碳中和目標(biāo)下氨燃料的機(jī)遇、挑戰(zhàn)及應(yīng)用前景

高虎，劉凡，李海

（中國宏觀經(jīng)濟(jì)研究院能源研究所，北京市 西城區(qū) 100038）

0 引言

2020年9月22日，習(xí)近平主席向世界承諾我國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)是一場廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)性變革，將對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源系統(tǒng)、生產(chǎn)方式、生活方式、空間格局都將產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。

2021年10月，黨中央、國務(wù)院相繼印發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》《2030年前碳達(dá)峰行動方案》等頂層設(shè)計文件，明確了總體目標(biāo)，部署了重大舉措，明晰了實(shí)施路徑，提出了推動能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的政策框架。特別強(qiáng)調(diào)要進(jìn)一步嚴(yán)格控制化石能源消費(fèi)，嚴(yán)控煤電裝機(jī)規(guī)模，積極發(fā)展非化石能源，著力構(gòu)建新型電力系統(tǒng)。

“雙碳”目標(biāo)提出后，氫能因其清潔、高效、低碳、靈活等特點(diǎn)逐漸被大家所熟知，并認(rèn)為是應(yīng)對氣候變化、替代化石能源、建設(shè)零碳社會的重要戰(zhàn)略選擇[2-3]。在鋼鐵、化工等難以減排領(lǐng)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(fā)電也有望成為電力系統(tǒng)中提供跨季節(jié)、長周期電力電量調(diào)節(jié)的重要技術(shù)手段[8]。

但是，由于氫自身的元素特性，目前純氫儲存和輸運(yùn)技術(shù)仍存在嚴(yán)重瓶頸，氫能的大規(guī)模、高質(zhì)量發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)[9]。相比之下，氨具有易于儲運(yùn)、零碳排放、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，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(yè)、電力、交通等領(lǐng)域都有一定發(fā)展空間[10]。本文將分析“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下氨燃料發(fā)展的機(jī)遇、挑戰(zhàn)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(jīng)濟(jì)可行的碳中和技術(shù)路線提供參考。

1 氨作為替代能源的優(yōu)勢和機(jī)遇

1.1 氨的特性和優(yōu)勢

氨(NH3)是一種氮?dú)浠衔?，由于其?dú)特的物理和化學(xué)特性，具有易于儲運(yùn)、零碳排放、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，在碳中和背景下將成為氫能利用的一種重要?dú)浠剂蟍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(chǎn)量最多的無機(jī)化合物之一，技術(shù)成熟、產(chǎn)業(yè)完備，具備推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)條件。

1）氨的物理特性

氨在常溫下是一種無色氣體，有強(qiáng)烈的刺激氣味，一旦發(fā)生泄漏，很容易發(fā)現(xiàn)并及時補(bǔ)救，且只有當(dāng)它的濃度達(dá)到可被覺察濃度的1 000倍時才會致命。標(biāo)準(zhǔn)狀況下氨的密度為0.771 g/L，比空氣輕，泄漏后擴(kuò)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(huán)，隨雨雪移動后，與其他物質(zhì)反應(yīng)或被植物吸收。

與廣泛關(guān)注的純氫相比，氨最大的優(yōu)勢在于易液化、易儲存和易運(yùn)輸。氨氣常壓下-33℃或者常溫下加壓到9個大氣壓就能夠?qū)崿F(xiàn)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(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)在于純氫的儲運(yùn)，且大規(guī)模、長距離的儲運(yùn)技術(shù)瓶頸在短時間內(nèi)難以突破。因此，氨易于儲運(yùn)的特性為發(fā)展氫基燃料提供了新的技術(shù)路線。

2）氨的化學(xué)特性

氨燃燒反應(yīng)的化學(xué)方程式如式(1)所示。氨燃燒后只生成氮?dú)夂退?種環(huán)境友好型產(chǎn)物，不會產(chǎn)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(chǎn)生的碳氧化物、硫氧化物的排放。

氨不僅可以直接在內(nèi)燃機(jī)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(nèi)燃機(jī)壓縮比以提高輸出功率，因而氨內(nèi)燃機(jī)的熱效率很高，可達(dá)50%～60%，是一般汽油內(nèi)燃機(jī)的2倍左右。

3）氨的產(chǎn)業(yè)化體系

工業(yè)上，通常用氮?dú)夂蜌錃庠诟邏?、高溫和催化劑作用下合成氨。合成氨工業(yè)在20世紀(jì)初期就已經(jīng)形成，至今已有100多年的歷史，技術(shù)非常成熟，在氨的生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸?shù)雀鞣矫娑家殉审w系。與同樣處于研發(fā)前沿的“氫與二氧化碳合成甲醇”的技術(shù)路線相比，“氫與氮?dú)夂铣砂薄钡募夹g(shù)和應(yīng)用條件要成熟很多，因而氨燃料的推廣應(yīng)用具有良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。當(dāng)前，我國合成氨產(chǎn)業(yè)已邁入轉(zhuǎn)型升級發(fā)展階段，建成諸多大型合成氨基地，涌現(xiàn)了云天化、湖北宜化、華魯恒升等一大批具有較高技術(shù)水平、較大生產(chǎn)規(guī)模的企業(yè)，全國合成氨年產(chǎn)量接近5 000萬t。

