氨儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)的應(yīng)用前景、挑戰(zhàn)及發(fā)展

楊鵬威，于琳竹，王放放，蔣昊軒，趙光金，李琦，杜銘哲，馬雙忱

（1 華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，河北 保定 071003；2 國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450000）

我國(guó)是世界上的能源消費(fèi)和生產(chǎn)大國(guó)，一次能源生產(chǎn)、消費(fèi)規(guī)模巨大，能源供需結(jié)構(gòu)主要以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主，呈現(xiàn)出“富煤、缺油、少氣”的資源稟賦特點(diǎn)[1]。近年來(lái)，我國(guó)積極加快推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，使得能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化，能源利用效率大大提高，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）碳排放實(shí)現(xiàn)年均下降超過(guò)5 個(gè)百分點(diǎn)[2]。盡管如此，我國(guó)能源仍然呈現(xiàn)出碳排放總量大、能耗高的特點(diǎn)，以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)是我國(guó)邁向低碳發(fā)展模式的主要制約因素之一，因此在“雙碳”愿景下，發(fā)展低碳和無(wú)碳等清潔能源，是減少化石能源依賴(lài)和消費(fèi)的必然選擇。據(jù)統(tǒng)計(jì)，能源行業(yè)碳排放量占我國(guó)碳排放總量的88%，其中，電力行業(yè)碳排放量占比超過(guò)40%[3]。因此，我國(guó)為如期實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，能源行業(yè)堪稱(chēng)主戰(zhàn)場(chǎng)，電力行業(yè)堪稱(chēng)主陣地。隨著我國(guó)電氣化水平的日益增長(zhǎng)，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)對(duì)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)將起到十分重要的作用。

新型電力系統(tǒng)是以確保能源電力安全為基本前提，以滿(mǎn)足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展電力需求為首要目標(biāo)，以堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)為樞紐平臺(tái)，以最大化消納新能源為主要任務(wù)的電力系統(tǒng)，具有智能互動(dòng)、廣泛互聯(lián)、安全可控等特點(diǎn)[4]。截至2021年底，我國(guó)可再生能源裝機(jī)突破10億千瓦，占我國(guó)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘康?4.8%，可再生能源發(fā)電量占全社會(huì)總用電量的29.7%，其中風(fēng)光發(fā)電占比9.7%[5]。新能源正逐漸成為電力消費(fèi)的增量主體。氨能是一種綠色低碳、應(yīng)用廣泛、原料豐富的二次能源，我國(guó)每年合成氨的總產(chǎn)量達(dá)6000萬(wàn)噸以上，占世界總產(chǎn)量的1/3[6]。氨（NH3）是一種富氫化合物，所含氫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)17.6%，在相同溫度和壓力下液氨的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氫[7]，且燃燒不會(huì)排放二氧化碳，被認(rèn)為是較有前景的零碳燃料。因此，氨能在保障新型電力系統(tǒng)的安全、低碳運(yùn)行等方面將發(fā)揮重要的價(jià)值。

1 化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的分類(lèi)及特征比較

在“雙碳”目標(biāo)的背景下，儲(chǔ)能技術(shù)作為增強(qiáng)電力系統(tǒng)接納可再生能源發(fā)電能力的有效途徑，對(duì)能源轉(zhuǎn)型和雙碳的進(jìn)程具有深度的影響，受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[8]。儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)減少上級(jí)主變壓器的下送功率同時(shí)減少輸電線(xiàn)路的輸送功率需求，既可解決棄電問(wèn)題，又能解決局部供電不足的問(wèn)題[9]。

儲(chǔ)能系統(tǒng)主要分為機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能以及熱儲(chǔ)能等類(lèi)型，其中應(yīng)用最廣泛的是機(jī)械儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能[10]。機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)即將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)行儲(chǔ)存，涵蓋了飛輪儲(chǔ)能、抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能等，具有使用壽命長(zhǎng)、充放電循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)勢(shì)，但機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)外界的物理環(huán)境具有一定的要求[11]。電化學(xué)儲(chǔ)能指的是以鋰電池為代表的各類(lèi)二次電池儲(chǔ)能，主要包括鈉硫電池、鋰離子電池、燃料電池和液流電池等。與機(jī)械儲(chǔ)能相比，電化學(xué)儲(chǔ)能受地形等因素影響小，因此能夠更加靈活地應(yīng)用于電廠的發(fā)電側(cè)、輸配電側(cè)和用電側(cè)[12]。電磁儲(chǔ)能屬于快速功率響應(yīng)型儲(chǔ)能，主要以超級(jí)電容、超導(dǎo)為儲(chǔ)能介質(zhì)，包括超級(jí)電容儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能等[13]?；瘜W(xué)儲(chǔ)能是指利用化學(xué)物質(zhì)作為能量載體的儲(chǔ)能方式。熱儲(chǔ)能則包括顯熱儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱等形式。不同儲(chǔ)能系統(tǒng)的特征及應(yīng)用比較見(jiàn)表1。

1.2 化學(xué)儲(chǔ)能

開(kāi)發(fā)和利用可再生能源是解決能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的必經(jīng)之路，但面對(duì)可再生能源發(fā)電不穩(wěn)定性和間歇性等問(wèn)題，發(fā)展創(chuàng)新型儲(chǔ)能技術(shù)勢(shì)在必行[31]?；瘜W(xué)儲(chǔ)能是一種將能量?jī)?chǔ)存在化合物中，以化學(xué)鍵為媒介儲(chǔ)存能量，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存與輸出的儲(chǔ)能方式[32]。新能源領(lǐng)域的化學(xué)儲(chǔ)能是指利用無(wú)法消納的新能源產(chǎn)生的電力進(jìn)行規(guī)?；铣赡茉次镔|(zhì)，然后將能源物質(zhì)運(yùn)輸?shù)叫枰{的地方進(jìn)行能量的釋放，完成整個(gè)能量的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化過(guò)程[33]，最具有代表性的化學(xué)儲(chǔ)能包括氫儲(chǔ)能、氨儲(chǔ)能和甲醇儲(chǔ)能三種儲(chǔ)能方式?；瘜W(xué)儲(chǔ)能的規(guī)模可大可小，具有廣闊的創(chuàng)新前景，可以有效解決“棄風(fēng)”“棄光”等問(wèn)題，在新型電力系統(tǒng)中將有力推動(dòng)可再生能源高效利用。

