氨储能在新型电力系统的应用前景、挑战及发展

杨鹏威，于琳竹，王放放，蒋昊轩，赵光金，李琦，杜铭哲，马双忱

（1 华北电力大学环境科学与工程系，河北 保定 071003；2 国网河南省电力公司电力科学研究院，河南 郑州 450000）

我国是世界上的能源消费和生产大国，一次能源生产、消费规模巨大，能源供需结构主要以煤炭、石油、天然气等化石能源为主，呈现出“富煤、缺油、少气”的资源禀赋特点[1]。近年来，我国积极加快推进产业结构和能源结构调整，使得能源消费结构逐步优化，能源利用效率大大提高，单位国内生产总值（GDP）碳排放实现年均下降超过5 个百分点[2]。尽管如此，我国能源仍然呈现出碳排放总量大、能耗高的特点，以煤炭为主的能源消费结构是我国迈向低碳发展模式的主要制约因素之一，因此在“双碳”愿景下，发展低碳和无碳等清洁能源，是减少化石能源依赖和消费的必然选择。据统计，能源行业碳排放量占我国碳排放总量的88%，其中，电力行业碳排放量占比超过40%[3]。因此，我国为如期实现“双碳”目标，能源行业堪称主战场，电力行业堪称主阵地。随着我国电气化水平的日益增长，构建以新能源为主体的新型电力系统对“双碳”目标的实现将起到十分重要的作用。

新型电力系统是以确保能源电力安全为基本前提，以满足社会经济发展电力需求为首要目标，以坚强智能电网为枢纽平台，以最大化消纳新能源为主要任务的电力系统，具有智能互动、广泛互联、安全可控等特点[4]。截至2021年底，我国可再生能源装机突破10亿千瓦，占我国发电装机总容量的44.8%，可再生能源发电量占全社会总用电量的29.7%，其中风光发电占比9.7%[5]。新能源正逐渐成为电力消费的增量主体。氨能是一种绿色低碳、应用广泛、原料丰富的二次能源，我国每年合成氨的总产量达6000万吨以上，占世界总产量的1/3[6]。氨（NH3）是一种富氢化合物，所含氢元素的质量分数达17.6%，在相同温度和压力下液氨的能量密度远远大于氢[7]，且燃烧不会排放二氧化碳，被认为是较有前景的零碳燃料。因此，氨能在保障新型电力系统的安全、低碳运行等方面将发挥重要的价值。

1 化学储能系统

1.1 储能系统的分类及特征比较

在“双碳”目标的背景下，储能技术作为增强电力系统接纳可再生能源发电能力的有效途径，对能源转型和双碳的进程具有深度的影响，受到了国内外的广泛关注[8]。储能系统通过减少上级主变压器的下送功率同时减少输电线路的输送功率需求，既可解决弃电问题，又能解决局部供电不足的问题[9]。

储能系统主要分为机械储能、电化学储能、电磁储能、化学储能以及热储能等类型，其中应用最广泛的是机械储能和电化学储能[10]。机械储能技术即将电能转化为机械能进行储存，涵盖了飞轮储能、抽水储能、压缩空气储能等，具有使用寿命长、充放电循环次数多等优势，但机械储能技术对外界的物理环境具有一定的要求[11]。电化学储能指的是以锂电池为代表的各类二次电池储能，主要包括钠硫电池、锂离子电池、燃料电池和液流电池等。与机械储能相比，电化学储能受地形等因素影响小，因此能够更加灵活地应用于电厂的发电侧、输配电侧和用电侧[12]。电磁储能属于快速功率响应型储能，主要以超级电容、超导为储能介质，包括超级电容储能和超导储能等[13]。化学储能是指利用化学物质作为能量载体的储能方式。热储能则包括显热储热、相变储热和热化学储热等形式。不同储能系统的特征及应用比较见表1。

1.2 化学储能

开发和利用可再生能源是解决能源危机和环境问题的必经之路，但面对可再生能源发电不稳定性和间歇性等问题，发展创新型储能技术势在必行[31]。化学储能是一种将能量储存在化合物中，以化学键为媒介储存能量，通过化学反应实现能量的储存与输出的储能方式[32]。新能源领域的化学储能是指利用无法消纳的新能源产生的电力进行规模化合成能源物质，然后将能源物质运输到需要消纳的地方进行能量的释放，完成整个能量的存储和转化过程[33]，最具有代表性的化学储能包括氢储能、氨储能和甲醇储能三种储能方式。化学储能的规模可大可小，具有广阔的创新前景，可以有效解决“弃风”“弃光”等问题，在新型电力系统中将有力推动可再生能源高效利用。

