【新能源研究】氨能研究：离产业化还有多远？
3月15日，国家自然科学基金委员会交叉科学部拟设立“重型车辆氨氢融合零碳动力系统基础研究”专项项目，项目旨在解决车用氨燃料点火难、燃烧慢及动态控制复杂等问题，为重型运载车辆氨氢融合燃料复合动力系统零碳排放技术创新与应用奠定基础。首先，氨（NH3）相对氢来说更容易运输和储存。氨比氢更不易燃，因此在这方面氨是一种更安全的燃料。此外，NH3的沸点为33.36℃，H2的沸点为－252.9℃，NH3更容易液化，所以氨储存和运输所需的能量更少。最重要的是，氨具有特殊的气味，为其潜在的致命泄露提供了早期预警，这是纯氢没有的特征。第二，液氨是一种比液氢本身更有效且能量密度更高的氢载体。NH3是一个氮原子和三个氢原子结合在一起，与H2相比，一升液氨中的氢比一升液氢中的氢含量高，在相同体积的储存容器中可以输送更多的能量。第三，NH3是世界上最重要的化学商品之一，也是生产最广泛的化学品之一。其包括装卸在内的运输法规和运输基础设施已经在全世界得到了广泛的布置。一般情况下，氨运输和储存在中等压力的储罐中，这意味着它可以快速应用到能源系统中需要它的特定部分。另外，氨有管道、铁路、驳船、船舶、公路拖车和仓库等多种运输方式和手段。因此，若扩大NH3的生产和分销，并不需要在基础设施建设上大量投资。目前氢能的利用和商业化进程缓慢，运输氢气既困难又昂贵，但一个广泛的氨输送系统已经存在，与氨气相关的设施成本比氢气低。如果用绿氢生产氨，就不会产生二氧化碳排放，与此同时，将绿氨液化然后大规模运输可能是将来氢气储运的最佳方式之一。另外，氨燃烧的产物是水和氮，不会造成碳排放，氢能产业正在向氨方向发展。但是如果直接将氨作为燃料，则需要克服氨不容易燃烧的缺陷。氨的燃烧速度低于氢，发热量也低于氢和天然气，将其点燃并实现持续稳定燃烧比较困难。为了尽快实现碳中和的目标，各个国家政府也越来越重视氨能的发展。2020年底，日本公布了“绿色增长战略”行动计划，氨能被重点提及。2021年4月，日本政府计划：到2050年，氢气和氨气发电将占日本总能源产量的10%左右；2023年之前将突破燃煤火力发电厂混合氨燃烧技术；2025年可将氨含量为20%的燃料投入实际应用；2040年实现100%的氨燃烧火力发电技术的开发。2021年10月，日本考虑在一年之内确定氨燃料发电的定价机制和合同条款等概念，预计相关企业将在2023年左右就开始投资建设新电厂。2020年11月24日，欧盟第四次氢能网络会议提到要不断增加绿氨的生产。2020年12月7日，韩国产业通商资源部主持召开的“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，政府将投入400亿韩元用于有关基础设施的建设，并于2023年前制定“氢气和氨气发电指南”。2021年11月17号，韩国能源部表示，韩国计划到2027年完成将氨作为无碳发电燃料的研究和测试，从2030年开始实现氨燃料发电商业化，并将氨的比例提高到3.6%，以减少其在电力生产中对煤炭和液化天然气的依赖。2021年5月26日－28日，上海举办了第一届“2021年氨燃料电池动力系统产业发展上海国际峰会论坛”，来自中外的能源厂家、设备供应商和配套厂家均参与其中，交流氨能发展的新机会，反响热烈。组织方响应产业界要求，半年后又举办了“第二届氨产业和氨燃料动力系统上海国际论坛”，探讨氨产业和氨燃料动力系统在航运、船舶、内燃机、飞机、汽车、市政、电力、工程、港口等清洁新能源市场的机遇与发展趋势。全球前两大船东MOL和NKY均有报名参加。2022年1月29日，国家发展改革委国家能源局关于印发《“十四五”新型储能发展实施方案》的通知提到，要加大关键技术装备研发力度推动多元化技术开发，开展储能环节关键核心技术、装备和集成优化设计研究，这其中包括氨储能。2020年9月，澳大利亚氨能源协会（AEA Australia）分会举办了第二届“氨=氢2.0会议”。会议上提出：要加强政府与行业之间的合作关系；为氨动力船舶税收开设安全培训课程；行业和政府共同出资设立氨生产技术研发中心；与日本和新加坡等国家建立绿氨有关的能源安全合作。