，NH3的沸點(diǎn)為33．36℃，H2的沸點(diǎn)為－252．9℃，NH3更容易液化，所以氨儲(chǔ)存和運(yùn)輸所需的能量更少。最重要的是，氨具有特殊的氣味，為其潛在的致命泄露提供了早期預(yù)警，這是純氫沒(méi)有的特征。

第二，液氨是一種比液氫本身更有效且能量密度更高的氫載體。NH3是一個(gè)氮原子和三個(gè)氫原子結(jié)合在一起，與H2相比，一升液氨中的氫比一升液氫中的氫含量高，在相同體積的儲(chǔ)存容器中可以輸送更多的能量。

第三，NH3是世界上最重要的化學(xué)商品之一，也是生產(chǎn)最廣泛的化學(xué)品之一。其包括裝卸在內(nèi)的運(yùn)輸法規(guī)和運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)在全世界得到了廣泛的布置。一般情況下，氨運(yùn)輸和儲(chǔ)存在中等壓力的儲(chǔ)罐中，這意味著它可以快速應(yīng)用到能源系統(tǒng)中需要它的特定部分。另外，氨有管道、鐵路、駁船、船舶、公路拖車和倉(cāng)庫(kù)等多種運(yùn)輸方式和手段。因此，若擴(kuò)大NH3的生產(chǎn)和分銷，并不需要在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上大量投資。

目前氫能的利用和商業(yè)化進(jìn)程緩慢，運(yùn)輸氫氣既困難又昂貴，但一個(gè)廣泛的氨輸送系統(tǒng)已經(jīng)存在，與氨氣相關(guān)的設(shè)施成本比氫氣低。如果用綠氫生產(chǎn)氨，就不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳排放，與此同時(shí)，將綠氨液化然后大規(guī)模運(yùn)輸可能是將來(lái)氫氣儲(chǔ)運(yùn)的最佳方式之一。另外，氨燃燒的產(chǎn)物是水和氮，不會(huì)造成碳排放，氫能產(chǎn)業(yè)正在向氨方向發(fā)展。

但是如果直接將氨作為燃料，則需要克服氨不容易燃燒的缺陷。氨的燃燒速度低于氫，發(fā)熱量也低于氫和天然氣，將其點(diǎn)燃并實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定燃燒比較困難。

為了盡快實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，各個(gè)國(guó)家政府也越來(lái)越重視氨能的發(fā)展。

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全球主要國(guó)家氨能發(fā)展情況

1．日本大力發(fā)展氨燃燒

2020年底，日本公布了“綠色增長(zhǎng)戰(zhàn)略”行動(dòng)計(jì)劃，氨能被重點(diǎn)提及。2021年4月，日本政府計(jì)劃：到2050年，氫氣和氨氣發(fā)電將占日本總能源產(chǎn)量的10％左右；2023年之前將突破燃煤火力發(fā)電廠混合氨燃燒技術(shù)；2025年可將氨含量為20％的燃料投入實(shí)際應(yīng)用；2040年實(shí)現(xiàn)100％的氨燃燒火力發(fā)電技術(shù)的開(kāi)發(fā)。

2021年10月，日本考慮在一年之內(nèi)確定氨燃料發(fā)電的定價(jià)機(jī)制和合同條款等概念，預(yù)計(jì)相關(guān)企業(yè)將在2023年左右就開(kāi)始投資建設(shè)新電廠。

2．歐洲加大綠氨生產(chǎn)

2020年11月24日，歐盟第四次氫能網(wǎng)絡(luò)會(huì)議提到要不斷增加綠氨的生產(chǎn)。

3．韓國(guó)氨燃燒發(fā)電提上日程

2020年12月7日，韓國(guó)產(chǎn)業(yè)通商資源部主持召開(kāi)的“第二次氫氣和氨氣發(fā)電推進(jìn)”會(huì)議上，韓政府宣布將2022年作為氫氣－氨氣發(fā)電元年，并制定發(fā)展計(jì)劃和路線圖，力求打造全球第一大氫氣和氨氣發(fā)電國(guó)。會(huì)議宣布，政府將投入400億韓元用于有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，并于2023年前制定“氫氣和氨氣發(fā)電指南”。

