可再生氫氨醇交通動力產業技術進展綜述

摘 要：在“雙碳”目標和能源危機的共同作用下，交通動力的綠色轉型受到了越來越多的關注，其中的重點轉型領域為重型貨車、水路交通和航空交通，重點替代燃料為可再生氫、氨、甲醇（下文簡稱為“可再生氫氨醇”）。在權威定義的基礎上，定義了可再生氫氨醇，然后從燃料制備技術、儲運及加注、動力技術及載運裝備，以及運營方式4方面梳理總結了可再生氫氨醇交通動力全產業鏈的技術進展和應用現狀。綜述結果表明：可再生甲醇作為替代燃料的產業技術基礎最優，但是存在可再生碳源規模和成本的挑戰；可再生氫作為替代燃料正在商業化示范驗證階段，由于其物性和汽油、柴油差異最大，產業技術基礎最為薄弱，但在重型貨車的燃料替代上有一定潛力；可再生氨作為替代燃料還處于商業化早期階段，加注、動力系統、載運裝備等均需要不同程度的改進優化，但在遠洋航運的燃料替代具有潛在優勢。

關鍵詞：可再生氫；可再生氨；可再生甲醇；交通動力；替代燃料

中圖分類號：TK91 文獻標志碼：A

0 "引言

近年來，全球石油、天然氣和煤炭價格大幅波動，能源危機已對中國能源安全形勢造成了影響[1]。中國石油消費總量位居世界第2，對外依存度超過70%；天然氣消費總量位居世界第3，對外依存度約為45%。其中，石油消費主要集中在交通系統，因此交通系統要實現能源安全與綠色低碳轉型必須充分利用風能、太陽能等可再生能源[2]。

在中國公路交通的能源消耗中，汽車占主體地位；其中，乘用車汽油消耗量占年汽油消耗總量的94%以上，重型貨車的柴油消耗總量占年柴油總消耗量的40%左右。汽車領域實現碳中和的路徑包括純電動汽車配合零碳電力，以及帶高效內燃機的混合動力配合碳中和燃料的組合路徑[3]。目前，乘用車電動化轉型趨勢已經十分明顯，重型貨車的清潔轉型則至關重要[4]。

中國水路交通的碳排放量占交通系統總碳排放量的6.47%[5]。船舶動力的轉型路線呈現多樣化特點，具體表現為：內河和沿海船舶從柴油過渡到柴（氣）電混合動力船，再過渡到純電動船；國際航運仍以內燃機為主動力，燃料從重油過渡到氨、氫燃料[6]。

中國民航交通的碳排放量占交通系統總碳排放量的6.09%[5]，目前已形成了短期應用可持續航油（SAF）降低碳排放量，遠期采用氫渦輪發動機降低碳排放量的發展戰略。對于支線飛機和窄體干線飛機，中期（2035年）考慮油電混動作為脫碳動力選擇[7]。SAF是目前公認的航空碳減排手段，其需要重點發展不受生物質原材料限制，并且可結合風電、光伏發電成本下降的技術路徑，包括費托合成制SAF、醇制油，以及CO2綠氫直接合成SAF等[8]。

水路交通、民航交通和公路交通中，重型貨車的石油消耗量占消耗總量的50%以上，難以直接電動化。中國動力系統的能源轉型聚焦基于可再生能源的氫、氨和甲醇（本文簡稱為“可再生氫氨醇”）的動力應用，交通系統的能源轉型需要燃料制備技術、儲運及加注、動力技術及載運裝備，以及運營方式4部分的技術進步和產業發展的支撐[9]。其于此，本文將從上述4方面對可再生氫氨醇交通動力產業技術進展進行綜述。

1 "可再生氫

綠氫被認為是全球能源系統深度脫碳的重要能源載體。通過調研美國[10]、日本[11]、歐盟[12]、中國[13]和國際可再生能源（IRENA）[14]的相關定義，可以得出綠氫的定義和認證的核心標準為：基于可再生能源生產，且給定生命周期內碳排放量不超過某一限值。本文將基于風能、太陽能等可再生能源電解水制取、碳排放量不超過3.4 kg CO2eq/kg H2的氫稱為“可再生氫”。生物質法、光解法、熱化學法、高溫分解法等低碳氫技術成熟度較低，產業化尚需較長時間，本文不予討論。