2021年1月，拜登在上任第一天就重新加入了《巴黎协定》。早在20年8月份的时候，拜登就曾保证抵免氢战略和生产的税收，同时还有关于氢（和氨）生产以及电解槽制造生产税收的抵免。为了保护绿色地球，在探索工业和能源领域的脱碳技术时，氨能被反复提及。全球各国已将关注的眼光慢慢移向了氨能领域。根据香橙会研究院调查，目前氨能的技术发展情况如下。3.1.1 绿氢－Haber-Bosch电化学体系制备绿氨目前全球绿氨大部分的制备方式为：基于Haber-Bosch电化学体系，用绿氢和氮气合成绿氨。利用电解槽绿色制氢，该电解槽工作在碱性水介质或质子交换膜或固体氧化物介质中。这些电解槽利用来自太阳能、风能和潮汐能等可再生能源的电力生产绿氢。而合成氨的反应则依旧是在高压环境的合成塔中完成，氮气和氢气混合后经过压缩从塔的上部进入合成塔。经过合成塔下部的热交换器，混合气体的温度升高，并进入放有催化剂的接触室。在接触室，一部分氮气和氢气发生反应，合成了氨，混有氮气，氢气和氨气的混合气体经过热交换器离开合成塔。混合气体要经由冷凝器，将氨液化，因而将氨分离出来，而氮气和氢气的混合气体经压缩再次送入合成塔，形成循环利用，以节省原料。2021年6月，澳大利亚的Jupiter Ionics公司采取了一种全新的电化学方法制取氨，可以大幅度减少与目前的Haber-Bosch工艺有关的温室气体排放。该方法是一种使用与锂电池类似的电解质电池来制备氨气。Jupiter Ionics的方法使用可再生能源电解从空气中分离出氮气，还原生成氮化锂，从水中分离出氢气，通过电氧化还原以产生氨。这意味着氨可以完完全全成为“绿色生产”。Suryanto等人报告用四烷基膦酸盐代替乙醇。这种阳离子可以稳定地经历去质子化－再质子化循环，并且提高了介质的离子电导率。Jupiter Ionics表示已获得250万美元的资金，以扩大该技术的商业用途。
2022年3月，以色列的GenCell能源公司宣布，与当今世界上通常采用的传统氨生产工艺相比，他们可使水在极低的温度和压力下直接生产绿色氨。GenCell公司开发了基于零排放碱性电池和绿色氨能技术的电力解决方案，允许不间断的电力帮助世界从柴油动力转移到清洁能源动力。随后，日本技术提供商TDK公司宣布计划继续投资和开发GenCell创新的零排放绿色氨合成项目。传统的氨分解变压吸附制氢工艺可分为两部分：氨分解和变压吸附纯化。液氨经预热器蒸发成气氨，然后在一定温度下，通过填充有催化剂的氨分解炉，氨气即被分解成含氢75%、含氮25%的氢氨混合气。其反应为：分解温度约在650℃~800℃时，分解率可达99%以上。分解后的高温混合气经冷却至常温，进入变压吸附系统。其中，氨催化分解用的催化剂主要以负载型催化剂为主，其中包括以钌为代表的贵金属负载型催化剂（铱、铂等）、以铁、镍为代表的过渡金属催化剂（钴、钼等）、合金催化剂、碳化物催化剂和氮化物催化剂等。虽然钌基催化剂是催化活性最高，但是它的高成本限制了其在工业上的广泛使用，而廉价的镍基催化剂活性仅次于钌，铱和铑，且与贵金属相比，镍在工业应用更广泛。依据常温下吸附剂在两种不同压力下对原料氢中其他组分的吸附容量差异，能一次去除氢气中多种杂质组分，其中包括少量未分解的NH3和杂质水。将分解后的混合气引入两塔式变压吸附塔进行变压吸附。吸附剂采用一定型号的分子筛，吸附塔内的分子筛可以同时除去杂质水分和残氨。分解混合气先由塔1底部进入塔内，在塔顶得到较高纯度的氢氮混合气，同时塔2在大气压下降压解吸。部分产品气进入缓冲罐，直到等压为止。继之两塔交换操作，塔2吸附，塔1解吸，交替工作和再生，以保证连续生产，如此循环进行。在纯化循环的过程中，总有一座吸附塔送出混合气（H2/N2=3：1）以备后续工艺的使用。