1.3 氨儲(chǔ)能和氫、甲醇儲(chǔ)能的比較

從能量密度角度分析，氨儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能和甲醇儲(chǔ)能等純化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)被認(rèn)為是未來(lái)最具可能性的超大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)方向[34]。氨儲(chǔ)能屬于化學(xué)儲(chǔ)能，具有儲(chǔ)存方便、安全性可靠、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)對(duì)當(dāng)今全球氣候問(wèn)題和能源問(wèn)題等挑戰(zhàn)時(shí)能夠發(fā)揮重要作用。氫儲(chǔ)能是一種新型儲(chǔ)能方式，被認(rèn)為是智能電網(wǎng)和可再生能源發(fā)電規(guī)模化發(fā)展的潛在支撐[35]，在儲(chǔ)能的過(guò)程中能夠發(fā)揮氫氣的高載能屬性，達(dá)到消納和儲(chǔ)存電力的目的。與氨儲(chǔ)能特征相似，氫儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能容量大、適合儲(chǔ)能周期長(zhǎng)、不需要特定地理?xiàng)l件等特點(diǎn)，在儲(chǔ)能的時(shí)間維度和空間維度上具有一定的優(yōu)勢(shì)，可以作為大規(guī)模儲(chǔ)能介質(zhì)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)電能不易儲(chǔ)存的缺陷[36]。但與氨儲(chǔ)能相比，氫儲(chǔ)能的推廣應(yīng)用和發(fā)展仍然有很多瓶頸需要突破，氫儲(chǔ)能從制備成本到運(yùn)輸方式的每一個(gè)環(huán)節(jié)都存在較大的技術(shù)壁壘和難題，同時(shí)氫氣具有易燃、易泄漏、易引發(fā)金屬氫脆等較為突出的安全性問(wèn)題，如何實(shí)現(xiàn)低成本產(chǎn)氫，能否解決氫氣安全有效儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題是制約氫儲(chǔ)能大規(guī)模應(yīng)用的決定性因素[37-38]。

隨著綠氫時(shí)代的到來(lái)，傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)路線(xiàn)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)清潔氫能的廣泛需求，面對(duì)氫能利用的尷尬局面，尋找經(jīng)濟(jì)安全、高效靈活的制氫方法和儲(chǔ)氫材料尤為重要[39]。甲醇、氨等儲(chǔ)氫介質(zhì)由于具有易于運(yùn)輸和儲(chǔ)存等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)被認(rèn)為是方便和較安全的化學(xué)儲(chǔ)能介質(zhì)。甲醇所含氫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)12.5%，略低于氨所含氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但其體積儲(chǔ)能密度與氨相當(dāng)。在甲醇儲(chǔ)能的路徑中，氫作為一種原料參與CO2轉(zhuǎn)化為甲醇的電能轉(zhuǎn)化過(guò)程[40]。相比氫儲(chǔ)能，甲醇儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)在于作為液體燃料，甲醇更加便于長(zhǎng)期儲(chǔ)存，安全風(fēng)險(xiǎn)低，運(yùn)輸成本也較低。同時(shí)，甲醇作為石油化工等產(chǎn)品的原料和燃料替代品具有多元的終端用戶(hù)且配套基礎(chǔ)設(shè)施成熟。但從電輸入到電產(chǎn)出的效率來(lái)看，甲醇儲(chǔ)能的效率為12.4%～14.7%，因此從“電-甲醇-電”角度而言，目前甲醇用作電能的儲(chǔ)存介質(zhì)并不理想[39]，有待相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

2 氨儲(chǔ)能系統(tǒng)與技術(shù)

2.1 氨儲(chǔ)能系統(tǒng)

基于未來(lái)新能源的發(fā)展與分布，儲(chǔ)能系統(tǒng)和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)將發(fā)生根本性的變革，Wang 等[41]認(rèn)為電化學(xué)儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能和氨儲(chǔ)能3種儲(chǔ)能方式被視為未來(lái)需要持續(xù)發(fā)展的儲(chǔ)能技術(shù)，其中氨儲(chǔ)能系統(tǒng)被認(rèn)為更適合于長(zhǎng)期儲(chǔ)能和大規(guī)模應(yīng)用。氨儲(chǔ)能系統(tǒng)是指利用合成氨進(jìn)行能量的儲(chǔ)存和釋放[26]，可通過(guò)將太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源發(fā)電的電能以氨能的形式儲(chǔ)存，應(yīng)用時(shí)以熱能、電能等形式進(jìn)行釋放[42-43]。目前工業(yè)上合成氨通常采用Haber-Bosch 法，即通過(guò)氮?dú)夂蜌錃庠诟邷兀?00～500℃）高壓（150～300atm，1atm=101325Pa）的反應(yīng)條件下在鐵基催化劑的作用下合成氨[44]，技術(shù)十分成熟。傳統(tǒng)制氨反應(yīng)為N2+3H2—→— 2NH3。

在生產(chǎn)方式上，氨的生產(chǎn)可以劃分為灰氨（消耗化石燃料生產(chǎn)氨）、藍(lán)氨（結(jié)合碳捕捉的消耗化石燃料生產(chǎn)氨）和綠氨（利用可再生能源生產(chǎn)氨）3種，目前工業(yè)上通過(guò)Haber-Bosch法制備的氨多為灰氨，需以煤炭作為原料，每生產(chǎn)1t氨，會(huì)排放4.2t CO2，但隨著未來(lái)對(duì)制備藍(lán)氨和綠氨技術(shù)的研發(fā)加速，有望實(shí)現(xiàn)制氨過(guò)程的零碳排放。綠氨制備技術(shù)的反應(yīng)式為N2+(H)—→— NH3，式中的H 代表為氨提供氫原子的含氫載體，包括H2O和綠H2等。

與其他儲(chǔ)能方式相比，氨儲(chǔ)能具有以下幾方面的特征：① 在儲(chǔ)運(yùn)方式靈活性方面，氨在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下-33℃就能實(shí)現(xiàn)液化，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，并且在我國(guó)具有非常完備的氨運(yùn)輸和分配體系；② 在地理限制方面，與抽水儲(chǔ)能等儲(chǔ)能方式不同，氨儲(chǔ)能占地空間較小，且不需特定的地理環(huán)境及位置；③ 在儲(chǔ)能容量方面，氨的儲(chǔ)能密度高達(dá)11.8GJ/m3，其能量密度是氫的2倍，是鋰離子電池的9倍，與甲醇相當(dāng)[45-47]，且同體積的液氨比液氫的含氫量高60%[48]；④ 在儲(chǔ)能壽命和儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性方面，Wang等[49]研究表明，相比于氫和鋰電池儲(chǔ)能，氨儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10～10000h，適用于長(zhǎng)期規(guī)模的儲(chǔ)能，同時(shí)氨儲(chǔ)能所需費(fèi)用更低，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)顯著，氫、氨、鋰離子電池儲(chǔ)能時(shí)間和儲(chǔ)存費(fèi)用如圖1所示；⑤ 在環(huán)境效益方面，氨儲(chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)無(wú)碳儲(chǔ)能，在電力系統(tǒng)中利用電解法生產(chǎn)綠氫，利用綠氫合成氨，在制備氨的過(guò)程中不會(huì)排放出任何CO2，實(shí)現(xiàn)真正的零碳排放。

