高虎，劉凡，李海

（中國宏觀經濟研究院能源研究所，北京市 西城區 100038）

0 引言

2020年9月22日，習近平主席向世界承諾我國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[1]。實現“雙碳”目標是一場廣泛而深刻的經濟社會系統性變革，將對產業結構、能源系統、生產方式、生活方式、空間格局都將產生重大而深遠的影響。

2021年10月，黨中央、國務院相繼印發《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》《2030年前碳達峰行動方案》等頂層設計文件，明確了總體目標，部署了重大舉措，明晰了實施路徑，提出了推動能源綠色低碳轉型的政策框架。特別強調要進一步嚴格控制化石能源消費，嚴控煤電裝機規模，積極發展非化石能源，著力構建新型電力系統。

“雙碳”目標提出后，氫能因其清潔、高效、低碳、靈活等特點逐漸被大家所熟知，并認為是應對氣候變化、替代化石能源、建設零碳社會的重要戰略選擇[2-3]。在鋼鐵、化工等難以減排領域中，氫能將成為重要選項，“電氣化+電氫化”成為能源利用的主要方式[4-7]，氫能發電也有望成為電力系統中提供跨季節、長周期電力電量調節的重要技術手段[8]。

但是，由于氫自身的元素特性，目前純氫儲存和輸運技術仍存在嚴重瓶頸，氫能的大規模、高質量發展面臨諸多挑戰[9]。相比之下，氨具有易于儲運、零碳排放、熱效率高等優點，在碳中和背景下可能成為氫能利用的一種重要載體，在工業、電力、交通等領域都有一定發展空間[10]。本文將分析“雙碳”戰略目標下氨燃料發展的機遇、挑戰和前景，梳理氨燃料的自身特性，為我國多角度、多方向探索經濟可行的碳中和技術路線提供參考。

1 氨作為替代能源的優勢和機遇

1.1 氨的特性和優勢

氨(NH3)是一種氮氫化合物，由于其獨特的物理和化學特性，具有易于儲運、零碳排放、熱效率高等優點，在碳中和背景下將成為氫能利用的一種重要氫基燃料[11]。目前，氨主要用于制作硝酸、化肥、炸藥以及制冷劑等，是世界上產量最多的無機化合物之一，技術成熟、產業完備，具備推廣應用的基礎條件。

1）氨的物理特性

氨在常溫下是一種無色氣體，有強烈的刺激氣味，一旦發生泄漏，很容易發現并及時補救，且只有當它的濃度達到可被覺察濃度的1 000倍時才會致命。標準狀況下氨的密度為0.771 g/L，比空氣輕，泄漏后擴散快，不會積聚，因此氨作為燃料具有較高的安全性[12]。泄漏在大氣中的氨還可以參與自然循環，隨雨雪移動后，與其他物質反應或被植物吸收。

與廣泛關注的純氫相比，氨最大的優勢在于易液化、易儲存和易運輸。氨氣常壓下-33℃或者常溫下加壓到9個大氣壓就能夠實現液化，而氫氣常壓下需要把溫度降低至-253℃才能液化，且溫度在-240℃以上是無法液化的。因而，儲氨只需要普通液化氣鋼瓶即可，而儲氫則需要特殊材料。目前，氫能發展面臨的主要挑戰在于純氫的儲運，且大規模、長距離的儲運技術瓶頸在短時間內難以突破。因此，氨易于儲運的特性為發展氫基燃料提供了新的技術路線。

2）氨的化學特性

氨燃燒反應的化學方程式如式(1)所示。氨燃燒后只生成氮氣和水2種環境友好型產物，不會產生二氧化碳，因此是一種零碳能源，可有效降低化石能源燃燒產生的碳氧化物、硫氧化物的排放。

氨不僅可以直接在內燃機中燃燒提供動力，還可用于堿性、固體氧化物等燃料電池。液氨的能量密度較高，是液氫的1.5倍以上，是鋰離子電池的9倍。與汽油相比，氨的燃燒值一般，但辛烷值很高，可大大增加內燃機壓縮比以提高輸出功率，因而氨內燃機的熱效率很高，可達50%～60%，是一般汽油內燃機的2倍左右。

3）氨的產業化體系

工業上，通常用氮氣和氫氣在高壓、高溫和催化劑作用下合成氨。合成氨工業在20世紀初期就已經形成，至今已有100多年的歷史，技術非常成熟，在氨的生產、儲存、運輸等各方面都已成體系。與同樣處于研發前沿的“氫與二氧化碳合成甲醇”的技術路線相比，“氫與氮氣合成氨”的技術和應用條件要成熟很多，因而氨燃料的推廣應用具有良好的產業基礎。當前，我國合成氨產業已邁入轉型升級發展階段，建成諸多大型合成氨基地，涌現了云天化、湖北宜化、華魯恒升等一大批具有較高技術水平、較大生產規模的企業，全國合成氨年產量接近5 000萬t。