1.1 "可再生氫制備技術

水電解法是當前技術成熟度最高的可再生氫生產方式，其是利用電流將水分解成氫氣和氧氣[15]，主要技術路線包括堿性電解（ALK）、質子交換膜（PEM）電解、固體氧化物電解（SOE）和陰離子交換膜（AEM）電解，各技術路線的技術指標對比如表1[16-17]所示。

ALK技術成熟、成本低，已被大規模應用；PEM電解的電流密度高、動態性能良好、氣體純度高，但成本高昂；SOE有望實現高能量轉換效率，但高溫耐久性問題尚未解決；AEM電解尚處于研發階段[18]。

基于風電、光伏發電的規?；娊庵茪涔S的研究重點為：1）含公輔系統的多機集群系統配置和控制優化；2）并網、強聯網、弱聯網和離網等電網連接方式下的系統拓撲、運行控制和故障處理等；3）可再生氫生產全過程碳計量溯源和全球通用的認證標準建設。

1.2 "可再生氫儲運技術

可再生氫的儲運技術主要包括氣態氫、液態氫和載體儲運。

氣態氫通過高壓存儲到專用容器中，以長管拖車公路運輸和管道運輸為主，分別適用于小規模、短距離和大規模、長距離運輸[19]。高溫高壓氣態氫應選用不易發生氫脆的材料儲存[20]。

液態氫儲運過程中液化成本超過總成本的一半，只適合鐵路或船舶等小規模、長距離運輸[21]。

載體儲運包括固態儲運和化合物態儲運。固態儲運以金屬吸附或金屬氫化物為主，其優點為儲氫體積能量密度高、安全、無污染、可重復利用[22]，適合于潛艇、船舶等需要配重且對質量不敏感的大型器械運輸?；衔飸B儲運包括液氨、甲醇和有機化合物（LOHC），其中：液氨具有腐蝕性、強烈氣味、毒性、易揮發，不適合直接用于燃料電池，但可在加氫站內裂解產氫[23]；甲醇常溫下為液態，液氨和甲醇的日損耗率均遠小于液態氫[24]；LOHC在加氫、脫氫過程的成本和環境友好性方面仍需改進[25]。

高溫高壓氣態儲運是目前主要儲運技術，管道運輸是未來發展趨勢；液態氫因成本問題很難形成競爭優勢；液氨和甲醇在技術成熟度、產業鏈完整度和能耗等方面有優勢，有望成為載體儲運的重要路徑[26]，LOHC可用于大宗運輸和長時間儲能[27]，而固態儲運仍需技術進步和實踐驗證。

1.3 "可再生氫動力技術

可再生氫作為動力源主要有直接燃燒和氫燃料電池兩種方式。

直接燃燒應用主要包括氫內燃機、柴油機混燃、燃氣輪機單/混用[28]，其中，氫內燃機的研究集中在提高效率、減少排放和優化發動機設計方面[29]。

氫燃料電池在交通各領域均有應用。在公路交通領域，截至2023年，全球氫燃料電池汽車超5萬輛[30]，日本、韓國聚焦于乘用車，中國則側重于商用車，特別是重型貨車。氫燃料電池的主要挑戰為動態工況下的能量轉換效率和電堆使用壽命[31]，當前研究熱點包括：鋰離子電池或超級電容的能量控制策略、高性能直流-直流轉換器[32]、冷卻優化及余熱利用[33]等。目前，國內外均有氫燃料電池鐵路應用的案例，中國在鐵路電氣化轉型為主的前提下，可將氫燃料電池火車作為軌道交通檢修和應急車輛，或應用于其他電氣化成本高、環境限制的場景。在水路交通領域，氫燃料電池主要應用于湖泊、內河、近海等場景的小排水量船舶，以示范為主[34]。在民航交通領域，氫燃料電池應用尚處于早期探索階段，主要應用于小型無人機和短途飛行[35]。