1.3 氨储能和氢、甲醇储能的比较

从能量密度角度分析，氨储能、氢储能和甲醇储能等纯化学储能技术被认为是未来最具可能性的超大规模储能技术方向[34]。氨储能属于化学储能，具有储存方便、安全性可靠、成本低廉等优势，在应对当今全球气候问题和能源问题等挑战时能够发挥重要作用。氢储能是一种新型储能方式，被认为是智能电网和可再生能源发电规模化发展的潜在支撑[35]，在储能的过程中能够发挥氢气的高载能属性，达到消纳和储存电力的目的。与氨储能特征相似，氢储能具有储能容量大、适合储能周期长、不需要特定地理条件等特点，在储能的时间维度和空间维度上具有一定的优势，可以作为大规模储能介质，弥补传统电能不易储存的缺陷[36]。但与氨储能相比，氢储能的推广应用和发展仍然有很多瓶颈需要突破，氢储能从制备成本到运输方式的每一个环节都存在较大的技术壁垒和难题，同时氢气具有易燃、易泄漏、易引发金属氢脆等较为突出的安全性问题，如何实现低成本产氢，能否解决氢气安全有效储存和运输的问题是制约氢储能大规模应用的决定性因素[37-38]。

随着绿氢时代的到来，传统工业技术路线已经无法满足社会对清洁氢能的广泛需求，面对氢能利用的尴尬局面，寻找经济安全、高效灵活的制氢方法和储氢材料尤为重要[39]。甲醇、氨等储氢介质由于具有易于运输和储存等优势，近年来被认为是方便和较安全的化学储能介质。甲醇所含氢元素的质量分数达12.5%，略低于氨所含氢元素质量分数，但其体积储能密度与氨相当。在甲醇储能的路径中，氢作为一种原料参与CO2转化为甲醇的电能转化过程[40]。相比氢储能，甲醇储能的优势在于作为液体燃料，甲醇更加便于长期储存，安全风险低，运输成本也较低。同时，甲醇作为石油化工等产品的原料和燃料替代品具有多元的终端用户且配套基础设施成熟。但从电输入到电产出的效率来看，甲醇储能的效率为12.4%～14.7%，因此从“电-甲醇-电”角度而言，目前甲醇用作电能的储存介质并不理想[39]，有待相关技术的进一步发展。

2 氨储能系统与技术

2.1 氨储能系统

基于未来新能源的发展与分布，储能系统和电网结构将发生根本性的变革，Wang 等[41]认为电化学储能、氢储能和氨储能3种储能方式被视为未来需要持续发展的储能技术，其中氨储能系统被认为更适合于长期储能和大规模应用。氨储能系统是指利用合成氨进行能量的储存和释放[26]，可通过将太阳能、风能等新能源发电的电能以氨能的形式储存，应用时以热能、电能等形式进行释放[42-43]。目前工业上合成氨通常采用Haber-Bosch 法，即通过氮气和氢气在高温（300～500℃）高压（150～300atm，1atm=101325Pa）的反应条件下在铁基催化剂的作用下合成氨[44]，技术十分成熟。传统制氨反应为N2+3H2—→— 2NH3。

在生产方式上，氨的生产可以划分为灰氨（消耗化石燃料生产氨）、蓝氨（结合碳捕捉的消耗化石燃料生产氨）和绿氨（利用可再生能源生产氨）3种，目前工业上通过Haber-Bosch法制备的氨多为灰氨，需以煤炭作为原料，每生产1t氨，会排放4.2t CO2，但随着未来对制备蓝氨和绿氨技术的研发加速，有望实现制氨过程的零碳排放。绿氨制备技术的反应式为N2+(H)—→— NH3，式中的H 代表为氨提供氢原子的含氢载体，包括H2O和绿H2等。

与其他储能方式相比，氨储能具有以下几方面的特征：① 在储运方式灵活性方面，氨在标准大气压下-33℃就能实现液化，便于储存和运输，并且在我国具有非常完备的氨运输和分配体系；② 在地理限制方面，与抽水储能等储能方式不同，氨储能占地空间较小，且不需特定的地理环境及位置；③ 在储能容量方面，氨的储能密度高达11.8GJ/m3，其能量密度是氢的2倍，是锂离子电池的9倍，与甲醇相当[45-47]，且同体积的液氨比液氢的含氢量高60%[48]；④ 在储能寿命和储能经济性方面，Wang等[49]研究表明，相比于氢和锂电池储能，氨储能时间长达10～10000h，适用于长期规模的储能，同时氨储能所需费用更低，经济优势显著，氢、氨、锂离子电池储能时间和储存费用如图1所示；⑤ 在环境效益方面，氨储能可以实现无碳储能，在电力系统中利用电解法生产绿氢，利用绿氢合成氨，在制备氨的过程中不会排放出任何CO2，实现真正的零碳排放。