1.2 氨燃料的未來機遇

在“碳達峰、碳中和”目標愿景下，氨作為一種零碳能源具有廣泛的應用領域，將為電力、交通等部門實現脫碳提供新的選擇。

1）發電領域

隨著風電、光伏發電等新能源大規模發展，電力供應的波動性和不確定性日益增加，亟需發展穩定可靠的新型電源來保障電力系統的安全穩定運行[13]。氨燃燒性能良好，易液化、易儲存，具有較好的燃料供應保障能力。因此，氨燃料發電可作為一種清潔零碳型發電技術，為電力系統提供與傳統火電類似的可調度、可調節、可控制的電力電量支撐[14]。雖然在燃燒特性、燃燒產物成分與輻射特性等方面，氨燃料與煤炭、天然氣等存在較大差異，摻氨或純氨燃燒存在增加NOx排放的風險，但可通過燃燒分級、燃燒組織優化等方式有效調控[15]。

未來，新能源大規模發展也將進一步推動合成氨制備的零碳化。在新能源出力富?；蛘哓摵傻凸葧r期，利用電解水制得的“綠氫”合成氨燃料，并將其液化儲存；在新能源出力不足或負荷高峰時，使用儲存的氨燃料進行發電，可滿足用電需求、緩解供電緊張。整個過程雖然會有一部分能量損失，但不會產生任何碳排放。因此，“電-氫-氨-電”系統有望成為新型電力系統建設的重要儲調模式之一。

2）交通領域

國際海事組織2018年通過了溫室氣體減排初步戰略，提出到2030年全球海運碳排放與2008年相比至少下降40%，力爭到2050年下降70%。為實現航運業的減碳脫碳，清潔燃料替代化石能源是最具潛力的技術手段。遠洋航行船舶載重噸位大、航程長、靠港頻次低、燃料加注相對不便，需要使用能量密度較高的燃料和功率較大的動力裝置。在目前關注度較高的零碳能源中，氨動力船舶能量密度比液氫高50%，且可利用現有氨供應鏈和基礎設施，在集裝箱船等大型船舶遠航領域具有較好的推廣應用前景[16]。

此外，氨燃料在公路運輸方面也具有一定的應用場景。氨基燃料電池汽車、卡車和公共汽車不僅效率高、無排放，還具有續航能力強、補給時間快等優點。利用已有燃料電池技術，氨燃料在相同溫度下能夠達到與氫燃料相近的功率密度，被認為是可替代純氫用于燃料電池的理想燃料。

2 氨燃料存在的問題和挑戰

2.1 安全性問題

氨具有毒性與腐蝕性，存在安全隱患。根據《職業性接觸毒物危害程度分級》，氨氣屬于IV類輕度危害氣體，人群暴露在含有一定濃度的氨氣環境下，濕皮膚、黏膜和眼睛會受到氨氣侵襲，可能發生中毒事故，引起嚴重咳嗽、支氣管痙攣、急性肺水腫，甚至會構成失明和窒息死亡。

氨還存在爆炸危險，當氨氣在空氣混合物中濃度達到16%～25%時，遇明火就會引起爆炸，屬于《石油化工企業設計防火規范》規定的乙類火災危險氣體。此外，液氨極易氣化，氨儲存罐還存在物理爆炸的風險。在氨的制取和儲運環節，如果發生泄露，或將發生安全事故。

2.2 環保性問題

與其他燃料相比，氨的燃燒速度較慢，尚難應用于“快響應”場景。目前，氨燃燒的相關技術還不成熟，當氨燃燒不充分時，反應過程會產生大量的氮氧化物(NOx)，可能造成酸雨、臭氧空洞、光化學煙霧等大氣污染及其他環境問題。

2.3 經濟性問題

目前我國80%以上合成氨通過煤氣化生產氫氣，再加工合成，即合成氨主要原料仍是“灰氫”，其生產制備是高碳工藝過程，會排放大量二氧化碳。

隨著可再生能源制氫技術的發展，“綠氫”為合成“綠氨”提供了可能。但當前可再生能源發電、電解水制氫系統等成本較高，“綠氫”及合成的“綠氨”還較為昂貴。據試點項目數據，“綠氨”成本比煤制合成氨高出50%以上，短期內“綠氨”還不具備經濟可行性。

3 全球積極布局“氨經濟”對我國的啟示

隨著全球綠色低碳發展步伐加快，很多國家對推廣氨應用表現出極大興趣，積極布局氨-氫產業，重點在氨燃氣輪機、氨燃料動力船以及氨-氫運輸等方面開展研究，也為我國實現碳達峰、碳中和提供新的思路和方向。