總體而言，鑒于內燃機卡諾循環效率限制及高溫氫脆影響，純氫內燃機的發展前景遜于氫燃料電池。中國氫燃料電池動力應用以可再生能源豐富且電網薄弱區域的重載物流場景為主。載運裝備尤其是航空器等，對動力系統的體積和質量非常敏感，液氫儲氫系統的體積能量密度約為航油和柴油儲存系統的1/6，因此，液氫儲氫可應用于飛機和船舶等載運裝備。

1.4 "可再生氫應用示范

可再生氫的制備、儲運、應用環節均有諸多典型示范案例。

在規?；稍偕鷼渲苽浞矫妫袊陆畮燔嚲G氫示范項目、內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗納日松光伏制氫產業示范項目、內蒙古華電包頭市達茂旗20萬kW新能源制氫工程示范項目等已先后完工投產；吉林省大安風光制綠氫合成氨一體化示范項目和遼寧華電調兵山離網風電制氫耦合綠色氨醇一體化示范項目處于建設中；中國華能集團有限公司和清華大學[36]分別建成了以裝備性能驗證為主的分布式可再生能源離網制氫示范項目。

在儲運方面，截至2023年，中國累計建成407座加氫站，主要采用高壓氣態氫儲運技術。另外，北京市的首座商用液氫加氫站已于大興區開工；廣州市小虎島電氫智慧能源站采用金屬儲氫、加氫技術，已試運行成功；中國石油化工集團有限公司擬建近400 km烏蘭察布—燕山石化的輸氫管道；中國石油天然氣集團有限公司在烏海擬建500 km輸氫管道。

在應用方面，截至2024年4月，中國氫燃料電池車保有量已達2.2萬輛；三峽“氫舟1號”氫燃料電池船已完成試航；搭載氫燃料電池發動機的中車長客氫能源市域列車已完成了時速160 km的滿載運行試驗。

1.5 "小結

在可再生氫的制備方面，電解槽裝備雖有一定的產業技術基礎，但規模化制備仍存在許多技術問題；在儲運、加注方面，應用于公路交通的高壓氣態儲運加注體系發展迅速，其他氫儲運體系均處在試驗階段，中短期內可關注以液氨和甲醇作為載體的儲運技術；在動力技術方面，氫動力技術路線以氫燃料電池為主，重點應用領域為可再生能源豐富且電網薄弱地區的重載物流；在載運裝備和運營方面，由于氫的氣態特性，應用氫動力的載運裝備、儲運加注基礎設施、運營模式均與現有的汽柴油動力應用體系差異較大，建設和改造成本巨大。

2 "可再生氨

全球對綠氨的定義和標準尚未統一。歐盟將基于綠氫生產的液態燃料定義為非生物來源的可再生燃料[37]；國際綠氫組織規定，綠氨應由綠氫制成，且碳排放量不超過0.3 kg CO2eq/kg NH3[38]；IRENA指出，綠氨需使用可再生能源電力生產的氫氣和氮氣，所有原料和能源必須來自可再生資源，但未設定具體的碳排放標準[39]；中國尚無官方機構對可再生氨給出定義。

本文將可再生氨定義為：以可再生能源電力生產的氫氣和氮氣為原料，電解-哈伯法為生產工藝，且合成氨環節的碳排放量不超過0.3 kg CO2eq/kg NH3。可再生氨制備技術路線示意圖如圖1所示，電化學氨合成技術、光催化、光電化學、等離子還原合成氨等制備技術路線的技術成熟度還很低[40]，本文不予討論。

2.1 "可再生氨制備技術

目前，哈伯法已非常成熟，但制備時的高溫（450～600 ℃）、高壓（10～25 MPa）會導致較大的能耗量[41]，小型化和模塊化是其發展趨勢。哈伯法制備可再生氨的研究重點為：1）解決可再生能源波動、間歇和隨機性與合成氨工藝連續性要求的矛盾[42]；2）改進催化劑降低反應溫度和壓力，提高能效[43]；3）優化熱能回收利用，保持生產的持續性和穩定性[44]；4）固態氧化物電解槽與哈伯法的耦合[45]。

