淺談可再生能源轉化為氨氫能源體系的耦合性

李志軍 劉京京 陳愛琴 薛曉金

上海舜華新能源系統有限公司

0 背景

經濟的高速發展，對化石能源消耗逐漸提高，而化石燃料對外依存度很高，這不僅嚴重威脅著我國的能源安全戰略，同時化石能源的消耗也給環境帶來了破壞。國務院印發《2030年前碳達峰行動方案》，明確要求到2025年，非化石能源消費比重達到20%左右，單位國內生產總值CO2排放比2020年下降18%；到2030年，非化石能源消費比重達到25%左右，單位國內生產總值CO2排放比2005年下降65%以上，重點實施能源綠色低碳轉型、交通運輸綠色低碳等行動。要大力發展新能源，到2030年，風電、太陽能發電總裝機容量達到12億kW以上，積極探索“新能源+儲能”等模式，順利實現2030年前碳達峰目標［1］。

可再生能源在解決當今全球社會問題面臨的能源成本、能源安全和氣候變化等一些關鍵性挑戰方面發揮著越來越重要的作用。近年來我國新能源發展迅速，已經走在世界前列，截至2020年，可再生能源發電裝機總規模達9．3億kW，其中風電、太陽能發電裝機和核電在建規模已居世界第一。可再生能源（如水電、風能、太陽能）由于存在間歇性，不能長時間持續、穩定地輸出電能等特點，導致了大量棄風、棄光、棄水現象發生，因此，尋找高效的、能量密度大的能源存儲介質是未來可再生能源系統行之有效的解決途徑。

1 可再生能源和氫儲能的耦合性

我國可再生能源總量雖豐富，但發電與負荷的地理分布不均，遠距離外送的技術制約，加上可再生能源發電所固有的隨機性、季節性和反調峰特性，進一步增加了可再生能源調峰難度，對其并網帶來了一定困難，導致棄風、棄水、棄光嚴重。2019年，我國棄風、棄水、棄光電力合計約720億kWh，其中棄風、棄光電量總和約為215億kWh［2］；2020年，我國棄風、棄光現象主要集中在“三北”地區，其中甘肅棄風率最高為13．8%，西藏棄光率最高為25．4%。因此，如何解決大規模可再生能源消納成為實現“雙碳”目標必須解決的問題［2］。

目前，國內外開展了多種儲能技術的研究與探索，常規的儲能技術有物理儲能、電化學儲能、化學儲能和熱儲能三大類。在物理儲能中，抽水蓄能與壓縮空氣儲能的儲能規模大、技術相對成熟，但二者占地空間大，均對選址有一定的要求。前者受水文、地質條件限制，后者則需要利用現有的礦井、洞穴。飛輪儲能具有響應速度快、壽命長等特點，但是其能量密度低、自放電率高、投資成本高。儲冷、儲熱等熱儲能技術由于熱（冷）能不易長時間存儲、不易長距離運輸等限制，多用于用戶側儲能，以便就近消納。電化學儲能技術是應用最為廣泛的儲能技術，具有容量大、成本低、模塊化等特點，其中以鋰離子電池為主，但是安全性、廢舊電池回收利用等問題是制約其發展的重要因素。超級電容、超導等電氣儲能則由于技術、容量等因素的限制，占比有限［3］。不同儲能技術對比和適用應用場景見表1所示。

目前最成熟的是通過電的形式儲存，但往往存在季節、容量、污染、二次回收等限制。但基于儲存容量、功率密度考慮，化學儲能是不受時長和地理位置限制的可用于大規模存儲條件的最靈活的儲能方法之一。在眾多不同類型的化學儲能介質中，氫能是一種理想的二次能源，與其他能源相比，熱值高，能量密度（140 MJ/kg）是固體燃料（50 MJ/kg）的兩倍多，且燃燒產物為水，是最環保的能源。既能以氣、液相的形式存儲在高壓罐中，也能以固相的形式儲存在儲氫材料中，如金屬氫化物、配位氫化物、多孔材料等，還能以化學物的形式儲存在有機物或無機物中，如液氨、甲醇等。因此，氫能被認為是最有希望取代傳統化石燃料的能源載體［4］。國內外也開展了大量的儲氫材料、液氫、天然氣摻氫等技術研究，目前國際上提出以氨為氫載體的“氨氫能源體系”用于解決儲能問題，也能很好與可再生能源就近融合。