2021年11月17號(hào)，韓國(guó)能源部表示，韓國(guó)計(jì)劃到2027年完成將氨作為無(wú)碳發(fā)電燃料的研究和測(cè)試，從2030年開(kāi)始實(shí)現(xiàn)氨燃料發(fā)電商業(yè)化，并將氨的比例提高到3．6％，以減少其在電力生產(chǎn)中對(duì)煤炭和液化天然氣的依賴。

4．中國(guó)加大氨儲(chǔ)能研發(fā)力度

2021年5月26日－28日，上海舉辦了第一屆“2021年氨燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展上海國(guó)際峰會(huì)論壇”，來(lái)自中外的能源廠家、設(shè)備供應(yīng)商和配套廠家均參與其中，交流氨能發(fā)展的新機(jī)會(huì)，反響熱烈。組織方響應(yīng)產(chǎn)業(yè)界要求，半年后又舉辦了“第二屆氨產(chǎn)業(yè)和氨燃料動(dòng)力系統(tǒng)上海國(guó)際論壇”，探討氨產(chǎn)業(yè)和氨燃料動(dòng)力系統(tǒng)在航運(yùn)、船舶、內(nèi)燃機(jī)、飛機(jī)、汽車、市政、電力、工程、港口等清潔新能源市場(chǎng)的機(jī)遇與發(fā)展趨勢(shì)。全球前兩大船東MOL和NKY均有報(bào)名參加。

2022年1月29日，國(guó)家發(fā)展改革委國(guó)家能源局關(guān)于印發(fā)《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》的通知提到，要加大關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)力度推動(dòng)多元化技術(shù)開(kāi)發(fā)，開(kāi)展儲(chǔ)能環(huán)節(jié)關(guān)鍵核心技術(shù)、裝備和集成優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，這其中包括氨儲(chǔ)能。

5．澳大利亞持續(xù)推進(jìn)氨能發(fā)展

2020年9月，澳大利亞氨能源協(xié)會(huì)（AEA Australia）分會(huì)舉辦了第二屆“氨＝氫2．0會(huì)議”。會(huì)議上提出：要加強(qiáng)政府與行業(yè)之間的合作關(guān)系；為氨動(dòng)力船舶稅收開(kāi)設(shè)安全培訓(xùn)課程；行業(yè)和政府共同出資設(shè)立氨生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)中心；與日本和新加坡等國(guó)家建立綠氨有關(guān)的能源安全合作。  

6．美國(guó)重回“巴黎協(xié)定”

2021年1月，拜登在上任第一天就重新加入了《巴黎協(xié)定》。早在20年8月份的時(shí)候，拜登就曾保證抵免氫戰(zhàn)略和生產(chǎn)的稅收，同時(shí)還有關(guān)于氫（和氨）生產(chǎn)以及電解槽制造生產(chǎn)稅收的抵免。

為了保護(hù)綠色地球，在探索工業(yè)和能源領(lǐng)域的脫碳技術(shù)時(shí)，氨能被反復(fù)提及。全球各國(guó)已將關(guān)注的眼光慢慢移向了氨能領(lǐng)域。

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氨能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)香橙會(huì)研究院調(diào)查，目前氨能的技術(shù)發(fā)展情況如下。

3．1合成氨技術(shù)