1.2 氨燃料的未來機(jī)遇

在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)愿景下，氨作為一種零碳能源具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，將為電力、交通等部門實(shí)現(xiàn)脫碳提供新的選擇。

1）發(fā)電領(lǐng)域

隨著風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源大規(guī)模發(fā)展，電力供應(yīng)的波動性和不確定性日益增加，亟需發(fā)展穩(wěn)定可靠的新型電源來保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[13]。氨燃燒性能良好，易液化、易儲存，具有較好的燃料供應(yīng)保障能力。因此，氨燃料發(fā)電可作為一種清潔零碳型發(fā)電技術(shù)，為電力系統(tǒng)提供與傳統(tǒng)火電類似的可調(diào)度、可調(diào)節(jié)、可控制的電力電量支撐[14]。雖然在燃燒特性、燃燒產(chǎn)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(fēng)險，但可通過燃燒分級、燃燒組織優(yōu)化等方式有效調(diào)控[15]。

未來，新能源大規(guī)模發(fā)展也將進(jìn)一步推動合成氨制備的零碳化。在新能源出力富?；蛘哓?fù)荷低谷時期，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(fù)荷高峰時，使用儲存的氨燃料進(jìn)行發(fā)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(chǎn)生任何碳排放。因此，“電-氫-氨-電”系統(tǒng)有望成為新型電力系統(tǒng)建設(shè)的重要儲調(diào)模式之一。

2）交通領(lǐng)域

國際海事組織2018年通過了溫室氣體減排初步戰(zhàn)略，提出到2030年全球海運(yùn)碳排放與2008年相比至少下降40%，力爭到2050年下降70%。為實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)的減碳脫碳，清潔燃料替代化石能源是最具潛力的技術(shù)手段。遠(yuǎn)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(guān)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(xiàn)有氨供應(yīng)鏈和基礎(chǔ)設(shè)施，在集裝箱船等大型船舶遠(yuǎn)航領(lǐng)域具有較好的推廣應(yīng)用前景[16]。

此外，氨燃料在公路運(yùn)輸方面也具有一定的應(yīng)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(xù)航能力強(qiáng)、補(bǔ)給時間快等優(yōu)點(diǎn)。利用已有燃料電池技術(shù)，氨燃料在相同溫度下能夠達(dá)到與氫燃料相近的功率密度，被認(rèn)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(zhàn)

2.1 安全性問題

氨具有毒性與腐蝕性，存在安全隱患。根據(jù)《職業(yè)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(huán)境下，濕皮膚、黏膜和眼睛會受到氨氣侵襲，可能發(fā)生中毒事故，引起嚴(yán)重咳嗽、支氣管痙攣、急性肺水腫，甚至?xí)?gòu)成失明和窒息死亡。

氨還存在爆炸危險，當(dāng)氨氣在空氣混合物中濃度達(dá)到16%～25%時，遇明火就會引起爆炸，屬于《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》規(guī)定的乙類火災(zāi)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(fēng)險。在氨的制取和儲運(yùn)環(huán)節(jié)，如果發(fā)生泄露，或?qū)l(fā)生安全事故。

2.2 環(huán)保性問題

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

2.3 經(jīng)濟(jì)性問題

目前我國80%以上合成氨通過煤氣化生產(chǎn)氫氣，再加工合成，即合成氨主要原料仍是“灰氫”，其生產(chǎn)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(shù)的發(fā)展，“綠氫”為合成“綠氨”提供了可能。但當(dāng)前可再生能源發(fā)電、電解水制氫系統(tǒng)等成本較高，“綠氫”及合成的“綠氨”還較為昂貴。據(jù)試點(diǎn)項目數(shù)據(jù)，“綠氨”成本比煤制合成氨高出50%以上，短期內(nèi)“綠氨”還不具備經(jīng)濟(jì)可行性。

3 全球積極布局“氨經(jīng)濟(jì)”對我國的啟示

隨著全球綠色低碳發(fā)展步伐加快，很多國家對推廣氨應(yīng)用表現(xiàn)出極大興趣，積極布局氨-氫產(chǎn)業(yè)，重點(diǎn)在氨燃?xì)廨啓C(jī)、氨燃料動力船以及氨-氫運(yùn)輸?shù)确矫骈_展研究，也為我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和提供新的思路和方向。