2.2 氨儲(chǔ)能技術(shù)

氨基熱化學(xué)儲(chǔ)能的方法為解決太陽(yáng)能發(fā)電的間斷性和不穩(wěn)定性提供了一條有效的途徑[50]。龍新峰等[51]根據(jù)氨基熱化學(xué)儲(chǔ)能的基本原理建立了合成氨放熱反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型，定量分析并討論了在一定設(shè)計(jì)壓力和氫氮比條件下，進(jìn)氣溫度和進(jìn)氣流量對(duì)反應(yīng)的影響，模擬結(jié)果表明，反應(yīng)器內(nèi)催化床層的平均溫度是實(shí)現(xiàn)能量最大轉(zhuǎn)化的重要參數(shù)，當(dāng)反應(yīng)溫度為650℃時(shí)能夠輸出最大的熱能。此外，Wang等[49]對(duì)太陽(yáng)能-氨能轉(zhuǎn)化的能源效率、技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)氨在大規(guī)模存儲(chǔ)可再生能源方面具有很大潛力，太陽(yáng)能到氨能的轉(zhuǎn)化為存儲(chǔ)大量過(guò)剩能源，便于其能夠廣泛的應(yīng)用提供了巨大的優(yōu)勢(shì)。Morgan等[52]則對(duì)將從風(fēng)力渦輪機(jī)中生產(chǎn)的電能轉(zhuǎn)化為氨能的系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在該風(fēng)-氨系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電和傳統(tǒng)的空氣分離裝置、堿性電解槽、機(jī)械蒸汽壓縮脫鹽和Haber-Bosch 系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)環(huán)路，被用于生產(chǎn)無(wú)碳氨燃料，同時(shí)使用歸一化結(jié)果計(jì)算系統(tǒng)的總壽命和成本，將其與傳統(tǒng)的純柴油系統(tǒng)相比較，得出了在收支平衡的情況下計(jì)算柴油價(jià)格時(shí)，風(fēng)力發(fā)電的氨生產(chǎn)更具有競(jìng)爭(zhēng)力的結(jié)論。王震等[53]對(duì)MnCl2/NH3熱化學(xué)吸附系統(tǒng)的儲(chǔ)熱性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)在解吸充熱溫度、吸附放熱溫度和冷凝/蒸發(fā)溫度分別為162℃、45℃和25℃的條件下運(yùn)行時(shí)，能夠獲得最大的吸附儲(chǔ)熱密度，其值可達(dá)到1296.36kJ/kg。

2.3 全球主要國(guó)家氨能政策和應(yīng)用案例

2022年1月29日，由國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局印發(fā)的《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》中，將氨能列入“十四五”新型儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)體系重點(diǎn)方向和“十四五”新型儲(chǔ)能技術(shù)裝備攻關(guān)，強(qiáng)調(diào)了氨的氫基儲(chǔ)能和低碳燃料的屬性[54]。近年來(lái)，國(guó)際上也逐漸開(kāi)啟了氫氨融合發(fā)展的大潮，氫氨融合被視為國(guó)際清潔能源的前瞻性、顛覆性、戰(zhàn)略性的技術(shù)發(fā)展方向，是解決氫能發(fā)展重大瓶頸的有效途徑，各國(guó)積極制定氨能政策，開(kāi)展有關(guān)氨氫融合項(xiàng)目的實(shí)踐工作，全球正在邁向“氨=氫2.0時(shí)代”。表2 列出了國(guó)外主要國(guó)家氨能政策和應(yīng)用案例[55-56]。與此同時(shí)，我國(guó)也在積極開(kāi)展有關(guān)氨氫融合項(xiàng)目的相關(guān)研究，批準(zhǔn)成立了“寧夏氨氫產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”等多項(xiàng)氨氫融合相關(guān)項(xiàng)目，并規(guī)劃了以寧夏吳忠市為中心的“中國(guó)氨氫谷”示范基地[57]。2021年5月，在我國(guó)上海舉辦的第一屆“2021 年氨燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展上海國(guó)際峰會(huì)論壇”上，來(lái)自國(guó)內(nèi)外的能源廠家和研究人員參與了氨能發(fā)展新機(jī)會(huì)的研討。此外，中國(guó)機(jī)械設(shè)備工程有限公司加入亞太“綠氫”“綠氨”供應(yīng)鏈，竭力成為國(guó)際市場(chǎng)上開(kāi)發(fā)綠氨工程的承包商，使綠氨產(chǎn)品走向國(guó)際市場(chǎng)[58]。

表2 國(guó)外主要國(guó)家或地區(qū)氨能政策和應(yīng)用案例[55-56]

3 氨儲(chǔ)運(yùn)

3.1 物理儲(chǔ)氨

氨作為一種重要的化工原料之一，在工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，通常以液態(tài)形式進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸。儲(chǔ)運(yùn)氨的方式通常有兩種：一種方式是在環(huán)境溫度的條件下加壓儲(chǔ)存；另一種方法是保持在大氣壓的環(huán)境壓力下對(duì)氨氣進(jìn)行降溫儲(chǔ)存，采用該方法進(jìn)行儲(chǔ)氨時(shí)由于條件較為溫和故可采用輕質(zhì)低成本的儲(chǔ)罐[59]。傳統(tǒng)液氨生產(chǎn)企業(yè)一般采用專(zhuān)用材料制作的耐壓容器，如球罐或者臥式儲(chǔ)罐以全冷凍或全壓力的方式進(jìn)行液氨的儲(chǔ)存，并由槽車(chē)或氨鋼瓶進(jìn)行包裝運(yùn)輸[60]，考慮到氨對(duì)部分金屬具有腐蝕性，實(shí)際應(yīng)用時(shí)也可以采用碳纖維或帶有聚乙烯內(nèi)襯套的不銹鋼儲(chǔ)罐進(jìn)行儲(chǔ)運(yùn)[61]。不同燃料儲(chǔ)存方式及成本見(jiàn)表3[62]，從中可以看出，氨的能量密度與壓縮天然氣和甲醇相近，但其單位能量成本在所有燃料中占有一定優(yōu)勢(shì)，大約為汽油能量成本的1/2。

表3 不同燃料儲(chǔ)存方式及成本比較[62]

