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未来能源结构新选择:绿氨+绿氢

2021-12-05

氢能被称为21世纪最高效清洁的能源,燃料电池是氢能广泛利用的最高效技术。然而,市场上尚未实现氢能大规模应用,主要瓶颈在于氢气的存储与运输导致无法获得低成本、安全的氢气。


衡量氢气存储技术好坏的依据包括有储氢成本、储氢密度和安全性等几方面。此前,各国专家曾发明多种氢能储存方式,包括高压储氢、液化储氢、物理吸附储氢、液态有机化合物储氢、金属氢化物储氢等,均存在不同程度缺陷,致储氢含量低,成本高,稳定性、循环性和安全性能不足。


由于能更容易实现安全、低成本的储运,甲醇与液氨储氢逐渐得到人们的重视。相对于甲醇,属于零碳燃料的氨(化学式NH3)正在被认为是未来除氢能之外更理想的能源。


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氨气作为能源有众多优点:


首先,氨本身是一种零碳化合物,同时能量密度很高,是液氢的1.5倍。在化学性质方面,氨的液化温度只有零下33摄氏度,非常容易液化,与之相比,氢液化温度则需要降至零下253摄氏度左右,无论是车辆运输还是管道运输,液氨的难度都相对更低。


其次,除了作为氢能载体,氨还是一种零碳燃料。氨和氧完全燃烧的反应产物为水和氮气,释放能量的过程实现了零碳排放。澳大利亚工程院院士程一兵在论坛上表示,到2050年、2060年即便全球实现碳中和,仍然有接近1/4的能源要依赖燃料,包括海运、长途重载汽车、炼钢、高温工业制造、航空等,因此需要氨燃料进行含碳燃料的替代。


目前国内外也在逐渐探索“绿氨+绿氢”的商业模式:


2022年1月4日,由宁夏工信部批复,宁夏氨氢产业联盟正式成立。


2021年11月,普拉格获得埃及订单,为年产9万吨的绿氨提供10万千瓦的电解设备,生产的绿氨将被作为富氢燃料使用。


2021年7月,西澳宣布将投建装机2800万千瓦的西部绿色能源中心项目,包括一个装机5000万千瓦的风能和太阳能发电系统,旨在每年生产多达350万吨绿氢以及2000万吨绿氨,成本预计高达750亿美。


2021年7月,中国光伏制造商协鑫集团(GCL Group)表示,公司计划在埃塞俄比亚建立氨气工厂,利用其与当地政府达成的协议中提及的天然气田生产氨气,建成后将为年产400万吨的合成氨工厂。


2021年6月,哈萨克斯坦装机3000万千瓦的绿氢项目公布。该项目由德国可再生能源开发商Svevind Energy和哈萨克斯坦投资促进署合作开发,项目包括一个装机4500万千瓦的风能和太阳能发电系统,一个3000万千瓦的电解槽,每年约生产300万吨绿氢,用于本土铝、钢铁和氨工业利用和出口。


2020年12月,全球最大氨生产商挪威Yara国际公司与挪威可再生能源巨头Statkraft以及可再生能源投资公司Aker Horizons宣布要在挪威建立年产50万吨的绿氨项目


2020年7月,美国最大气体产品和化工公司在沙特联合开发400万千瓦的制氢项目,建设绿氢工厂,项目总投资达50亿美元,是迄今为止宣布的全球最大氢能项目。投产后,工厂每天生产650吨绿氢,可为2万辆氢燃料公共汽车提供动力。为了便于运输和出口,该厂还将应用“氢氨转换技术”,届时还能生产120万吨/年的氨,终端用户再将氨转为氢,预计到2025年可正式生产氨。


然而使用绿氨仍需克服诸多问题。绿氨的制造工艺能耗高,理想情况下,合成氨的氢气用量要比甲醇高10%,温和温度和压力下氨分解的转化率低于60%,相关催化剂也还在进一步研究。此外,氨气泄露有毒性,对于燃料电池来说容易有氨中毒的问题。作为燃料时,氨气的燃点为651摄氏度,需要较高温度才能燃烧,这意味着其燃烧的速度较慢,难以稳定持续的燃烧,而氨气的不完全燃烧将会产生有毒有害的氮氧化物。


我国是全球氨生产大国,全世界每年生产大概2亿吨左右,我国的产能大约占到全球的四分之一。目前,由于起步较晚,我国在氨燃料发动机技术、氨燃料加注设施等方面与日韩欧美等存在一定差距,同时也缺少较为完善的政策指导和法律法规。


综上所述,绿氨与绿氢的互补作用明显,我国应加快相关产业布局,利用成熟的制氨工艺促进绿氢产业的扩大,探索绿氨直接作为能源的可能性,助力实现碳中和。