表1 不同儲能技術的比較

2 氨-氫體系的耦合性

氫儲能技術是通過電解水制氫，將電能轉化為氫能儲存起來的儲能方式，包括電解水制氫、儲氫兩個環節。根據氫的物理特性與儲存行為特點，可將各類儲氫方式分為：壓縮氣態儲氫、低溫液態儲氫、液氨/甲醇儲氫、吸附儲氫（氫化物/液體有機氫載體（LOHC））等。不同儲氫技術路線對比見表2所示。

現階段，我國普遍采用20 MPa氣態高壓儲氫與集束管車運輸的方式，但體積儲氫密度低、容器耐壓要求高，不能滿足大規模用氫。低溫液態儲氫受制于液化過程的能耗較大，液化過程的成本占到整個液氫儲運環節的90%以上，國內的應用基本僅限于航空領域，民用領域尚未得到規模推廣。吸附儲氫是利用金屬合金、碳質材料等對氫的吸附儲氫和釋放的可逆反應實現，受制于價格昂貴、壽命短或儲存、釋放苛刻條件等問題，大多數處于研發階段。液氨/甲醇的儲氫密度高、安全性較好、儲運方便、技術成熟，同時也是相對廉價的零碳燃料，更加契合大規模氫氣儲運。

氨具有高儲氫密度(17．6%，質量分數)、運輸便利、無碳等優點，在室溫（298 K）和較低壓力（1～2 MPa）下就能實現液化儲運，與甲醇儲氫（12．5%，質量分數）、金屬儲氫等途徑相比具有很大潛力，無疑是一種可靠的化學儲氫介質［5］。盡管氨具有一定毒性，但在安全濃度水平（25 ppm，即25 cm3NH3/m3Air）之下，即可檢測到氨的氣味。氨的燃爆范圍相對較窄（16%～25%），遠小于H2的燃爆范圍（4%～75%），因此泄漏后幾乎不存在可燃風險［6-7］。通過氫與氮氣合成液氨技術成熟，每噸液氨含氫達到180 kg，而且氨運輸體系成熟，與傳統的碳氫燃料結合使用（例如海洋運輸）來降低排放。氨作為儲氫介質，由于地區之間制氫成本差異很大，因此氫氣的長途運輸和國際貿易可能會很有吸引力，且國際海事組織禁止純氫運輸。對于像日本或韓國這樣的國家來說尤其如此，這些國家預計會有大量的氫氣需求，通過“氨氫能源體系”建立國際能源貿易新體系。

表2 不同儲氫技術的比較

氨分解法制氫則以氫氣純度高、占地小、操作簡單、投資少、成本低、無副產物等優點受到人們的普遍關注，特別是對需要氫氮混合氣或對氫、氮氣不需要分離時，更顯其優越性。氨裂解制取的氫氮混合氣在冶金、化工、電子等行業被廣泛用作還原氣或保護氣。氨分解變壓吸附制氫因其投資成本低、原料采購運輸較容易、氫氣純度高，在中小企業得到廣泛應用，特別在日加注1 000 kg加氫站更加具有商業價值，氨裂解制氫規模500 Nm3/h就滿足加氫要求，設備投資在350萬～400萬元，低于同樣規模的電解水制氫系統設備（需要投資500萬元以上）。同時在電以0．8元/kWh計，每方氫氣需0．8 kg液氨，耗電量為2 kWh，成本約4．2元。電解水成本計算為：每方氫氣需1 kg純水，耗電量為5．5 kWh，成本約5元，故也有運營成本優勢。因此以氨儲氫、供氫、代氫是氫能的發展趨勢之一，分布式氨分解制氫技術與灌裝母站集成被科技部立項為2022年度“氫能技術”重點專項。

