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氨氢融合拓宽氢能应用场景

2021.12.22 中国能源报

  日前,全国首家“氨-氢能源重大产业创新平台”落地福建。记者了解到,这一平台将探索“可再生能源电解制氢—清洁高效合成氨-安全低成本储运氨-氢能”零碳循环路线,以快速推动氢能产业规模升级。

  氨既可以作为储氢介质,同时也是相对廉价的零碳燃料,基于此,近年来国内外陆续开展氨氢融合产业项目,业内有专家认为,“氨-氢”能源结合是理想的发展方向之一,对我国实现碳达峰碳中和目标具有重要意义。

  既是氢能载体,又是零碳燃料

  据介绍,氨本身是一种零碳化合物,同时能量密度很高,是液氢的1.5倍。在化学性质方面,氨的液化温度只有零下33摄氏度,非常容易液化,与之相比,氢液化温度则需要降至零下253摄氏度左右,无论是车辆运输还是管道运输,液氨的难度都相对更低。

  氢能除了面临成本挑战之外,还面临储运难题。因此,国内外开始将氨作为氢的储运介质进行研究。值得注意的是,除了作为氢能载体,氨还是一种零碳燃料。据介绍,氨和氧的燃烧反应产物为水和氮气,氮气约占空气78%,因此氨的燃烧过程实现了零碳排放。

  澳大利亚工程院院士程一兵在论坛上表示,氨作为一种零碳燃料,对硅酸盐建材和火力发电行业实现降碳目标具有重要的意义。据分析,到2050年、2060年即便全球实现碳中和,仍然有接近1/4的能源要依赖燃料,包括海运、长途重载汽车、炼钢、高温工业制造、航空等,因此需要氨燃料进行含碳燃料的替代。

  氨氢能源融合项目加速布局

  基于氨的上述特性,业内开始追求氨氢能源融合,打造氢能储运新体系。此外,国内外还开始将氨氢混烧燃料作为重要的减碳途径之一。

  近年来,能源资本开始大举进入绿氨行业。资料显示,发动机企业康明斯、氢燃料电池龙头企业普拉格等都开始打造氨氢供应链。据美国媒体《市场观察》报道,今年11月,普拉格获得埃及订单,为年产9万吨的绿氨提供10万千瓦的电解设备,生产的绿氨将被作为富氢燃料使用。

  2020年,美国最大气体产品和化工公司在沙特联合开发400万千瓦的制氢项目,建设绿氢工厂,项目总投资达50亿美元,是迄今为止宣布的全球最大氢能项目。投产后,工厂每天生产650吨绿氢,可为2万辆氢燃料公共汽车提供动力。为了便于运输和出口,该厂还将应用“氢氨转换技术”,届时还能生产120万吨/年的氨,终端用户再将氨转为氢,预计到2025年可正式生产氨。

  2021年,全球最大氨生产商挪威Yara国际公司与挪威可再生能源巨头Statkraft以及可再生能源投资公司AkerHorizons宣布要在挪威建立欧洲第一个大规模的绿色氨项目

  此外,日本也高度重视氨燃料产业链布局。厦门大学能源学院教授王兆林介绍称,在日本,氨燃料技术的研发与测试已持续多年。日本煤电的降碳方案之一,就是开始大幅度向煤、氨氢混烧迈进,目前,技术水平现已达到商用规模。根据日本经济产业省公布的数据,到2030年,日本的发电用燃料中氢和氨将各占10%,到2050年,将在全球建成1亿吨规模的氨供应链网络。

  氨储氢供氢代氢是重要方向

  王兆林强调,我国有非常成熟的氨运输和分配体系,氨更安全、更易储运,且同体积的液氨比液氢多至少60%的氢,经济性优势凸显,因此以氨储氢、供氢、代氢是氢能的发展趋势之一。

  “目前,高压储氢罐成本约为60万/个,液氢储运设备成本为120-150万元/套。由于氨的储运体系成熟,储罐成本相较于氢低约50倍。同时,氨的储运能耗及损失比氢低很多,同样距离和输送条件下,氨相比天然气可输送多的能量还要多一倍,现有天然气管道稍加改造即可用于输送氨。”王兆林表示。

  程一兵也认为,氢氨融合是国际清洁能源的前瞻性、颠覆性、战略性的技术发展方向,是解决氢能发展重大瓶颈的有效途径,同时也是实现高温零碳燃料的重要技术路线。但需要注意的是,尽管国外已逐步开展氨氢融合应用项目,但国内的研究与应用仍较少。

  上述专家提醒,落实到具体应用层面,氨燃料仍存在技术挑战。首先,氨燃烧速度和热值较低,且远低于氢,不利于高效率的工业应用,其次,氨不太容易点燃和实现稳定燃烧。此外,实现大规模的氨氢转换与储运,需要在大容量储运设备、催化剂等方面进行进一步技术攻关。