传统氨脱氢对设备要求高，压力要求严格。工艺流程能耗大（650～850℃），设备建设投资也大，经济适用性较新型技术低。工业上使用的重金属催化剂易造成环境污染。2021年1月28日，美国西北大学的研究人员和加州能源初创公司SAFCell的研究人员已经开发出一种高效、环保的方法使氨转化为氢，并将这项新技术发表在《焦耳》（Joule）杂志。该技术突破克服了从氨水中生产清洁氢气的几个现存障碍。Haile团队建造了一个独特的电化学电池，它带有与氨分解催化剂集成在一起的质子交换膜。氨首先遇到将其分解成氮和氢的催化剂，氢会立即转化为质子，然后通过电驱动质子穿过电化学电池中的质子导电膜。通过不断地抽离氢，推动反应的进行。从氨裂解中产生的氢可以用于燃料电池。该研究得到了美国能源部高级研究计划局和国家科学基金会的支持。2021年12月期间，福州大学的江莉龙研发团队实现了新型的低温“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的储氢方式，为发展“氨－氢”绿色能源产业奠定了坚实的基础。该技术具体为一种氨分解制氢催化剂及其制备方法及其在电极中的与应用。催化剂包括活性组分和载体，活性组分为钌和/或镍，载体为钡基钙钛矿，氧化锆基稀土金属氧化物，氧化铈基稀土金属氧化物，镓酸镧基钙钛矿，氧化铝中的至少一种。该催化剂可以使催化剂的热膨胀系数与电极材料的热膨胀系数接近，从而解决催化剂和电极因受热易出现分层的问题；以钌和/或镍活性组分，将其负载在载体上制得的催化剂具有较好的催化效果和较高的氨分解效率。此次福州大学、北京三聚环保公司、紫金矿业集团将出资约2.67亿元成立合资公司，由新公司出资约3千万元购买福州大学的技术服务。合作三方将进一步聚焦我国发展氢能产业化存在的“卡脖子”难题。2020年初，马来西亚国际船运有限公司、韩国三星重工、英国劳埃德船级社和德国船机制造商曼恩能源达成合作意向，将在未来3—4年进行内氨燃料油轮联合开发项目。芬兰船用发动机制造商瓦锡兰、挪威海工船东Eidesvik以及挪威国有能源公司Equinor正在合作研发一艘以氨燃料电池为动力的零排放大型船舶，预计最早将于2024年下水，在2030年实现商业化。德国大众旗下MAN ES公司计划2024年完成MAN B&W ME-LGIP样机试验。首台氨燃料发动机试验计划2021年在哥本哈根研究中心开始。2019年已经成功地进行了氨燃烧性初步研究，2020年初，MAN ES公司开始其MAN B&W ME-LGIP二冲程发动机氨燃料变型开发项目。2020年8月，丹麦Hafnia邮轮公司、瑞典阿法拉伐（Alfa Laval）、丹麦托普索公司（Haldor Topsoe）和维斯塔斯和西门子歌美飒共同发布白皮书，认为到2050年，氨燃料可为30%的商船船队提供动力。2015年，以色列新能源企业GenCell对外宣称研发出了新一代“液氢和氨基燃料电池”，并在很多城市的重要地区作能源备用，例如电信塔、通信基站、军队远程控制中心、蓄电池房、医院、公共设施以及安防等领域地区。2021年10月，日本电力巨头JERA的氨能混烧示范项目在日本爱知县碧南市的火电厂首次点火启动。根据计划，此项目的氨燃料混烧比例到2024年将提高到20%，到2050年将实现100%。JERA在2021年11月中旬宣布，计划在未来2～3年内，每年采购50万吨氨，用于混烧发电。中国国家能源集团自主开发的第一代混氨低氮煤粉燃烧器，在龙源技术40MWth燃烧试验平台上进行全尺度了混氨燃烧试验，氨燃尽率99.99%，混氨燃烧比例最高达到35%，同时实现了氮氧化物的有效控制。该项技术成果可应用于发电、工业等领域的燃煤锅炉，通过对现有燃煤锅炉低成本的混氨燃烧改造，实现化石燃料的替代，实现燃煤机组的大幅度CO2减排。绿氨对于航运、重型货物运输和农业的脱碳至关重要。全球已有不少公司开始进行相关项目的研究或试点生产，绿氨产业的商业化已拉开帷幕。据香橙会研究院调查，全球绿氨市场的主要企业有：BP，OCI N.V.， ITM Power，Haldor Topsoe，thyssenkrupp Industrial Solutions，Yara， Air Liquide，Linde，Air Products and Chemicals，Hy2gen等。