規?；苽淇稍偕钡墓S選址較難，以產能為10萬t/年的可再生氨工廠為例，需建設至少650 MW的光伏電站（年等效發電小時數為1700 h）。丹麥托普索公司研發了1種預制、可卡車運輸的可再生氨制備裝置——ModulLiteTM，產能為600 t/天。

2.2 "可再生氨儲運技術

在儲存方面，中國目前已實現常壓、-33 ℃下的工業化規模液氨存儲，體積能量密度是液氫的1.4倍。

在運輸方面，中國約90%的可再生氨可本地消納，其余通過汽車、管道、鐵路和船舶運輸，運輸技術成熟。汽車運輸的靈活性高，但需嚴格控制罐車的溫度和壓力，且運輸成本和安全風險較高，適用于較小規模、中短距離運輸。管道運輸的效率高、連續性強，但其初始投資大，適用于大規模、長期、連續運輸，典型運輸距離為1～12 km[39]。該方式廣泛應用于工業，比如：墨西哥灣和美國中西部通過管道連接了1萬多個氨儲存點[46]。鐵路運輸適用于中等規模、長距離運輸，比如：西歐每年會通過鐵路運輸超過150萬t的液氨[39]。

可再生氨的加注可通過碼頭、卡車和加注船進行。全球有120個港口具備氨進出口基礎設施[39]，大多數標準管道的材料可與氨兼容，僅銅、鈦、氟橡膠和天然橡膠等材料的管道會發生嚴重腐蝕[47]。液氨加注時需設計惰化防爆系統，并配合惰氣置換、揮發氨氣捕捉和收集處理技術[48]。

綜上，可再生氨易液化、能量密度高，現有儲運體系成熟；加注安全防護有一定的產業技術基礎，具備應用推廣的條件。

2.3 "可再生氨動力技術

可再生氨動力技術的動力應用主要為通過直接燃燒作為重型貨車和船舶內燃機的燃料。

可再生氨動力技術的重點研究方向包括氮氧化物（NOx）生成控制[49]、抗腐蝕材料和混氨燃料的燃燒優化[50]。相較于汽/柴油內燃機，氨燃料內燃機的改進工作量大，具體為：1）純氨極難點燃，氨燃料內燃機需配置高壓縮比的專用點火系統和引燃燃料；2）氨具有腐蝕性，需配置全新的耐腐蝕供給及噴射系統，包括氨泵、氨噴射器、管路、連接件和控制設備，以及強制通風、應急抽氣等防護裝置；3）重型貨車采用的氨燃料內燃機通常為雙燃料系統，需開發車載氨裂解器、專用噴射器、后處理系統等[51]。

水路交通領域，因現有的氨供應鏈和基礎設施已較為完善，氨燃料發動機適用于大型遠洋船舶。同時，船舶搭載氨裂解氫裝置混合少量氫的氨燃料內燃機是航運脫碳的重要技術路線[47，52]。

總體來說，可再生氨動力技術尚未大規模商業化推廣。雙燃料系統的復雜結構增加了重型貨車空間布置的難度和改造成本；而遠洋船舶的設備安裝空間相對充裕，船體結構的改造難度較低，發展潛力更好。

2.4 "可再生氨應用示范

芬蘭瓦錫蘭集團（W?rtsil?）的W25氨燃料發動機已投入商用，德國曼恩能源公司于2024年推出商用氨燃料發動機；韓國現代重工業株式會社，中國的江南造船（集團）有限責任公司、中船動力（集團）有限公司等聯合研發的氨燃料系統獲得船級社海工裝備設計認可服務證書[48]。另外，美國和中國船級社均發布了《船舶應用氨燃料指南》。

2.5 "小結

可再生氨制備技術以工程示范為主，仍需進一步優化工藝、裝備和控制系統，小規模、模塊化的生產方式是未來趨勢。在儲運加注方面，氨儲運產業技術成熟，若作為替代燃料，可充分利用現有的儲運基礎設施；氨加注體系還需進一步研究。在動力技術方面，氨燃料內燃機技術可行性高，但需進一步優化燃燒/混燃特性，解決氨腐蝕性和NOx排放等問題。在動力應用方面，遠洋船舶空間充裕，采用氨燃料改造難度較低，正在逐步商業化應用。氨為氣體危化品，其儲運加注體系和汽油、柴油有一定差異，其作為燃料的運營模式、操作規范和政策法規還遠未成熟。