3.2 吸附儲(chǔ)氨

近年來(lái)，為加強(qiáng)氨儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)陌踩?，?guó)內(nèi)外研究人員不斷研發(fā)新型儲(chǔ)氨技術(shù)和方法，開(kāi)發(fā)出了吸附儲(chǔ)氨技術(shù)。與常規(guī)的液態(tài)儲(chǔ)氨方法相比，利用高吸附量的儲(chǔ)氨材料進(jìn)行氨的吸附和儲(chǔ)存能夠減少將氨氣在高壓或低溫時(shí)液化產(chǎn)生的能耗。目前研究發(fā)現(xiàn)的吸附儲(chǔ)氨方法大多為化學(xué)儲(chǔ)氨且為固態(tài)儲(chǔ)氨技術(shù)。固態(tài)儲(chǔ)氨技術(shù)主要應(yīng)用于重型柴油車(chē)輛排放尾氣中氮氧化物的還原，在我國(guó)日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求下，固態(tài)氨技術(shù)將有望成為汽車(chē)領(lǐng)域“國(guó)六”排放的領(lǐng)先技術(shù)，在有效減排氮氧化物等方面具有革命性意義[63]。Hummelsh?j 等[64]利用金屬胺絡(luò)合物Mg(NH3)6Cl2作為儲(chǔ)氨材料，發(fā)現(xiàn)鎂氨絡(luò)合物形成的納米孔結(jié)構(gòu)有助于將吸附的氨從大量壓實(shí)存儲(chǔ)材料的內(nèi)部轉(zhuǎn)移出去，該材料對(duì)氨的解吸相對(duì)容易，在反應(yīng)溫度為620K 的條件下[65]，當(dāng)納米孔結(jié)構(gòu)的孔徑達(dá)到20nm，孔隙體積為2cm3/g時(shí)，氨的解吸率可達(dá)到91.7%，其發(fā)生的反應(yīng)為Mg(NH3)6Cl2—→— MgCl2+6NH3。

Feng等[66]對(duì)實(shí)際可控硅催化劑的氨儲(chǔ)存特性進(jìn)行了研究，表明空間速度、排氣溫度等因素對(duì)飽和氨儲(chǔ)存具有不同的影響，并提出了一種由非線(xiàn)性氨存儲(chǔ)模型和具有時(shí)滯的多電阻-電容模型組成的可嵌入式SCR模型，以達(dá)到氨的量化存儲(chǔ)。Bialy等[67]合成了一系列新的、穩(wěn)定的、具有優(yōu)越氨存儲(chǔ)密度的氯化鍶固態(tài)溶液，通過(guò)調(diào)整鋇和鍶的比值，得到了不同氨吸附和解吸性質(zhì)下不同的晶體相和組成，研究發(fā)現(xiàn)在鋇和鍶的摩爾分?jǐn)?shù)范圍分別為35%～50%和50%～65%時(shí)，實(shí)際使用的氨密度高于任何純金屬鹵化物，并且實(shí)際可獲得的氨密度超過(guò)99%的液氨密度。

3.3 低濃度氨分離技術(shù)

液氨在生產(chǎn)和應(yīng)用的過(guò)程中，由于氨具有揮發(fā)性，大量的氨氣可能會(huì)通過(guò)設(shè)備的放空管道排放到空氣中，造成環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)，為了避免氨廢氣的排放，可通過(guò)合理的方式進(jìn)行氨的回收。與此同時(shí)，我國(guó)廢水向地表水中過(guò)量排放氨的行為也受到了更加嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)管。針對(duì)現(xiàn)有的廢氨水回收中產(chǎn)生的大量稀氨水等問(wèn)題，陳瑞堅(jiān)[68]提出了一種效率較高的低濃度氨水分離提純制備高濃氨的方法。An 等[69]提出了一種基于泡沫分離的先進(jìn)空氣汽提技術(shù)，能夠在低pH 下從水溶液中去除低濃度的氨氮，同時(shí)研究了空氣流速、溫度、pH 和初始氨氮濃度等條件對(duì)去除效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，先進(jìn)的空氣汽提技術(shù)是一種很有前途的降低水體中低濃度NH4+的技術(shù)。馬雙忱課題組[70-71]對(duì)氨法脫碳過(guò)程中氨的逃逸規(guī)律以及再生氨法碳捕集過(guò)程中氨的逃逸問(wèn)題進(jìn)行了探究，在研究氨法脫碳過(guò)程中氨的逃逸規(guī)律時(shí)基于金屬離子的絡(luò)合效果探討了幾種金屬離子對(duì)氨逃逸的抑制效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Ni2+對(duì)氨逃逸具有較好的抑制效果，解決再生氨法碳捕集過(guò)程中氨的逃逸問(wèn)題時(shí)，研究結(jié)果表明，丙三醇和Co2+對(duì)氨的逃逸均表現(xiàn)出較好的抑制效果，平均抑氨效率在40%以上。

4 氨儲(chǔ)能系統(tǒng)在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值

構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，將從根本上改變我國(guó)以化石能源發(fā)展為主的能源格局，是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的必然要求，也將是我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑[72]。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，電力系統(tǒng)相關(guān)物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)發(fā)生了持續(xù)性的重要變化[4,73-75]（圖2）。

圖2 新型電力系統(tǒng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的對(duì)比

（1）從發(fā)電側(cè)來(lái)看，電力將由以燃煤發(fā)電為主的發(fā)電模式向以風(fēng)、光等新能源為主體的發(fā)電模式轉(zhuǎn)型，構(gòu)建以新能源逐步增加的新型電力系統(tǒng)。同時(shí)，將由高碳電力系統(tǒng)向清潔高效低碳、零碳電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，電力系統(tǒng)CO2排放量將于2030 年實(shí)現(xiàn)達(dá)峰。主體電源需具有一定程度的主動(dòng)支持、調(diào)節(jié)與故障穿越等“構(gòu)網(wǎng)”能力，承擔(dān)支撐與調(diào)節(jié)的作用。

（2）從電網(wǎng)側(cè)來(lái)看，電網(wǎng)形態(tài)將從原有的集中化電網(wǎng)向微電網(wǎng)、柔直電網(wǎng)等多種電網(wǎng)形態(tài)并存轉(zhuǎn)變，使電網(wǎng)呈現(xiàn)分布化、扁平化的特點(diǎn)，電網(wǎng)的數(shù)字化水平將有所提高。隨著電網(wǎng)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大[76]，新能源代替化石能源裝置在空間上產(chǎn)生的能量不平衡性將越發(fā)凸顯。如我國(guó)西部、北部地區(qū)的太陽(yáng)能和風(fēng)能資源豐富，而我國(guó)中部、東部等地區(qū)資源有限，故以新能源為主體的發(fā)電方式受地域差異的限制明顯，跨區(qū)域輸送可再生能源將成為重要的電能傳輸方式。