作为中国最大的多晶硅生产商、太阳能产品制造商之一，协鑫集团近些年积极进军氢能产业，2021年8月，该公司宣布在埃塞俄比亚建立一家工厂，利用其与当地政府达成的协议开发油田生产的天然气生产氨。此外协鑫还将在吉布提建立一座年产400万吨的氨工厂，并将建立能将氨转化为约250万吨液氢的设施。中设集团在阿拉伯国家广泛布局，在“一带一路”的交汇点阿联酋设立了CMEC中东区域中心，在巴林、伊拉克、沙特等国均设有子公司及代表处，目前在手执行项目合同金额达数十亿美元，业务类型涵盖电力、房建、工业、新能源等多个行业。中设集团将在西北市场开发第一个“绿氢”合成制取“绿氨”项目，“绿氨”产品将面向国际市场。中设集团开发的产品具有可接收25MPa、30MPa和50MPa管束车的功能，通过自动控制实现系统的自动切换，将来应用50MPa管束车无需改造。中设集团的撬装式固定站方案将所有设备橇装集成在一个模块中，形成橇装站的模块。建站速度快、占地面积小，投资节省，仅需提供电力供应；同时，加气规模较小，日加气量200kg/d，适用于车场新品试验或小型加氢站，内部设备的安全间距与现有的国标加氢站规范相违背，将在规范上突破。2018年，福州大学化肥催化剂国家工程研究中心与北京三聚环保公司等开发出世界首套以煤为原料的低碳安全高效“铁钌接力催化”合成氨成套新技术，实现年产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。2021年12月，福州大学、北京三聚环保公司、紫金矿业集团将出资约2.67亿元成立合资公司，由新公司出资约3千万元购买福州大学的技术服务。合作三方将进一步聚焦我国发展氢能产业化存在的“卡脖子”难题，利用福州大学在合成氨及“氨－氢”转化催化技术优势，产学研用融合，打造一支国家级“氨－氢”能源产业创新团队，共同建设氨工业催化国家工程研究中心，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。从2021年7月开始，太阳山开发区就聚集了国内氨氢行业顶尖力量，致力于“氨－氢能源”产业的研发、建设。氨、氢能源产业以太阳山开发区为中心点，辐射全国，包括热电联产项目、160万千瓦光伏发电项目、装备制造项目、制氢、合成绿氨工厂项目、电池储能项目、智能微电网项目、综合能源项目、氢能源重卡项目，计划5年内完成投资建设。通过全方位布局，全产业链引进项目投资，打通绿色能源上下游产业链，探索建立人才聚集高地，在太阳山打造“中国氨氢谷”。传统制氨时，国际上主要以天然气为合成氨的主要生产原料。但中国的天然气价格高昂且产量匮乏，对外依赖度较高，中国的合成氨工业主要以煤炭为主要生产原料，大概77%的合成氨来自于煤炭。而从碳排放的角度来讲，每吨煤制合成氨释放的碳排放也要高出每吨天然气合成氨释放的碳排放。合成氨主要是用氢气和氮气作为合成原料，变换反应仍然是碳排放的主要源头。在工艺流程中，煤气化反应会形成一氧化碳和氢气为主的粗合成气。目前，合成氨行业做原料的氢气几乎都是化石原料生产的灰氢，一部分来自于煤气化过程，另一部分来自于变换反应。对于合成氨工业来讲，使用低碳绿氢替代高碳灰氢，将是降低合成氨行业碳排放的有效途径之一。这样合成氨反应并不涉及碳元素，所以合成氨行业可以在绿色化过程中舍弃煤炭，直接使用可再生能源水电解制造的绿色氢气和空气中空分得到的氮气合成氨。如果中国目前所有的合成氨都采用绿氢生产，每年碳排放量可以减少一亿吨以上。同时，如果使用绿氢生产，还可避免对天然气、煤炭等化石能源的消耗，有利于建设环境友好型社会，每年的煤炭消耗减少量可接近五千万吨。若用绿氢替代煤生产绿氨，则绿氨成本主要由原料成本（绿氢生产成本和氮气生产成本）和设备折旧、公用设备（主要为电力）等其他成本组成。假设原料成本占总成本比例约70%，其余部分占30%。在煤炭价格处于正常范围时（700-900元/吨），传统合成氨的成本范围在1900-2200元/吨。此时在有丰富可再生电力且电价低廉（0.1元/度）的地区，绿色合成氨的生产成本可以和传统煤制合成氨相竞争。