3 "可再生甲醇

目前，國際上對于可再生甲醇暫無明確定義。IRENA將其分為生物甲醇（Bio-methanol）、電制甲醇（E-methanol）和生物-電制甲醇（Bio-e-methanol） 3類[53]，生產單位千克生物甲醇、電解甲醇的碳排放量上限分別為0.64、0.55 kg CO2 eq[12，54]，生物-電制甲醇的限值還在研討中?？稍偕状级x及溫室氣體（GHG）排放閾值如圖2所示。

可再生甲醇制備技術方面，可根據原料獲取路徑及合成工藝進行分類。本文定義了4種制備技術路徑，分別為：生物質氣化制甲醇（R1-BtM）（以生物質為原料，存在糧食和森林安全、區域和規模限制、季節差異等問題[55]，本文不作討論）、生物質耦合可再生氫制甲醇（R2-BEtM）、可再生氫耦合可再生碳捕集制甲醇（R3-ERCtM）和可再生氫耦合工業尾氣碳捕集制甲醇（R4-ENRCtM），如圖3所示。

3.1 "可再生甲醇制備技術

R2-BEtM技術以生物質為主原料，通過補充可再生氫來降低合成氣的碳氫比，關鍵技術包括生物質氣化、電解水制氫、可再生氫與生物質碳配比穩定調節[56-57]。然而，不穩定氫源會影響穩定運行與生產；生物質氣化爐的規模及效率有待提高，降低能耗；此外，該路線依賴風能、太陽能和生物質資源稟賦，選址難[58-59]。

R3-ERCtM技術通過捕集生物質或空氣中的CO2與可再生氫直接合成甲醇[60]。生物碳捕集CO2主要在生物乙醇工廠進行[61]，但受規模和成本的限制；空氣CO2捕集處于中試階段，成本較高，需開發高性能吸附劑和吸收材料制備技術[62]。CO2直接加氫制甲醇技術在國內外均取得突破，已有千噸級示范裝置[63]。

R4-ENRCtM技術以化石燃料或工業尾氣捕集的CO2與可再生氫直接合成甲醇[53]。此技術的CO2捕集方式具有濃度高、成本低的特點，大多已在工業示范或商業應用階段，但其“綠色”屬性存在爭議。歐盟指出，在2040年前的過渡期內可視其為可再生甲醇[53]。

3.2 "可再生甲醇儲運技術

甲醇在常溫常壓下呈液態，工業上通常使用儲罐來存儲[64]，其水路、公路、鐵路和管道運輸技術均十分成熟。參考汽、柴油儲運方式，水路和公路運輸是中國主要的甲醇運輸方式，但公路運輸受運輸能力和成本制約；管道運輸當前標準規范缺失，存在腐蝕、溶脹和泄漏等安全風險。甲醇供應體系與現有的汽油、柴油體系高度類似，對其儲運技術的研究聚焦于加注方式、儲存方式的安全設計、空間布置、安全泄露和火焰監測等。

3.3 "可再生甲醇動力技術

甲醇燃料與汽油、柴油理化性質接近，便于儲存、運輸和加注。甲醇燃料汽車的技術標準體系已基本完備[65]。但由于甲醇閃點低、蒸發性差、自燃點高、能量密度低[65]，動力系統需進行改造以避免腐蝕和溶脹，并提升續駛里程、安全性能和冷啟動性能等。

在船舶領域，甲醇內燃機主要是汽油、柴油混燃[66]。甲醇/汽油雙燃料發動機為四沖程高速發動機，用汽油啟動后，切入純甲醇模式運行[66]；低速二沖程甲醇/柴油發動是近期技術經濟性最為可行的路線，已實現商業化應用；中高速甲醇/柴油發動機功率密度較高，整機結構緊湊，尚處于研發階段。在航空領域，SAF是最穩妥可行的替代燃料，以甲醇為原料、以醇噴合成SAF的工藝商業化路徑最為清晰。