3.1 氨產業發展情況

1）氨燃料發電

碳中和目標愿景下，推進火電機組摻燒或純燒液氨等低碳燃料是發電領域減污降碳的重要技術方向[17]。目前，以日本為代表的部分國家正在探索發展以氨為燃料的火力發電技術，加快推動電力部門的脫碳進程[18]。其中，日本實驗室和工程公司已經測試開發了50～2 000 kW的小型氨燃氣輪機；日本三菱重工正在開發40 MW氨燃氣輪機，它將100%使用氨氣發電，并把選擇性催化還原與新型燃燒技術相結合，降低氨不完全燃燒所產生的氮氧化物。該技術可用于工業應用或偏遠島嶼的發電站，日本計劃于2025年實現商業化應用。2021年6月，美國GE發電公司也宣布與日本石川島株式會社IHI簽署諒解備忘錄，共同制定氨燃氣輪機路線圖。

2）氨燃料動力船

2020年10月，我國江南造船集團研發的氨燃料動力超大型液化氣體運輸船獲得英國勞氏船級社頒發的原則性認可證書。2021年3月，江南造船集團研發的氨燃料動力40 000 m3中型液化氣體運輸船再次獲得英國勞氏船級社頒發的原則性認可證書，有效證明了氨作為航運燃料的可行性，是航運界使用替代燃料向零碳排放推進的一個重要里程碑[19]。

韓國造船企業同樣致力于研發氨燃料推進船舶，搶占綠色動力能源技術制高點。2020年7月，現代尾浦造船設計的載重量50 000 t氨動力中程成品油船獲得了英國勞氏船級社原則性認可證書，預計2025年實現商業化運營。2021年1月，韓國船級社發布關于氨燃料動力船舶的研究報告，闡述了氨的生產使用、經濟效益、處理設施的安全特點、氨燃料電池和內燃機等相關特性。

挪威、芬蘭等歐洲國家對于環保要求十分嚴苛，很多港口計劃施行“零排放”，也規劃在未來幾年內開始使用以氨燃料為動力的船舶。芬蘭船用發動機制造商瓦錫蘭、挪威海工船東Eidesvik以及挪威石油公司Equinor正在合作研發以氨燃料電池為動力、可完成遠距離航行的零排放大型船舶，預計最早將于2024年下水，屆時將成為首艘航行于公海的商業化氨動力船。

3）氨-氫運輸

氨不僅可以作為燃料提供動力，還可能成為未來氫氣大規模運輸的重要載體[20]。一方面，與氫氣相比，氨氣極易液化，液氨運輸難度大幅降低；另一方面，液氨儲氫中體積儲氫密度世液氫的1.7倍，同時也遠高于當前主流的高壓長管拖車儲運氫氣的方式。因此，可再生能源電解水制得“綠氫”后，再通過“氫-氨-氫”的化學儲氫方式運輸受到了業界的青睞。

基于氨-氫運輸方式，氨被認為是推動可再生能源出口的關鍵載體，在大型“綠氫”等出口項目領域優勢明顯，成為日本、澳大利亞、新加坡等國家積極布局的重要方向。2018年，澳大利亞可再生能源機構宣布投入2 000萬美元，用于支持可再生能源出口，其中就包括以氨為載體的可再生能源出口技術。日本經濟產業省發布的可再生能源路線圖顯示，到2030年后，日本每年可能會進口100億～200億美元的氫氣，也會催生大量的氨-氫運輸市場需求。

3.2 對我國的啟示

隨著化石能源的逐步替代，氨由于其運輸便利性或將成為全球能源貿易的重要組成部分。在世界各國積極研究布局“氨經濟”的同時，我國也應當積極研究氨基燃氣輪機、動力船舶、燃料電池及氨-氫運輸等新型技術，努力推動零碳能源-氨-氫融合發展的顛覆性技術創新。結合我國氫能產業發展，適時布局“綠氨”產業，推動氨燃料的試點示范及推廣應用。

當然，氨燃料是零碳替代能源的一種選擇，但也不是唯一解決方案。不論是將氫氣、氮氣合成氨氣還是將氨氣轉換為氫氣，都將有一定的能量損耗，氨燃料的大規模應用也還存在很大的挑戰。為實現碳中和目標，各領域需要根據實際用能需求和技術發展前景，多角度、多方向研發探索，最終選擇經濟可行的零碳脫碳技術路線。

4 結論

合成氨是傳統化工的重要產品之一，具有應用廣泛、技術成熟、產業完備的特點。在碳達峰、碳中和背景下，因零碳排放、儲運便利、熱效率高等優勢，氨燃料可成為替代化石能源的重要選擇，在發電、交通及儲氫方面都具有廣闊的應用前景。盡管氨作為替代能源還存在安全性、環保性及經濟性等方面的諸多挑戰，但是“綠氨”為實現零碳脫碳提供了新的路線，在全球各國布局“氨經濟”熱情高漲背景下，我國也應抓住能源低碳轉型發展的歷史機遇，積極開展摻氨/純氨燃燒、動力船舶等重點技術研發創新，引導適宜地區結合優勢產業布局“氨-氫”示范項目，統籌合成氨工業、可再生能源及氫能產業等融合發展，推動低碳氨燃料在電力、航海等難以減排領域的化石能源替代。