3．1．1 綠氫－Haber－Bosch電化學(xué)體系制備綠氨

目前全球綠氨大部分的制備方式為：基于Haber－Bosch電化學(xué)體系，用綠氫和氮?dú)夂铣删G氨。利用電解槽綠色制氫，該電解槽工作在堿性水介質(zhì)或質(zhì)子交換膜或固體氧化物介質(zhì)中。這些電解槽利用來(lái)自太陽(yáng)能、風(fēng)能和潮汐能等可再生能源的電力生產(chǎn)綠氫。而合成氨的反應(yīng)則依舊是在高壓環(huán)境的合成塔中完成，氮?dú)夂蜌錃饣旌虾蠼?jīng)過(guò)壓縮從塔的上部進(jìn)入合成塔。經(jīng)過(guò)合成塔下部的熱交換器，混合氣體的溫度升高，并進(jìn)入放有催化劑的接觸室。在接觸室，一部分氮?dú)夂蜌錃獍l(fā)生反應(yīng)，合成了氨，混有氮?dú)猓瑲錃夂桶睔獾幕旌蠚怏w經(jīng)過(guò)熱交換器離開(kāi)合成塔。混合氣體要經(jīng)由冷凝器，將氨液化，因而將氨分離出來(lái)，而氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚怏w經(jīng)壓縮再次送入合成塔，形成循環(huán)利用，以節(jié)省原料。

3．1．2 四烷基膦酸鹽電化學(xué)方法

2021年6月，澳大利亞的Jupiter Ionics公司采取了一種全新的電化學(xué)方法制取氨，可以大幅度減少與目前的Haber－Bosch工藝有關(guān)的溫室氣體排放。該方法是一種使用與鋰電池類似的電解質(zhì)電池來(lái)制備氨氣。Jupiter Ionics的方法使用可再生能源電解從空氣中分離出氮?dú)�，還原生成氮化鋰，從水中分離出氫氣，通過(guò)電氧化還原以產(chǎn)生氨。這意味著氨可以完完全全成為“綠色生產(chǎn)”。Suryanto等人報(bào)告用四烷基膦酸鹽代替乙醇。這種陽(yáng)離子可以穩(wěn)定地經(jīng)歷去質(zhì)子化－再質(zhì)子化循環(huán)，并且提高了介質(zhì)的離子電導(dǎo)率。Jupiter Ionics表示已獲得250萬(wàn)美元的資金，以擴(kuò)大該技術(shù)的商業(yè)用途。

圖1  全新綠氨制備工藝

3．1．3 低溫低壓合成綠氨

2022年3月，以色列的GenCell能源公司宣布，與當(dāng)今世界上通常采用的傳統(tǒng)氨生產(chǎn)工藝相比，他們可使水在極低的溫度和壓力下直接生產(chǎn)綠色氨。GenCell公司開(kāi)發(fā)了基于零排放堿性電池和綠色氨能技術(shù)的電力解決方案，允許不間斷的電力幫助世界從柴油動(dòng)力轉(zhuǎn)移到清潔能源動(dòng)力。隨后，日本技術(shù)提供商TDK公司宣布計(jì)劃繼續(xù)投資和開(kāi)發(fā)GenCell創(chuàng)新的零排放綠色氨合成項(xiàng)目。

3．2氨脫氫技術(shù)

3．2．1 傳統(tǒng)氨分解制氫

傳統(tǒng)的氨分解變壓吸附制氫工藝可分為兩部分：氨分解和變壓吸附純化。液氨經(jīng)預(yù)熱器蒸發(fā)成氣氨，然后在一定溫度下，通過(guò)填充有催化劑的氨分解爐，氨氣即被分解成含氫75％、含氮25％的氫氨混合氣。其反應(yīng)為：

分解溫度約在650℃～800℃時(shí)，分解率可達(dá)99％以上。分解后的高溫混合氣經(jīng)冷卻至常溫，進(jìn)入變壓吸附系統(tǒng)。其中，氨催化分解用的催化劑主要以負(fù)載型催化劑為主，其中包括以釕為代表的貴金屬負(fù)載型催化劑（銥、鉑等）、以鐵、鎳為代表的過(guò)渡金屬催化劑（鈷、鉬等）、合金催化劑、碳化物催化劑和氮化物催化劑等。雖然釕基催化劑是催化活性最高，但是它的高成本限制了其在工業(yè)上的廣泛使用，而廉價(jià)的鎳基催化劑活性僅次于釕，銥和銠，且與貴金屬相比，鎳在工業(yè)應(yīng)用更廣泛。