在煤炭价格处于历史高点时（1500-2000元/吨），传统合成氨的成本将超过3000元/吨。此时在电价到达0.2元/度的地区，绿色合成氨的生产成本也可以和传统合成氨相竞争。当电价为0.1元/度时，绿色合成氨成本大概在2200元/吨左右。这个价格实际上已经和传统合成氨成本相接近，但是前提是在煤炭价格处于正常范围。2021年的煤炭价格几乎达到了历史最高点，一度超出了2000元/吨。当煤炭价格更高的时候，传统合成氨的成本也将水涨船高。此时，当电价为0.2元/度时，绿色合成氨的成本也可以和传统合成氨相匹敌。
所以未来以绿氢为主导的绿色合成氨产业具备一定经济性，当然这是在我们拥有大量丰富可再生能源电力以及成熟水电解技术前提下。传统氨分解制氢由于能耗高，因此，成本较高。据香橙会研究院调研获悉，传统氨分解制氢成本超过17元/kg（合成氨原料成本取均值2500元/吨）比煤制氢超出30%。因此工业上几乎很少采用氨分解制氢。随着全球对减少温室气体排放需求的日益增加，以及所采用节能技术的增多，这些因素将推动绿氨市场的增长。但面对市场上的高初始资本投入，加上对人们对绿色氨技术缺乏认知，该市场的增长会受到些许阻碍。据Research Nester的研究调查，全球绿氨市场规模预计将从2021年的1600万美元继续增长，预计到2030年将达到5.415亿美元，预测期内的年复合增长率（CAGR）为90.2 %。预计2028年全球绿色合成氨市场将获得8.513亿美元的营收，高于2019年的13.15亿美元，在预测期内增长了62.84 %。随着使用碱性水、固体氧化物电解、质子交换膜等生产绿色氨的技术增多，采用智能技术实现脱碳目标的方案增加，该市场也将得到增长。
将全球绿色氨市场细分为北美、欧洲、亚太和世界其他地区。其中，预计到2028年底，欧洲市场将占据最大的市场份额，实现558.03亿美元的营收，高于2019年的7.49亿美元，预测期间最高增长率为65.37 %。在该地区的国家中，预计荷兰市场在2028年将拥有最大的市场收入（227.12亿美元），而德国市场在预计期内将以86.35 %的最高CAGR增长。另一方面，预计2028年亚太地区市场将占据第二大份额，实现190.69亿美元的营收。该地区的市场按照国家分为中国、日本、澳大利亚和其他亚太地区，其中中国市场有望在整个预测期内占有最大的市场份额，2028年的市场收入为638.8万美元，高于2019年的38万美元。预计中国市场也将以预测期内最高CAGR（年复合增长率）为79.41 %的速度增长。全球绿色氨市场在技术基础上可细分为碱性水电解、PEM水电解、SOEC水电解。其中，SOEC水电解预计在2028年将拥有最大的市场收入，约为496.38亿美元。对我国来说电力领域、工业领域是碳排放的主要来源，如果氨能源能够替代化石能源，成为新型燃料，将大大有助于我国实现2060年碳中和的目标。我国有非常成熟的氨运输和分配体系，氨更安全、更易储运，且同体积的液氨比液氢多至少60%的氢，经济性优势凸显，因此以氨储氢、供氢、代氢是氢能的发展趋势之一。氢氨融合是国际清洁能源的前瞻性、颠覆性、战略性的技术发展方向，是解决氢能发展重大瓶颈的有效途径，同时也是实现高温零碳燃料的重要技术路线。但需要注意的是，尽管国外已逐步开展氨氢融合应用项目，但国内的研究与应用仍较少。若要氨燃烧落实到具体应用层面，氨燃料仍存在技术挑战。首先，氨燃烧速度和热值较低，且远低于氢，不利于高效率的工业应用，其次，氨不太容易点燃和实现稳定燃烧。此外，实现大规模的氨氢转换与储运，需要在大容量储运设备、催化剂等方面进行进一步技术攻关。但是，绿氨只有在完善的碳交易体系加持下，且拥有丰富可再生能源电力及成熟的水电解制氢技术的情况下，才能得到大力的发展，才能具备和传统制氨相竞争的潜力。不论是氨－氢，还是氨直接用作燃料，未来的能源格局是多样性的、相辅相成。实现碳中和需要保持开放心态面对每一条技术路线，多种能源形式互补共同助力碳中和。在整个全球能源转型的关键时期，开放、勇敢、创新是才是能源转型的主题精神。
