氨氫聯動促進氫能源的發展

鄧俊彥

關鍵詞： 綠色能源 氨 儲存 氫能源 綠色碳循環

中圖分類號： TE09 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2024）01-0158-04

“碳達峰、碳中和”的綠色、可持續發展目標使得綠色能源的開發變得越來越重要。目前，氫能由于其低碳、儲量豐富、獲取方便及有利于人類社會的可持續發展，越來越受到重視。與鋰電池相比，氫能的使用無須金屬鋰、鈷、鎳。這些物質在生產、使用及回收的過程中，會對環境產生污染，難以實現完全的綠色制造和使用，其生命過程并不是“低碳”的。同時，這些金屬在地球上的儲量并不是無限的，隨著使用量的加大，會漸漸成為稀缺資源，而氫能在自然界儲量極為豐富，完全可以滿足人類的需求。氫的制造可以采用太陽能、風能等清潔能源。氫的反應物是水，不會產生其他污染物，可以形成一個完整的綠色無碳循環圈。

新能源只有具備更高的能量密度，才能在與傳統能源和其他新能源的競爭中獲勝，氫的質量發熱值是常規燃料中最高的，其熱值達到142 kJ/g［1］，是汽油的3倍，煤炭的5 倍，也遠高于鋰電池的能量密度。這一特性是實現經濟綠色、可持續發展的重要因素之一。

1 氫能大規模應用面臨的主要問題

隨著氫能大規模實際應用和氫能產業的推廣，燃料電池技術和氫氣儲運技術是必須解決的難題。氫能雖然具有較高的質量能量密度，但其非常低的體積能量密度帶來了存儲、運輸等方面的很多問題，是氫能產業發展遇到的主要障礙。

常壓下的氣態氫能量密度為3 kWh/m?，70 MPa下的壓縮氫氣的能量密度為1 200 kWh/m?，液態氫的能量密度則增加到2 400 kWh/m?，汽油的能量密度為9 000 kWh/m?。氫的液化溫度極低，其臨界溫度為-239.9 ℃，達到這種低溫意味液化氫氣的成本極高，不具備經濟效益。導致氫氣目前只能依賴高壓氣體鋼瓶這種相對低效的方式運輸，成本居高不下。同時，氫原子半徑非常小，分子穿透力極強，易發生泄漏；而且其對金屬物質還有一定的腐蝕性，使管道材料韌性下降，導致開裂或斷裂，即“氫脆”。氫氣易燃易爆，是一種非常危險的物質。因此，如何實現氫氣安全、經濟的儲運，是氫能源產業發展的關鍵。

目前，氫氣的儲存有固態儲氫、液態儲氫和氣態儲氫3 種方式［2］，但這3 種方式各有優缺點，且現在的技術并非完全成熟。因此，需尋找氫載體。這種載體需具有制備簡單、低碳排放生產、低污染、易儲易運輸、氫含量較高等特點。目前，有機液態儲氫是潛在有效的儲氫載體。

有機液態儲氫是在催化劑作用下，將氫氣與烯烴、炔烴或芳香烴等特定有機不飽和化合物（儲油）發生可逆化學反應生成氫油，氫油通過催化反應釋放出氫氣，實現有機液體儲氫和氫的釋放［3］。在常溫常壓下，儲油和氫油均為液態，可以像汽柴油一樣儲運，儲油還可以循環使用。

但是，儲油儲氫也面臨許多需要解決的問題，如需要配備相應的氫油制備設備、制氫設備和氫氣凈化設備，這些會產生額外的成本。氫油制氫反應會發生其他反應，無法獲得高純度氫氣，而且氫油制氫是在較高的溫度溫下進行，催化劑會由于高溫結焦而失去活性。這些儲氫介質理論質量儲氫量均不及液氨，具體情況如表1 所示。

常溫常壓下氨為氣態，在標準大氣壓下的-33 ℃，或者常溫在1 MP 高壓情況下，氨以液態形式存在，氨氣在空氣中不會發生化學反應，安全性高。除車載船運外，液氨還可利用管道輸送。在標準大氣壓下，如果直接運輸液氫，需要將氫的溫度降到-253 ℃左右，顯然，液氨運輸相對更容易。而且，液氨在0.1 MPa 和-33 °C 時，它的密度約為120 kg/m?；液氫在0.1 MPa 和-253 °C 時，其密度約為70 kg/m?，液氨單位體積的儲氫密度達到了液氫的1.7 倍，遠高于當前主流的高壓儲運氫氣方式。