依據(jù)常溫下吸附劑在兩種不同壓力下對(duì)原料氫中其他組分的吸附容量差異，能一次去除氫氣中多種雜質(zhì)組分，其中包括少量未分解的NH3和雜質(zhì)水。將分解后的混合氣引入兩塔式變壓吸附塔進(jìn)行變壓吸附。吸附劑采用一定型號(hào)的分子篩，吸附塔內(nèi)的分子篩可以同時(shí)除去雜質(zhì)水分和殘氨。分解混合氣先由塔1底部進(jìn)入塔內(nèi)，在塔頂?shù)玫捷^高純度的氫氮混合氣，同時(shí)塔2在大氣壓下降壓解吸。部分產(chǎn)品氣進(jìn)入緩沖罐，直到等壓為止。繼之兩塔交換操作，塔2吸附，塔1解吸，交替工作和再生，以保證連續(xù)生產(chǎn)，如此循環(huán)進(jìn)行。在純化循環(huán)的過(guò)程中，總有一座吸附塔送出混合氣（H2／N2＝3：1）以備后續(xù)工藝的使用。

圖2  兩塔式變壓吸附純化裝置的流程簡(jiǎn)圖

傳統(tǒng)氨脫氫對(duì)設(shè)備要求高，壓力要求嚴(yán)格。工藝流程能耗大（650～850℃），設(shè)備建設(shè)投資也大，經(jīng)濟(jì)適用性較新型技術(shù)低。工業(yè)上使用的重金屬催化劑易造成環(huán)境污染。

3．2．2 電化學(xué)電池氨脫氫

2021年1月28日，美國(guó)西北大學(xué)的研究人員和加州能源初創(chuàng)公司SAFCell的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種高效、環(huán)保的方法使氨轉(zhuǎn)化為氫，并將這項(xiàng)新技術(shù)發(fā)表在《焦耳》（Joule）雜志。該技術(shù)突破克服了從氨水中生產(chǎn)清潔氫氣的幾個(gè)現(xiàn)存障礙。Haile團(tuán)隊(duì)建造了一個(gè)獨(dú)特的電化學(xué)電池，它帶有與氨分解催化劑集成在一起的質(zhì)子交換膜。氨首先遇到將其分解成氮和氫的催化劑，氫會(huì)立即轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，然后通過(guò)電驅(qū)動(dòng)質(zhì)子穿過(guò)電化學(xué)電池中的質(zhì)子導(dǎo)電膜。通過(guò)不斷地抽離氫，推動(dòng)反應(yīng)的進(jìn)行。從氨裂解中產(chǎn)生的氫可以用于燃料電池。該研究得到了美國(guó)能源部高級(jí)研究計(jì)劃局和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持。

3．2．3 新型低溫氨分解制氫

2021年12月期間，福州大學(xué)的江莉龍研發(fā)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了新型的低溫“氨分解制氫”催化劑的產(chǎn)業(yè)化，探索了以氨為氫能載體的顛覆傳統(tǒng)高壓的儲(chǔ)氫方式，為發(fā)展“氨－氫”綠色能源產(chǎn)業(yè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該技術(shù)具體為一種氨分解制氫催化劑及其制備方法及其在電極中的與應(yīng)用。催化劑包括活性組分和載體，活性組分為釕和／或鎳，載體為鋇基鈣鈦礦，氧化鋯基稀土金屬氧化物，氧化鈰基稀土金屬氧化物，鎵酸鑭基鈣鈦礦，氧化鋁中的至少一種。該催化劑可以使催化劑的熱膨脹系數(shù)與電極材料的熱膨脹系數(shù)接近，從而解決催化劑和電極因受熱易出現(xiàn)分層的問(wèn)題；以釕和／或鎳活性組分，將其負(fù)載在載體上制得的催化劑具有較好的催化效果和較高的氨分解效率。此次福州大學(xué)、北京三聚環(huán)保公司、紫金礦業(yè)集團(tuán)將出資約2．67億元成立合資公司，由新公司出資約3千萬(wàn)元購(gòu)買福州大學(xué)的技術(shù)服務(wù)。合作三方將進(jìn)一步聚焦我國(guó)發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)化存在的“卡脖子”難題。