（3）從用戶(hù)側(cè)來(lái)看，用戶(hù)將從電力消費(fèi)者轉(zhuǎn)型為電力“產(chǎn)消者”，即總體架構(gòu)分布式發(fā)電設(shè)備的用戶(hù)在電力富余時(shí)作為生產(chǎn)者出售電力，在電力不足時(shí)作為消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)電力[77]。此外，新型電力系統(tǒng)還將耦合更多新型且多元化儲(chǔ)能設(shè)備，綜合運(yùn)用儲(chǔ)能、熱泵、智能電表等技術(shù)手段以實(shí)現(xiàn)高效管理，提高能源的利用效率和負(fù)荷的可調(diào)節(jié)性。

針對(duì)上述的變化與挑戰(zhàn)，新型電力系統(tǒng)將面對(duì)更多新的訴求，如風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源存在高度不確定性等問(wèn)題，將會(huì)制約其高水平的消納利用，因此為實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間尺度上的功率與能量平衡，統(tǒng)籌發(fā)展不同儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要性越發(fā)明顯；對(duì)于高比例可再生能源發(fā)電產(chǎn)生的能量在空間上分布不平衡問(wèn)題，亟需引入大規(guī)模、跨區(qū)域的新興調(diào)峰手段；實(shí)現(xiàn)能源電力低碳轉(zhuǎn)型，要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)電力行業(yè)與其他行業(yè)的碳減排進(jìn)程，考慮新型儲(chǔ)能等關(guān)鍵技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)低碳轉(zhuǎn)型路徑的影響尤為重要。面對(duì)以上訴求，氨能在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用能夠發(fā)揮如下作用。

（1）氨作為儲(chǔ)能介質(zhì)具有儲(chǔ)能密度高、能量密度大、儲(chǔ)能周期長(zhǎng)等特性，利用電力系統(tǒng)發(fā)電高峰時(shí)產(chǎn)生的多余電能參與合成氨，可將電能以化學(xué)能的形式進(jìn)行儲(chǔ)存，在更長(zhǎng)的時(shí)間維度上調(diào)節(jié)新能源發(fā)電波動(dòng)，解決風(fēng)能、光伏發(fā)電的時(shí)段、季度不平衡問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)、長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能。

（2）氨儲(chǔ)能對(duì)地理?xiàng)l件要求較低，且就運(yùn)輸方面而言，國(guó)內(nèi)合成氨市場(chǎng)成熟，運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)完善，氨能的運(yùn)輸不受輸配電網(wǎng)絡(luò)的限制，氨儲(chǔ)電能夠改善可再生能源位置的依賴(lài)性問(wèn)題，完成能量的地域性轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、跨區(qū)域調(diào)峰，因此，氨是非常有潛力的大規(guī)模儲(chǔ)能介質(zhì)。

（3）氨作為還原劑，能夠應(yīng)用到電廠煙氣脫硫、脫硝和碳捕集等工作中，燃煤電廠通過(guò)自己制備氨，可以滿(mǎn)足電廠污染物治理過(guò)程中對(duì)吸附劑的巨大需求[78]。此外，以氨代替部分燃煤，采用氨與煤在鍋爐中混燃的方式進(jìn)行發(fā)電能夠顯著降低燃煤機(jī)組的CO2排放[79]，為電力企業(yè)碳減排工作提供了一條新思路。

氨儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要是跨時(shí)空、大規(guī)模的儲(chǔ)存作用以及其對(duì)電廠污染物的治理，在新型電力系統(tǒng)中具有豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，如圖3所示。

圖3 氨儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1 氨儲(chǔ)能在電源側(cè)的應(yīng)用價(jià)值

氨儲(chǔ)能在電源側(cè)的應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在對(duì)棄電的再利用以及平抑波動(dòng)。

4.1.1 消納棄電

根據(jù)能源發(fā)展戰(zhàn)略和新能源發(fā)展的特點(diǎn)，我國(guó)提出到2050 年風(fēng)電等非化石能源的發(fā)電量占電能消費(fèi)比重超過(guò)60%的發(fā)展目標(biāo)[80]。《中國(guó)可再生能源發(fā)展報(bào)告2021》中指出，2021 年，我國(guó)水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等可再生能源裝機(jī)容量穩(wěn)居世界第一，可再生能源累計(jì)裝機(jī)容量占全國(guó)電源裝機(jī)的44.8%，同比增長(zhǎng)14.4%[81]。但隨著新能源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，帶來(lái)了較為嚴(yán)重的“棄風(fēng)”“棄光”問(wèn)題，制約了其進(jìn)一步規(guī)?；拈_(kāi)發(fā)和利用的同時(shí)也增加了發(fā)電成本。因此，提高新能源利用率，讓我國(guó)豐富的風(fēng)、光等自然資源得以最大化利用，對(duì)新能源的可持續(xù)發(fā)展極為重要[82]。

針對(duì)我國(guó)嚴(yán)重的棄電現(xiàn)象，在新能源風(fēng)電、光伏工程中配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，能顯著降低棄電率。利用電網(wǎng)系統(tǒng)的低谷期，新能源產(chǎn)生的多余電能就地參與合成氨，將電能儲(chǔ)存為氨能?！皸夒?物料-能量”載體體系方案的具體流程（圖4）為：首先通過(guò)電解水制氫技術(shù)生產(chǎn)氫氣，以氫氣和空分產(chǎn)生的氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)物，在300～500℃的催化溫度，150～300atm 的壓力條件下采用Haber-Bosch法合成氨，且工藝過(guò)程所需能量來(lái)源均由棄電提供。

圖4 棄電合成氨流程

儲(chǔ)能技術(shù)是解決新能源發(fā)電中棄電問(wèn)題的可行方法之一，棄電合成氨的工藝流程是一個(gè)利用綠電、綠氫生產(chǎn)綠氨的過(guò)程，在氨的制備過(guò)程中沒(méi)有任何碳排放，為電力系統(tǒng)碳減排工作提供了一條新思路。同時(shí)，根據(jù)具體電廠工況條件設(shè)計(jì)不同規(guī)模的制氨工藝流程，并整合規(guī)劃出電廠氨法脫硫、氨法脫硝、氨法碳捕集的煙氣綜合治理體系，能夠滿(mǎn)足電廠污染物治理過(guò)程中對(duì)吸收劑的需求，為電力行業(yè)雙碳背景下的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型提供技術(shù)途徑，使傳統(tǒng)火電廠通過(guò)儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)品和多元化發(fā)展。合成的氨還可作為清潔燃料參與發(fā)電，完成一個(gè)連續(xù)的儲(chǔ)能過(guò)程。