3.4 "可再生甲醇應用示范

目前，國內暫無建成運行的可再生甲醇制備項目。2023年金風科技股份有限公司與馬士基集團簽訂了年產50萬t的長期綠色甲醇采購協議，計劃于2026年開始供應綠色甲醇。截至2024年4月，全球甲醇燃料船舶在運34艘，訂單247艘。2018年，工業和信息化部完成了“四省一市”甲醇汽車的試點驗收，并聯合其他7部委發布了《關于在部分地區開展甲醇汽車應用的指導意見》，將甲醇汽車納入國家公告管理[67]。

3.5 "小結

在可再生甲醇制備技術方面，R4-ENRCtM是最具經濟競爭力的技術路徑，但其“綠色”屬性存在爭議；在儲運加注方面，甲醇儲運加注技術基本成熟，基礎設施初具規模，但仍需要關注腐蝕、泄露等問題，提升安全性；在動力技術方面，甲醇動力的公路和水路應用都已經進入商業化運行階段，近期熱點為應用于水路交通的柴油/甲醇雙燃料內燃機；在載運裝備和運營方面，甲醇儲運加注體系和現有的汽油、柴油的儲運加注體系最為接近。經過工信部2012—2018年7年的試點，甲醇作為汽車燃料的運營模式、操作規范和政策法規體系已初步建立。

4 "結論

可再生氫氨醇生產處在小試、中試和工程示范等不同階段，規模化可再生能源電解水制氫的生產最為重要，影響著可再生氨和甲醇的生產，可再生甲醇的生產規模和成本受到了可再生碳源的限制。本文從燃料制備技術、儲運及加注、動力技術及載運裝備，以及運營方式4個角度綜合衡量，總結了可再生氫氨醇交通動力全產業鏈的技術進展和應用現狀。結果表明：中短期可再生甲醇作為燃料的各項條件最為成熟，但是存在可再生碳源和成本的挑戰；中長期可再生氫、氨的潛力更大；可再生氫、氨在重型貨車和遠洋航運的燃料替代有潛在優勢。

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REVIEW ON TECHNOLOGY DEVELOPMENT OF RENEWABLE

HYDROGEN-AMMONIA-METHANOL TRANSPORTATION

POWER INDUSTRY

Liu Yi1，Gu Lingli2，Guan Sumin3，Xu Huachi1，Jia Jun1，Yang Fuyuan4

（1. Tsinghua Sichuan Energy Internet Research Institute，Chengdu "610218，China；

2. China Three Gorges Corporation，Beijing 100038，China；

3. China Yangtze Power Co.，Ltd.，Beijing 100032，China；4. Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Abstract：Under the dual influence of the emission peak and carbon neutrality goals and the energy crisis，the green transition of transportation power has garnered increasing attention. Key areas of this transition include heavy-duty trucks，waterway transportation，and aviation，with a focus on alternative fuels such as renewable hydrogen，ammonia，and methanol （hereinafter referred to as \"renewable hydrogen-ammonia-methanol\"）. Based on authoritative definitions，this paper defines renewable hydrogen-ammonia-methanol and then reviews and summarizes the technological progress and application status of the entire industry chain of renewable hydrogen-ammonia-methanol transportation power from four aspects： fuel production technology，storage and transportation，refueling，power technology，transport equipment and operational methods. The review results show that renewable methanol has the strongest industrial and technical foundation as an alternative fuel，but faces challenges in terms of the scale and cost of renewable carbon sources. Renewable hydrogen，as an alternative fuel，is currently in the commercial demonstration and validation stage. Due to its significant differences in physical properties compared to gasoline and diesel，it has the weakest industrial and technical foundation，but shows potential for fuel substitution in heavy-duty trucks. Renewable ammonia，as an alternative fuel，is still in the early stages of commercialization and requires varying degrees of improvement and optimization in refueling，power systems and transport equipment. However，it holds potential advantages for fuel substitution in long-distance maritime shipping.

Keywords：renewable hydrogen；renewable ammonia；renewable methanol；transportation power；alternative fuel