3．3氨燃燒技術(shù)

2020年初，馬來(lái)西亞國(guó)際船運(yùn)有限公司、韓國(guó)三星重工、英國(guó)勞埃德船級(jí)社和德國(guó)船機(jī)制造商曼恩能源達(dá)成合作意向，將在未來(lái)3—4年進(jìn)行內(nèi)氨燃料油輪聯(lián)合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。

芬蘭船用發(fā)動(dòng)機(jī)制造商瓦錫蘭、挪威海工船東Eidesvik以及挪威國(guó)有能源公司Equinor正在合作研發(fā)一艘以氨燃料電池為動(dòng)力的零排放大型船舶，預(yù)計(jì)最早將于2024年下水，在2030年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

德國(guó)大眾旗下MAN ES公司計(jì)劃2024年完成MAN B＆W ME－LGIP樣機(jī)試驗(yàn)。首臺(tái)氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)計(jì)劃2021年在哥本哈根研究中心開(kāi)始。2019年已經(jīng)成功地進(jìn)行了氨燃燒性初步研究，2020年初，MAN ES公司開(kāi)始其MAN B＆W ME－LGIP二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)氨燃料變型開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。

2020年8月，丹麥Hafnia郵輪公司、瑞典阿法拉伐（Alfa Laval）、丹麥托普索公司（Haldor Topsoe）和維斯塔斯和西門子歌美颯共同發(fā)布白皮書，認(rèn)為到2050年，氨燃料可為30％的商船船隊(duì)提供動(dòng)力。

2015年，以色列新能源企業(yè)GenCell對(duì)外宣稱研發(fā)出了新一代“液氫和氨基燃料電池”，并在很多城市的重要地區(qū)作能源備用，例如電信塔、通信基站、軍隊(duì)遠(yuǎn)程控制中心、蓄電池房、醫(yī)院、公共設(shè)施以及安防等領(lǐng)域地區(qū)。

2021年10月，日本電力巨頭JERA的氨能混燒示范項(xiàng)目在日本愛(ài)知縣碧南市的火電廠首次點(diǎn)火啟動(dòng)。根據(jù)計(jì)劃，此項(xiàng)目的氨燃料混燒比例到2024年將提高到20％，到2050年將實(shí)現(xiàn)100％。JERA在2021年11月中旬宣布，計(jì)劃在未來(lái)2～3年內(nèi)，每年采購(gòu)50萬(wàn)噸氨，用于混燒發(fā)電。

中國(guó)國(guó)家能源集團(tuán)自主開(kāi)發(fā)的第一代混氨低氮煤粉燃燒器，在龍?jiān)醇夹g(shù)40MWth燃燒試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行全尺度了混氨燃燒試驗(yàn)，氨燃盡率99．99％，混氨燃燒比例最高達(dá)到35％，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了氮氧化物的有效控制。該項(xiàng)技術(shù)成果可應(yīng)用于發(fā)電、工業(yè)等領(lǐng)域的燃煤鍋爐，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有燃煤鍋爐低成本的混氨燃燒改造，實(shí)現(xiàn)化石燃料的替代，實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組的大幅度CO2減排。

綠氨對(duì)于航運(yùn)、重型貨物運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)的脫碳至關(guān)重要。全球已有不少公司開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目的研究或試點(diǎn)生產(chǎn)，綠氨產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化已拉開(kāi)帷幕。