4.1.2 平抑風(fēng)光出力波動(dòng)

隨著新能源的并網(wǎng)，風(fēng)光的強(qiáng)間歇性和波動(dòng)性等特征使得系統(tǒng)慣量大幅降低，其發(fā)電單獨(dú)運(yùn)行很難與負(fù)荷需求相匹配，為此大規(guī)模新能源的開(kāi)發(fā)和利用給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和發(fā)電質(zhì)量帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?？紤]上述問(wèn)題，可通過(guò)儲(chǔ)能技術(shù)緩解常規(guī)電源調(diào)節(jié)電壓，儲(chǔ)能系統(tǒng)可根據(jù)可再生能源出力和自身荷電狀態(tài)來(lái)決定充放電功率，從而達(dá)到平抑風(fēng)光出力波動(dòng)的效果[83]（圖5）。氨儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站出力尖峰時(shí)吸收富裕電能，在其出力低谷時(shí)向電網(wǎng)反向輸出電能，能夠在一定程度上減小新能源瞬時(shí)波動(dòng)的幅度，使得聯(lián)合功率的曲線(xiàn)變得更加平滑，從而緩解出力波動(dòng)隨機(jī)性對(duì)電網(wǎng)的影響，支撐大規(guī)模新能源電力外送[84]。

圖5 氨儲(chǔ)能平抑風(fēng)光波動(dòng)系統(tǒng)[83]

4.2 氨儲(chǔ)能在電網(wǎng)側(cè)的應(yīng)用價(jià)值

氨儲(chǔ)能在電網(wǎng)側(cè)的應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在為電網(wǎng)運(yùn)行提供調(diào)峰容量。

電網(wǎng)接收消納新能源的能力很大程度上取決于其調(diào)峰能力[73]，現(xiàn)有電力系統(tǒng)在向新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，隨著產(chǎn)業(yè)用電結(jié)構(gòu)的變化和大規(guī)模新能源的滲透，不能滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的電力需求，出現(xiàn)用電高峰時(shí)期缺電，用電低谷時(shí)期設(shè)備利用不足的問(wèn)題，且電網(wǎng)的峰谷差將不斷擴(kuò)大[85]。氨儲(chǔ)能具有容量大和可長(zhǎng)期儲(chǔ)存等特點(diǎn)，可以提供較為可觀的調(diào)峰輔助容量，在電力處于“平”“谷”時(shí)段實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的充電，電力位于“峰”時(shí)段實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)放電。通過(guò)氨能進(jìn)行電網(wǎng)的“削峰填谷”，達(dá)到提高設(shè)備利用率、降低能耗、減少總能源需求的目的，同時(shí)對(duì)于降低電網(wǎng)的網(wǎng)損，更好地實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性也有重大意義。

4.3 氨儲(chǔ)能在用戶(hù)側(cè)的應(yīng)用價(jià)值

氨儲(chǔ)能在負(fù)荷側(cè)的應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在作為應(yīng)急備用電源、穩(wěn)定用電成本、為工業(yè)生產(chǎn)提供氨原料、“氨-氫”融合發(fā)展以及作為燃料應(yīng)用等方面。

4.3.1 作應(yīng)急備用電源

隨著全球氣候變化異常的加劇，極熱、無(wú)風(fēng)等極端天氣不斷增多，極端天氣的出現(xiàn)具有概率小、危害大的特征，對(duì)新型電力系統(tǒng)中新能源高占比情景下的影響極大，提高了供電保障成本，為此需要采取提供應(yīng)急備用電源的措施減少其危害。目前常用的應(yīng)急備用能源包括獨(dú)立于正常電源的發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能系統(tǒng)等[86]。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)作為應(yīng)急備用電源時(shí)不僅具有切換時(shí)間短（毫秒級(jí)）、切換迅速的優(yōu)勢(shì)，且在應(yīng)用時(shí)不需改變用戶(hù)的主接線(xiàn)形式，安裝方式靈活。氨儲(chǔ)能系統(tǒng)具有高安全、長(zhǎng)壽命、大容量等特點(diǎn)，將氨儲(chǔ)存的能量通過(guò)氨燃料電池轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行釋放，能夠在大規(guī)模雪災(zāi)、暴雨等突發(fā)事件可能導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰時(shí)或在負(fù)荷高峰運(yùn)行、出現(xiàn)電力缺口時(shí)作為應(yīng)急備用電源發(fā)電，發(fā)揮應(yīng)急保障作用。目前已有氨燃料電池的實(shí)際應(yīng)用，其在提供質(zhì)量合格的電能方面已經(jīng)沒(méi)有技術(shù)問(wèn)題。據(jù)相關(guān)報(bào)道，現(xiàn)有已商用的氨燃料電池的成本約為0.25USD/kWh，且可以做到連續(xù)供電1年，由此可見(jiàn)，其在經(jīng)濟(jì)成本和連續(xù)運(yùn)行方面具有一定的優(yōu)勢(shì)[87-88]。但氨燃料電池目前仍處于早期應(yīng)用階段，相關(guān)技術(shù)仍有待加快成熟，如，在啟動(dòng)速度方面，現(xiàn)有市售氨燃料電池的啟動(dòng)時(shí)間為2.5h，啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，需大幅度提升其啟動(dòng)速度[86]，當(dāng)相關(guān)性能能夠滿(mǎn)足應(yīng)急發(fā)電任務(wù)的需求時(shí)，氨儲(chǔ)能將助力應(yīng)急發(fā)電服務(wù)向更加優(yōu)質(zhì)、環(huán)保的方向發(fā)展[89]。

4.3.2 穩(wěn)定用電的成本

在新型電力系統(tǒng)中用戶(hù)將從原來(lái)的電力消費(fèi)者身份轉(zhuǎn)型為電力“產(chǎn)消者”身份。隨著我國(guó)季節(jié)電價(jià)的執(zhí)行和峰谷電價(jià)的不斷拉大，可將氨儲(chǔ)能應(yīng)用于峰谷電價(jià)套利。目前我國(guó)絕大部分省市的工業(yè)用戶(hù)已實(shí)施峰谷電價(jià)機(jī)制以鼓勵(lì)用戶(hù)計(jì)劃用電，用戶(hù)可以通過(guò)在電價(jià)較低的用電低谷時(shí)期利用氨儲(chǔ)能裝置將電能轉(zhuǎn)化為氨能進(jìn)行儲(chǔ)存，在用電高峰期將儲(chǔ)存的氨能以電能的形式進(jìn)行釋放加以利用，從而實(shí)現(xiàn)峰谷電價(jià)套利。王月姑等[22]評(píng)估了熱電聯(lián)產(chǎn)、超臨界火力發(fā)電和氨燃料電池3條基于制氨并發(fā)電的路線(xiàn)，并基于現(xiàn)有的氨燃料發(fā)電效率計(jì)算了各路線(xiàn)在全生命周期內(nèi)以電換電的轉(zhuǎn)化效率達(dá)2.5～4.0（kWh/10kWh）。通過(guò)氨能與電能間的相互轉(zhuǎn)化，避免了用電高峰期直接大規(guī)模使用高價(jià)的電網(wǎng)電能，從而降低用戶(hù)的電力使用成本[90]。