3.1 氨產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

1）氨燃料發(fā)電

碳中和目標(biāo)愿景下，推進(jìn)火電機(jī)組摻燒或純燒液氨等低碳燃料是發(fā)電領(lǐng)域減污降碳的重要技術(shù)方向[17]。目前，以日本為代表的部分國家正在探索發(fā)展以氨為燃料的火力發(fā)電技術(shù)，加快推動電力部門的脫碳進(jìn)程[18]。其中，日本實(shí)驗室和工程公司已經(jīng)測試開發(fā)了50～2 000 kW的小型氨燃?xì)廨啓C(jī)；日本三菱重工正在開發(fā)40 MW氨燃?xì)廨啓C(jī)，它將100%使用氨氣發(fā)電，并把選擇性催化還原與新型燃燒技術(shù)相結(jié)合，降低氨不完全燃燒所產(chǎn)生的氮氧化物。該技術(shù)可用于工業(yè)應(yīng)用或偏遠(yuǎn)島嶼的發(fā)電站，日本計劃于2025年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。2021年6月，美國GE發(fā)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?xì)廨啓C(jī)路線圖。

2）氨燃料動力船

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

韓國造船企業(yè)同樣致力于研發(fā)氨燃料推進(jìn)船舶，搶占綠色動力能源技術(shù)制高點(diǎn)。2020年7月，現(xiàn)代尾浦造船設(shè)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(rèn)可證書，預(yù)計2025年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營。2021年1月，韓國船級社發(fā)布關(guān)于氨燃料動力船舶的研究報告，闡述了氨的生產(chǎn)使用、經(jīng)濟(jì)效益、處理設(shè)施的安全特點(diǎn)、氨燃料電池和內(nèi)燃機(jī)等相關(guān)特性。

挪威、芬蘭等歐洲國家對于環(huán)保要求十分嚴(yán)苛，很多港口計劃施行“零排放”，也規(guī)劃在未來幾年內(nèi)開始使用以氨燃料為動力的船舶。芬蘭船用發(fā)動機(jī)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(fā)以氨燃料電池為動力、可完成遠(yuǎn)距離航行的零排放大型船舶，預(yù)計最早將于2024年下水，屆時將成為首艘航行于公海的商業(yè)化氨動力船。

3）氨-氫運(yùn)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(guī)模運(yùn)輸?shù)闹匾d體[20]。一方面，與氫氣相比，氨氣極易液化，液氨運(yùn)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(yuǎn)高于當(dāng)前主流的高壓長管拖車儲運(yùn)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(xué)儲氫方式運(yùn)輸受到了業(yè)界的青睞。

基于氨-氫運(yùn)輸方式，氨被認(rèn)為是推動可再生能源出口的關(guān)鍵載體，在大型“綠氫”等出口項目領(lǐng)域優(yōu)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(jī)構(gòu)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(shù)。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省發(fā)布的可再生能源路線圖顯示，到2030年后，日本每年可能會進(jìn)口100億～200億美元的氫氣，也會催生大量的氨-氫運(yùn)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(yùn)輸便利性或?qū)⒊蔀槿蚰茉促Q(mào)易的重要組成部分。在世界各國積極研究布局“氨經(jīng)濟(jì)”的同時，我國也應(yīng)當(dāng)積極研究氨基燃?xì)廨啓C(jī)、動力船舶、燃料電池及氨-氫運(yùn)輸?shù)刃滦图夹g(shù)，努力推動零碳能源-氨-氫融合發(fā)展的顛覆性技術(shù)創(chuàng)新。結(jié)合我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，適時布局“綠氨”產(chǎn)業(yè)，推動氨燃料的試點(diǎn)示范及推廣應(yīng)用。

當(dāng)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?dú)夂铣砂睔膺€是將氨氣轉(zhuǎn)換為氫氣，都將有一定的能量損耗，氨燃料的大規(guī)模應(yīng)用也還存在很大的挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，各領(lǐng)域需要根據(jù)實(shí)際用能需求和技術(shù)發(fā)展前景，多角度、多方向研發(fā)探索，最終選擇經(jīng)濟(jì)可行的零碳脫碳技術(shù)路線。

4 結(jié)論

合成氨是傳統(tǒng)化工的重要產(chǎn)品之一，具有應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟、產(chǎn)業(yè)完備的特點(diǎn)。在碳達(dá)峰、碳中和背景下，因零碳排放、儲運(yùn)便利、熱效率高等優(yōu)勢，氨燃料可成為替代化石能源的重要選擇，在發(fā)電、交通及儲氫方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。盡管氨作為替代能源還存在安全性、環(huán)保性及經(jīng)濟(jì)性等方面的諸多挑戰(zhàn)，但是“綠氨”為實(shí)現(xiàn)零碳脫碳提供了新的路線，在全球各國布局“氨經(jīng)濟(jì)”熱情高漲背景下，我國也應(yīng)抓住能源低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的歷史機(jī)遇，積極開展摻氨/純氨燃燒、動力船舶等重點(diǎn)技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新，引導(dǎo)適宜地區(qū)結(jié)合優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)布局“氨-氫”示范項目，統(tǒng)籌合成氨工業(yè)、可再生能源及氫能產(chǎn)業(yè)等融合發(fā)展，推動低碳氨燃料在電力、航海等難以減排領(lǐng)域的化石能源替代。