已有氫能，為什么要發(fā)展氨能？

核心提示

2021年氫能行業(yè)出現(xiàn)了兩個(gè)新的趨勢，一個(gè)是氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)，一個(gè)是氨能。氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)方面，國內(nèi)的一些主機(jī)廠，包括上汽、一汽、吉利、長城等都在做氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)方面的研發(fā)，詳見氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)是個(gè)啥？能否成為未來一條技術(shù)路線；氨能，則像一陣旋風(fēng)，猛然而至。

本文對氨能做了一個(gè)初步研究和梳理，以供行業(yè)交流。

2021年10月19日至21日在上海舉辦的以“汽車＋X，雙碳背景下汽車科技創(chuàng)新”為主題的2021年中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)上，李俊院士發(fā)表了題為《Autonomy 2．0與Ammonia＝Hydrogen2．0》的主旨報(bào)告，他指出，氫能的長尾效應(yīng)嚴(yán)重阻礙了氫能的利用與商業(yè)化進(jìn)程，而氨能在存儲(chǔ)和運(yùn)輸方面的優(yōu)勢能夠很好的彌補(bǔ)氫能的缺陷，全球已進(jìn)入“氨＝氫2．0”時(shí)代，氫能產(chǎn)業(yè)要準(zhǔn)備向氨方向發(fā)展。

此前，2021年5月26日－28日上海舉辦了第一屆“2021年氨燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展上海國際峰會(huì)論壇”，來自中外的能源廠家、設(shè)備供應(yīng)商和配套廠家均參與其中，交流氨能發(fā)展的新機(jī)會(huì)，反響熱烈。

組織方響應(yīng)產(chǎn)業(yè)界要求，半年后又舉辦了“第二屆氨產(chǎn)業(yè)和氨燃料動(dòng)力系統(tǒng)上海國際論壇”，探討氨產(chǎn)業(yè)和氨燃料動(dòng)力系統(tǒng)在航運(yùn)、船舶、內(nèi)燃機(jī)、飛機(jī)、汽車、市政、電力、工程、港口等清潔新能源市場的機(jī)遇與發(fā)展趨勢。全球前兩大船東MOL和NKY均報(bào)名參加。

氨能在當(dāng)今碳中和的背景下越來越受到各個(gè)國家政府的重視。

2021年4月日本政府發(fā)布了“Japan embracing ammonia power to achiever 2050 zero CO2 target”氨戰(zhàn)略，并且在2020年12月發(fā)布的《以2050年碳中和為目標(biāo)的綠色增長戰(zhàn)略》，2021年10月發(fā)布的《能源戰(zhàn)略計(jì)劃》中，均提到氨能。其中，《能源戰(zhàn)略計(jì)劃》是日本政府基于2002年生效的《能源政策基本法》而制定的政府文件，用于披露能源政策的方向，具有非常重要的參考意義和指導(dǎo)價(jià)值。

此外，韓國產(chǎn)業(yè)通商資源部12月7日主持召開的第二次氫氣和氨氣發(fā)電推進(jìn)會(huì)議上，韓政府宣布將2022年作為氫氣氨氣發(fā)電元年，并制定發(fā)展計(jì)劃和路線圖，力求打造全球第一大氫氣和氨氣發(fā)電國。會(huì)議宣布，政府將投入400億韓元用于有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并于2023年前制定“氫氣和氨氣發(fā)電指南”。

而美國自2004年起每年舉行一次“氨學(xué)術(shù)交流會(huì)議”，更是將2008年的會(huì)議主題定為“氨－美國能源獨(dú)立的關(guān)鍵”。

1

已有氫能，為什么要發(fā)展氨能

第一，氫的燃點(diǎn)為570℃，爆炸極限為4％－75％，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?－3m／s，而氨的燃點(diǎn)為650℃左右，爆炸極限為16％－25％，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s為幾十厘米每秒。另外，氫無色無味，泄露過程中不容易發(fā)現(xiàn)，而氨具有刺激性氣味，在泄露初期更容易被發(fā)現(xiàn)解決。因此，在防爆方面，氨的使用比氫的使用具有更好的安全性。但是也應(yīng)該指出，氨具有毒性，能夠?qū)粑鲤つぎa(chǎn)生不良刺激，由于液氨泄露致人死亡的工程事故不在少數(shù)。

第二，氨具有存儲(chǔ)優(yōu)勢。應(yīng)用場景比較多的儲(chǔ)氫方式主要有三種，分別是液氫儲(chǔ)氫、高壓儲(chǔ)氫和吸附儲(chǔ)氫。在這三種中，最有可能大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)用的分別是液氫儲(chǔ)氫和高壓儲(chǔ)氫兩種，下文對這兩種氣體存儲(chǔ)方式進(jìn)行討論。氫的臨界溫度為零下239．96℃，臨界壓力為1．32MPa。氫如果需要在常壓下保持液態(tài)形式，則需要將環(huán)境溫度繼續(xù)降至零下253℃，這不僅將耗費(fèi)大量的能量制冷，并且，由于內(nèi)外溫差大，氫的氣化不可避免，50立方米的儲(chǔ)氫罐一般會(huì)以每天0．4％的速度發(fā)生蒸發(fā)。氨的臨界溫度高達(dá)132．4℃，此時(shí)的臨界壓力也僅為11．298MPa。因此，氨的儲(chǔ)存比氫的儲(chǔ)存更簡單，氨可以在8．58個(gè)大氣壓下、溫度為20℃的環(huán)境中以液態(tài)的方式儲(chǔ)存，也可以在常壓、溫度為－33℃的條件下儲(chǔ)存液氨。

由于儲(chǔ)存壓力或儲(chǔ)存溫度較低，氨儲(chǔ)氣瓶的材料厚度（或提供強(qiáng)度或提供保溫）可遠(yuǎn)低于氫儲(chǔ)氣瓶，因此氨儲(chǔ)氣瓶占總質(zhì)量比重低，或者是儲(chǔ)氣瓶制造成本差異懸殊，如70MPa碳纖維氫氣儲(chǔ)氣瓶的造價(jià)是普通鋼瓶的10倍以上。另外，氨氣可以在常溫下加壓液化儲(chǔ)存，這能避免液氨氣化導(dǎo)致的氣體損失，從而極大地延長儲(chǔ)存時(shí)間，這是低溫液氫儲(chǔ)存不可能達(dá)到的工況。

第三，氨具有輸運(yùn)優(yōu)勢。首先，氨的體積能量密度是液氫的兩倍。在同樣的容積內(nèi)，能夠輸送的氨能蘊(yùn)含能量高一倍。另外，如前所述，液氫的保存溫度非常低，這需要非常厚的保溫材料。因此儲(chǔ)存的氫氣大約是低溫儲(chǔ)存箱體總質(zhì)量的20％，體積占總箱體的50％。在實(shí)際運(yùn)輸中，需要消耗許多額外的能量用于儲(chǔ)存罐的運(yùn)輸。

最后，氨是一種常用的化工用品，每年世界對氨的需求量為兩億噸左右，一個(gè)廣泛運(yùn)用的氨輸送體系已經(jīng)存在，而氫運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)尚處于制定標(biāo)準(zhǔn)的起步階段（如氫能剛被列為2022年能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)重點(diǎn)方向），以后還需要進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。