3 可再生能源與氨氫能源體系的耦合性

全球每年總共需要約4×109t氫氣應用于氨的生產、有機物的加氫、石油精煉、金屬冶煉、電子制造、產生高溫火焰以及冷卻熱發電機等方面，其中合成氨需要氫氣占到1%以上。合成氨工業在我國國民經濟中占有非常重要的地位，氨不僅是生產硫酸銨、硝酸銨、氯化銨和尿素等化學肥料的主要原料，也是冶金、醫藥、有機合成、石油化工等工業領域中必不可少的重要原料。目前全球產能超過1．8億t/a（3%年增長），仍然以煤或天然氣為氨的主要原料，每生產1 t氨會排放約2．5 tCO2。我國作為世界上最大的氨生產國（36．7%）和消費國，2019年的產能為6 620萬t，其中無煙煤、非無煙煤占比高達74%，天然氣占比21%，焦爐煤氣占比5%，故合成氨產業折算每年CO2排放量達到16 550萬t。合理利用可再生資源，特別是“棄水、棄風、棄光”資源，經過可再生能源-氫-氨耦合生產液氨，可再生能源與氨氫能源體系路線圖如圖1所示。與傳統的碳能源體系相比既可以減少碳排放，也可以消耗富余能源，讓資源均衡利用，具有良好的環保效應；同時部分液氨可直接銷售，有良好經濟效益；也能作為氫的載體，解決氫能產業對氫源的需求。按棄風、棄水、棄光電力合計約720億kWh，我國棄掉的可再生能源電力電解水制氫的潛力約為128．2萬t/a，其中棄風、棄光電力電解水制氫潛力約為38．3萬t/a。如果把棄掉的可再生能源轉化成“綠氨”儲存或利用，可以合成“綠氨”近600萬t，能解決1 500萬tCO2排放，使我國碳排放降低0．2%左右。

圖1 可再生能源-氨氫能源路徑

可再生能源耦合轉換成“綠氨”能源系統由水力發電系統或風力發電系統或太陽能發電系統、電解水制氫裝置、氫能儲存、變壓吸附空分氮裝置、合成氨系統和氨裂解制氫組成，這個過程核心是可再生能源耦合發電制氫技術。技術路線圖如圖2所示。近年來，國內學者開始針對風光互補耦合發電制氫技術展開了研究，并開始探索更多可再生能源實現多能耦合制氫系統的可行性［2］。2019年，陳建明等人分析了應用氫儲能技術來解決能源發展中棄風棄光問題的可行性，提出可再生能源制氫儲能技術可最大程度避免能源浪費，風光互補制氫系統技術領域的相關研究對我國能源清潔化轉型及脫碳減排進程具有極大促進作用［8-9］。眾多研究案例表明，在發電機組容量相同時，風、光或水互補發電制氫儲能系統相較于單一可再生能源可以獲得比較穩定的輸出，系統有較高的穩定性和可靠性，同時可大大減少儲能蓄電池的容量，很少或基本不用啟動備用電源如柴油發電機組等，可獲得較好的社會效益和經濟效益，符合脫碳減排理念。因此，建立氨氫能源體系是實現多種可再生能源相互耦合的重要手段。

圖2 可再生能源—氨氫能源體系

近年來，能源資本開始大舉進入“綠氨”行業。2020年，世界上最大的化肥生產商之一CF工業公司宣布將把路易斯安那州Donaldsonville的工廠部分裝置改造為“綠氨”，計劃年生產2萬t。2021年，全球最大氨生產商挪威Yara國際公司與挪威可再生能源巨頭Statkraft及可再生能源投資公司Aker Horizons宣布在挪威建立歐洲第一個大規模的“綠氨”項目。日本也高度重視氨燃料產業鏈布局，規劃到2030年，日本的發電用燃料中氫和氨將各占到10%，到2050年，將在全球建成1億t規模的氨供應鏈網絡。而我國四川省涼山州雷波縣擬建30萬t/a可再生能源制氫合成氨項目，建立“西氫東送”的高地。

4 總結

氫能是當下被高度關注的清潔能源，是解決“棄水棄風棄光”問題的有效方式之一，但氫氣儲運仍面臨諸多挑戰。“綠氨”既可以作為儲氫介質，同時也是相對廉價的零碳燃料，能量密度高，是液氫的1．5倍，同時易液化、易運輸，且合成工藝成熟，因此以氨儲氫、供氫、代氫是氫能的發展趨勢之一。

建立多能互補可再生能源合成氨氫系統，是以清潔且資源量豐富的可再生能源為動力進行氨的合成，不僅解決了傳統合成氨工業高能耗、高排放的問題，同時通過氨的運輸網絡，采用分布式供氫或點供，能解決氫能社會的氫能源供應體系，真正建立可再生能源儲存體系，促進能源轉型進程。