氨作為產量最大的無機化工產品之一，2021 年全球氨總產量約為1.9 億t，單位質量儲氫量高，非常適合用于H2載體。氨還具有運輸儲存設施完善、制造工藝成熟、可直接燃燒等優點。氨除了可以分解為氫氣，還能用作燃氣輪機中的燃料，且不產生CO₂，是目前大型發電的研究熱點方向之一。

綠氨是氫能大規模應用的發展方向之一，電解水制綠氫，綠氫和氮氣催化合成綠氨。一方面，綠氨可以作為綠氫儲運的載體，解決氫儲運難題，降低儲運成本；另一方面，綠氨也可以直接應用于燃料電池或者作為燃料燃燒。2022 年8 月，工信部發布的《工業領域碳達峰實施方案》提出氨燃料概念。目前，國內外都在積極探索氨燃燒發電、氨燃料船舶、氨燃料電池等技術。

氨既是氫能載體，也是零碳燃料，對實現“雙碳”目標將具有重要意義。作為零碳燃料和氫能載體，氨在構建“氫能社會”方面有望發揮重要作用，國際社會對這一觀點逐漸達成共識。

2 氨的綠色制造、綠色制氫

2.1 氨的綠色制造

目前，氨合成存在高耗能、高碳排放等問題。合成氨主要原料有天然氣、石腦油、重質油和煤等，同時，在生產過程中，還需要大量的能源在高溫高壓下與空氣發生反應生成氨。這一方法不僅會排放大量的二氧化碳和其他有害廢氣，還需要大量的能源供應，對環境和資源造成嚴重危害。統計顯示，煤制氨、天然氣制氨的噸產品碳排放量分別約為4.2 t、2.04 t，節能降碳潛力巨大。

氨的生產主要依賴水、空氣以及電力，在理論上存在清潔的制備方式，即有可能大規模制備無碳排放的“綠氨”。

短時間來看，綠氨還存在經濟、應用等方面的挑戰，但在全球氨能經濟體系建設下和可再生能源發展下，未來將逐步具有競爭力。

理想中最為清潔的綠氨生產模式，是將制氫、氨合成與清潔能源整合，通過清潔能源，如風電、光電或其他形式的綠電電解水制氫，再將綠氫與空氣中的氮氣反應，在這一過程中使用清潔能源生產氨氣。這樣，就有可能實現全流程的無碳排放生產氨。光伏發電、風電和水電等可再生能源存在間歇性、波動性和季節性等缺點，能源儲存是當前面臨的問題，發展可再生清潔能源制氫和合成氨技術，可實現清潔能源電力的“轉化和儲存”，并與氨下游產業相結合。

2.2 綠色制氫

在制氫方面，氨具有一定的優勢。氨分解制氫是一種分解反應，其工藝是在催化劑作用下，將氨加熱至800～850 ℃，在高溫下，氨發生分解，獲得含75%H2的氫氮混合氣體。這種氣體價格低廉、安全性好、工藝簡單、產物雜質少［4］。氨的理論質量儲氫量是17.6%［5］，高于11.1%的電解水、12%甲醇—水蒸氣重整等制氫體系。

氨分解制氫工藝簡單，其工藝特點如下。

（1）在催化劑作用下，在800～850℃，氨易分解，其分解度可超過99%。

（2）氨分解制氫設備投入少，主要設備是氨容器、加熱裝置、氣體純化器，不涉及重大設備投資。

（3）氨分解原料——液氨，容易制備，價格低廉，在制氫的過程中，原料的消耗也比較少。

（4）氣體精制容易。液氨的純度是很高的，其中揮發性雜質極少，只有少量的惰性氣體和水分。同時，氨在分解時，沒有副反應發生，只要去除少量水分，氨分解后的氣體就可以有效地進行精制，且容易制得高純度的氫。

3 “ 氨-氫”能源綠色循環經濟路線

3.1 “ 零碳”能源路線

氨的制造和運輸有成熟的標準規范和工藝體系，具有低成本合成、存儲和運輸的特點，可實現“無碳化”、遠距離輸送，且具有成本優勢。與目前主要研究的各種液體儲氫載體技術相比，如甲醇、液氫、有機液態儲氫，其成本相對更低，可有效地實現無碳儲能。