4.3.3 提供氨原料

氨是一種重要的無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品和化工原料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，是所有含氮化學(xué)品的源頭化合物，在化肥、燃料、塑料、尼龍、藥物等產(chǎn)品的生產(chǎn)中是不可或缺的原材料[91]。電廠將富余的氨銷(xiāo)售給化肥廠、化工廠等用于制備化肥、化工產(chǎn)品，不僅避免了傳統(tǒng)Haber-Bosch 工藝生產(chǎn)氨排放大量溫室氣體，同時(shí)為降低工業(yè)生產(chǎn)成本和電力企業(yè)盈利開(kāi)辟了新路徑。

4.3.4 “氨-氫”融合發(fā)展

氨作為富氫分子，能夠成為氫的另一種儲(chǔ)存形式，其具有的高儲(chǔ)氫密度、無(wú)碳特性、運(yùn)輸成本低以及可再生能源潛在的氨生產(chǎn)能力等優(yōu)勢(shì)，被視為是合適的儲(chǔ)氫介質(zhì)之一，與甲醇儲(chǔ)氫、金屬儲(chǔ)氫等儲(chǔ)氫介質(zhì)相比具有更大的儲(chǔ)氫潛力[92]，因此用氨來(lái)儲(chǔ)氫、供氫、代氫是目前的重要發(fā)展方向。氨作為理想的儲(chǔ)氫介質(zhì)也有望解決氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的諸多挑戰(zhàn)性難題，國(guó)際上已陸續(xù)開(kāi)展“氨-氫”融合項(xiàng)目。初步估算表明，使用氨分解制氫現(xiàn)場(chǎng)為加氫站供氫，為氫氣加油站提供一種可持續(xù)且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案[93]。發(fā)展“氨-氫”綠色循環(huán)的經(jīng)濟(jì)路線(xiàn)對(duì)保障國(guó)家能源安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[94]。

4.3.5 作為氨燃料

無(wú)碳氨作為燃料可與燃煤摻燒應(yīng)用于終端發(fā)電，同時(shí)氨作為高能量密度、高燃燒熱值的燃料，在燃料電池、鐵路運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域也將發(fā)揮重要作用。氨作為燃料應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)包括燃燒過(guò)程相對(duì)清潔，可實(shí)現(xiàn)零碳排放以及氨的熱值較高，防爆特性好[95]。氨燃料發(fā)電是一種清潔零碳型發(fā)電技術(shù)，能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)提供與傳統(tǒng)火電類(lèi)似的可調(diào)度、可調(diào)節(jié)的電力電量支撐[96]。相關(guān)研究表明，在未來(lái)，氨將進(jìn)一步應(yīng)用于發(fā)電機(jī)組摻燒和作為航運(yùn)的燃料。至2050年，中國(guó)交通行業(yè)將消耗3.8億標(biāo)準(zhǔn)煤能源，其中，氨作為燃料將貢獻(xiàn)4780萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤[97]。

5 氨儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中應(yīng)用的挑戰(zhàn)與展望

5.1 氨儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中應(yīng)用的挑戰(zhàn)

5.1.1 能量轉(zhuǎn)換效率低

制造工藝、相關(guān)設(shè)備和能量轉(zhuǎn)換效率是氨儲(chǔ)能技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)[98]。從純電合成氨角度來(lái)說(shuō)，合成氨路線(xiàn)的理論轉(zhuǎn)化電效率為71.5%，工業(yè)合成效率為45.7%～55.3%[22]?，F(xiàn)有利用氨發(fā)電的相關(guān)研究主要包括燃煤摻氨發(fā)電技術(shù)、氨燃料電池和氨燃?xì)廨啓C(jī)等[99-100]，本文主要列舉了熱電聯(lián)產(chǎn)、火力發(fā)電目前采用的超臨界火力發(fā)電以及氨燃料電池3條氨燃料發(fā)電技術(shù)路線(xiàn)。表4為小型（3000t/a）合成氨廠分別采用3種發(fā)電方案的發(fā)電量及以電制電轉(zhuǎn)換率對(duì)比，從中可以看出，3種發(fā)電路線(xiàn)中氨燃料電池的發(fā)電效率最高，達(dá)到88%，通過(guò)3種發(fā)電效率分別計(jì)算得到氨作為儲(chǔ)能介質(zhì)全生命周期總儲(chǔ)能效率分別為33%、25%、40%[22]。由此可見(jiàn)，我國(guó)目前氨儲(chǔ)能效率和“電-氨-電”模式下的能量轉(zhuǎn)換效率有待進(jìn)一步提高。

表4 氨燃料不同發(fā)電方案效率分析[22]

5.1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的薄弱

制定新型氨儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)新型氨儲(chǔ)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，是實(shí)現(xiàn)氨儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?、進(jìn)程化的前提。我國(guó)2021 年發(fā)布的氫能技術(shù)攻關(guān)目錄中加入了氨儲(chǔ)氫的課題，氨氫融合發(fā)展的序幕由此拉開(kāi)。2022 年，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)印發(fā)的《2022 年全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化工作要點(diǎn)》中發(fā)布實(shí)施了液氨貯存使用的風(fēng)險(xiǎn)防控標(biāo)準(zhǔn)[101]。但在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)層面中，其他領(lǐng)域有關(guān)氨能的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)薄弱[102]，因此在電氨耦合方面，仍需進(jìn)一步加快制定儲(chǔ)氨、制氨過(guò)程中的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以及電氨耦合系統(tǒng)運(yùn)行等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5.1.3 氨的管控

目前，我國(guó)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)對(duì)氨進(jìn)行了嚴(yán)格的管理和控制。如，2014 年國(guó)家能源局發(fā)布的《燃煤發(fā)電廠液氨罐區(qū)安全管理規(guī)定》對(duì)燃煤電廠的液氨儲(chǔ)存提出了多項(xiàng)要求；2019 年頒布的《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》中，將氨儲(chǔ)存量≥10t時(shí)規(guī)定為重大危險(xiǎn)源；此外，氨的安全管理還應(yīng)執(zhí)行《常用化學(xué)危險(xiǎn)品儲(chǔ)存通則》中的相關(guān)要求等[103]。付志新[104]通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)多個(gè)火力發(fā)電廠危險(xiǎn)化學(xué)品用量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研后得出，依據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》，發(fā)電企業(yè)使用的點(diǎn)火輕柴油油罐、儲(chǔ)氫站以及制氫站等均不構(gòu)成危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源，而設(shè)有液氨法煙氣脫硝系統(tǒng)的發(fā)電企業(yè)，氨罐（區(qū)）有可能構(gòu)成危險(xiǎn)化學(xué)品的重大危險(xiǎn)源。由此可見(jiàn)，在氨能快速發(fā)展的大背景下，有關(guān)氨危化品的管理規(guī)定建議也要做相應(yīng)調(diào)整。

5.2 氨儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中應(yīng)用展望

儲(chǔ)能技術(shù)關(guān)系到國(guó)計(jì)民生，具有越來(lái)越重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。由于其自身的優(yōu)勢(shì)，氨儲(chǔ)能將會(huì)給傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、調(diào)度和控制帶來(lái)變革，加速電力系統(tǒng)的發(fā)展[105]。

（1）在可持續(xù)發(fā)展理念下，促進(jìn)氨儲(chǔ)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展能夠成為社會(huì)能源清潔化、可持續(xù)化利用的可行途徑。綠氨的制備、儲(chǔ)存和利用氨能進(jìn)行發(fā)電構(gòu)建微電網(wǎng)系統(tǒng)，能夠有效解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的清潔用能問(wèn)題，增強(qiáng)新型電力系統(tǒng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

（2）氨儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠促進(jìn)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”各環(huán)節(jié)之間相互協(xié)調(diào)互動(dòng)，其建設(shè)能夠有效解決新型電力系統(tǒng)在不同時(shí)間尺度和空間尺度上電力電量的平衡。

（3）降低社會(huì)能源浪費(fèi)，提升能源利用率是能源經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題[106]，作為能源樞紐，氨儲(chǔ)能系統(tǒng)在新型電力系統(tǒng)的電源側(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)“風(fēng)光氨儲(chǔ)能一體化”等多能互補(bǔ)綜合能源基地建設(shè)，有效促進(jìn)電力系統(tǒng)能源利用效率。

（4）氨儲(chǔ)能增加了分布式發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)的可靠性，是提高發(fā)電機(jī)輸出電壓和頻率質(zhì)量的有效可行途徑。氨儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展同時(shí)也有利于促進(jìn)風(fēng)電的就地消納，在當(dāng)前產(chǎn)業(yè)梯度轉(zhuǎn)移的背景下，能夠幫助加快建立風(fēng)電場(chǎng)與高能耗產(chǎn)業(yè)等電力大用戶(hù)和電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行機(jī)制。

（5）利用綠氫和氮?dú)鉃樵希Y(jié)合Haber-Bosch制氨工藝合成氨的工藝過(guò)程產(chǎn)氨量受到了氫產(chǎn)率的限制。利用新型電力系統(tǒng)中可再生能源生產(chǎn)的多余電能，在一定溫度和常壓的環(huán)境下通過(guò)直接電解水和氮?dú)獾姆椒ê铣砂备拥馗咝?。到目前為止，低溫下的電解技術(shù)已經(jīng)在一定程度上取得了相當(dāng)豐碩的成果，但從總體來(lái)看，電解制氨過(guò)程中氨的合成速率還普遍偏低，無(wú)法應(yīng)用于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。因此，如何突破電解制氨技術(shù)的瓶頸，使得氨氣的生產(chǎn)能夠滿(mǎn)足新型電力系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換的需求，是未來(lái)電化學(xué)制氨技術(shù)需要研究的重點(diǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）我國(guó)“雙碳”目標(biāo)要求構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，波動(dòng)性新能源對(duì)靈活性需求日益強(qiáng)烈。電力系統(tǒng)正在經(jīng)歷從系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初的源隨荷動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)楹呻S源動(dòng)、源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)。儲(chǔ)能作為精確可調(diào)的設(shè)備，是保證電網(wǎng)電能質(zhì)量穩(wěn)定的重要手段，通過(guò)儲(chǔ)能長(zhǎng)時(shí)方案和瞬時(shí)方案對(duì)電力系統(tǒng)電力供應(yīng)的調(diào)節(jié)，能夠達(dá)到維護(hù)電網(wǎng)安全和平衡供需關(guān)系的目的。

（2）化學(xué)儲(chǔ)能不受地理、氣候條件等問(wèn)題的限制，電力系統(tǒng)可根據(jù)自身需求建立適當(dāng)規(guī)模大小的化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備，且伴隨著科技的進(jìn)步，化學(xué)儲(chǔ)能的能量轉(zhuǎn)化效率將持續(xù)提升，化學(xué)儲(chǔ)能將成為可再生能源高效利用的利器，在未來(lái)能源體系中占有十分重要的地位。

（3）氨儲(chǔ)能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)發(fā)展中具有廣闊前景，從發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶(hù)側(cè)都可進(jìn)行有效利用，其主要應(yīng)用方向包括：與風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電互補(bǔ)系統(tǒng)組成局域網(wǎng)，作為大規(guī)模電力存儲(chǔ)和負(fù)荷調(diào)峰的手段以及作為大型應(yīng)急備用電源等。

（4）針對(duì)氨儲(chǔ)能在新型電力系統(tǒng)中應(yīng)用面臨諸多挑戰(zhàn)，比如制氨過(guò)程能量轉(zhuǎn)換效率較低、制氨技術(shù)存在瓶頸以及對(duì)氨使用的嚴(yán)格管控等，在新時(shí)期氨能技術(shù)發(fā)展中，應(yīng)注重以下要點(diǎn)：首先，在技術(shù)層面，應(yīng)注重高效電解制氨的深層次研究，同時(shí)要盡可能降低儲(chǔ)氨成本，提升氨儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)電效率；此外，在氨能技術(shù)應(yīng)用中，應(yīng)注重其與電網(wǎng)的互聯(lián)互通，不斷提升儲(chǔ)能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益、質(zhì)量效益和生態(tài)效益；最后，要把握好“建設(shè)全國(guó)統(tǒng)一大市場(chǎng)”的契機(jī)，使市場(chǎng)機(jī)制能夠更好地鼓勵(lì)靈活性資源參與新能源的消納。