氨的火災危險性僅為乙類，較氫氣而言，它的爆炸極限更安全，同時，氨的刺激性氣味是可靠的警報信號，具有較高的安全性。

由于光電、風電和水電等可再生能源，受自然條件的影響，具有天然的不穩定性，這就導致能源輸出的波動性，出現大量棄光、棄風和棄水現象。國家能源局數據顯示，2021年1—9月，全國棄水電量約153.9億kWh、棄風電量約147.8億kWh、棄光電量約50.2億kWh。

發展可再生能源，如風能、太陽能，制氫耦合合成氨技術，可有效避免這些能源的不穩定性，完成自我消納和調峰。“風能、太陽能—氨—氫”的“零碳排放”清潔能源路線圖見圖1，實現用戶終端“氨變電”。

在這個循環系統中，風能、太陽能、水能發電，將過剩的電能制氫，部分氫氣可儲存起來，以備“低谷”時發電，同時也可制成氨，氨作為儲氫介質運輸到制氫現場，氫氣可以發電，也可以作為車用燃料加注，最終形成了綠色制氨—綠色制氫—氫燃料電池發電的綠色能源使用循環圈。在這個能源系統中，完全實現了清潔能源的閉環制造、運輸、使用，消除了目前風能、光能的不穩定性，有效地提高了這些清潔、可再生能源的利用率。

3.2 實現該能源循環路線，需解決的問題

3.2.1 高效電解水制氫工藝

當前，電解水制氫技術包括堿性電解水制氫、質子交換膜電解水制氫及固體氧化物電解水制氫三大類［6］。堿性電解水制氫成熟度高，是目前應用最廣泛的制氫路線，有待解決以膜、催化劑和電極為核心的材料及制備問題，以提高制氫的效率和降低成本。

3.2.2 高效、安全的低溫低壓合成氨

合成氨制造工藝需要使用催化劑，來降低反應的溫度和提高合成的速度。合成氨工業中普遍使用的主要是以鐵為主體的鐵觸媒催化劑，鐵觸媒在500 ℃左右時的活性最大，因此，合成氨的溫度一般在500 ℃左右，設備需要在高溫下工作。為了在更低的溫度和壓力下高效地合成氨，需開發新的催化劑。

3.2.3 低溫氨分解工藝及設備

這需要開發新工藝、新設備，降低氨分解制氫的溫度，提高生產效率。

3.2.4 系統集成

由于風能、太陽能的不穩定性，“間歇性能源制氫系統”與“低溫低壓合成氨系統”的匹配與控制，保證了整個系統高效運行。

3.2.5 氫燃料電池系統的能效、可靠性

氨是“零碳物質”，是替代“碳燃料”的有力競爭者，將氨直接作為燃料，也是研究的課題之一。氨可以直接應用在燃氣輪機，但由于研究的時間較短，目前，氨燃氣輪機的能量轉換效率不高，與天然氣汽輪機相比，其效率差距較大［7］。如果技術不過關，還會產生氮氧化物，危害環境。隨著研究的深入，氨燃氣輪機性能不斷提高，把氨作為燃氣輪機的燃料發電，可以實現碳零排放以及能源結構的全面轉變。

4 結語

（1）氫能具有低碳、儲量大、環保等特點，符合人類可持續發展的要求，是理想的終極能源；但氫的運輸制約了它的應用，安全、高效、經濟的運輸方式，是解決這一問題的關鍵。

（2）氨理論質量儲氫量較高，易于制造、運輸，安全環保，是理想的儲氫介質，能有效解決風、水、光等清潔能源的不穩定性。

（3）綠氨技術的核心是零碳排放合成氨、氨制氫，綠氨、綠氫可以廣泛應用于能源、工業等多個領域。隨著零碳排放氨合成技術和制氫技術的實現，綠色、低碳經濟可望得到迅速發展。

（4）發展氨為儲氫介質，可貫通可再生能源、氫能和傳統產業，開發出一條符合我國能源結構特點的“清潔高效氨合成—安全低成本儲運氨—無碳高效氨氫利用”的全鏈條“氨—氫”綠色碳循環經濟路線，對保障國家能源環保安全和社會經濟可持續發展具有重要意義。