2.2 氨储能技术

氨基热化学储能的方法为解决太阳能发电的间断性和不稳定性提供了一条有效的途径[50]。龙新峰等[51]根据氨基热化学储能的基本原理建立了合成氨放热反应器的数学模型，定量分析并讨论了在一定设计压力和氢氮比条件下，进气温度和进气流量对反应的影响，模拟结果表明，反应器内催化床层的平均温度是实现能量最大转化的重要参数，当反应温度为650℃时能够输出最大的热能。此外，Wang等[49]对太阳能-氨能转化的能源效率、技术可行性和经济性进行了分析，发现氨在大规模存储可再生能源方面具有很大潜力，太阳能到氨能的转化为存储大量过剩能源，便于其能够广泛的应用提供了巨大的优势。Morgan等[52]则对将从风力涡轮机中生产的电能转化为氨能的系统进行了研究，在该风-氨系统中，风力发电和传统的空气分离装置、碱性电解槽、机械蒸汽压缩脱盐和Haber-Bosch 系统构成一个环路，被用于生产无碳氨燃料，同时使用归一化结果计算系统的总寿命和成本，将其与传统的纯柴油系统相比较，得出了在收支平衡的情况下计算柴油价格时，风力发电的氨生产更具有竞争力的结论。王震等[53]对MnCl2/NH3热化学吸附系统的储热性能进行了研究，结果表明，当系统在解吸充热温度、吸附放热温度和冷凝/蒸发温度分别为162℃、45℃和25℃的条件下运行时，能够获得最大的吸附储热密度，其值可达到1296.36kJ/kg。

2.3 全球主要国家氨能政策和应用案例

2022年1月29日，由国家发展和改革委员会、国家能源局印发的《“十四五”新型储能发展实施方案》中，将氨能列入“十四五”新型储能标准体系重点方向和“十四五”新型储能技术装备攻关，强调了氨的氢基储能和低碳燃料的属性[54]。近年来，国际上也逐渐开启了氢氨融合发展的大潮，氢氨融合被视为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，各国积极制定氨能政策，开展有关氨氢融合项目的实践工作，全球正在迈向“氨=氢2.0时代”。表2 列出了国外主要国家氨能政策和应用案例[55-56]。与此同时，我国也在积极开展有关氨氢融合项目的相关研究，批准成立了“宁夏氨氢产业联盟”等多项氨氢融合相关项目，并规划了以宁夏吴忠市为中心的“中国氨氢谷”示范基地[57]。2021年5月，在我国上海举办的第一届“2021 年氨燃料电池动力系统产业发展上海国际峰会论坛”上，来自国内外的能源厂家和研究人员参与了氨能发展新机会的研讨。此外，中国机械设备工程有限公司加入亚太“绿氢”“绿氨”供应链，竭力成为国际市场上开发绿氨工程的承包商，使绿氨产品走向国际市场[58]。

表2 国外主要国家或地区氨能政策和应用案例[55-56]

3 氨储运

3.1 物理储氨

氨作为一种重要的化工原料之一，在工业上具有广泛的应用价值，通常以液态形式进行储存和运输。储运氨的方式通常有两种：一种方式是在环境温度的条件下加压储存；另一种方法是保持在大气压的环境压力下对氨气进行降温储存，采用该方法进行储氨时由于条件较为温和故可采用轻质低成本的储罐[59]。传统液氨生产企业一般采用专用材料制作的耐压容器，如球罐或者卧式储罐以全冷冻或全压力的方式进行液氨的储存，并由槽车或氨钢瓶进行包装运输[60]，考虑到氨对部分金属具有腐蚀性，实际应用时也可以采用碳纤维或带有聚乙烯内衬套的不锈钢储罐进行储运[61]。不同燃料储存方式及成本见表3[62]，从中可以看出，氨的能量密度与压缩天然气和甲醇相近，但其单位能量成本在所有燃料中占有一定优势，大约为汽油能量成本的1/2。

表3 不同燃料储存方式及成本比较[62]

3.2 吸附储氨

近年来，为加强氨储存和运输的安全性，国内外研究人员不断研发新型储氨技术和方法，开发出了吸附储氨技术。与常规的液态储氨方法相比，利用高吸附量的储氨材料进行氨的吸附和储存能够减少将氨气在高压或低温时液化产生的能耗。目前研究发现的吸附储氨方法大多为化学储氨且为固态储氨技术。固态储氨技术主要应用于重型柴油车辆排放尾气中氮氧化物的还原，在我国日益严格的排放法规要求下，固态氨技术将有望成为汽车领域“国六”排放的领先技术，在有效减排氮氧化物等方面具有革命性意义[63]。Hummelshøj 等[64]利用金属胺络合物Mg(NH3)6Cl2作为储氨材料，发现镁氨络合物形成的纳米孔结构有助于将吸附的氨从大量压实存储材料的内部转移出去，该材料对氨的解吸相对容易，在反应温度为620K 的条件下[65]，当纳米孔结构的孔径达到20nm，孔隙体积为2cm3/g时，氨的解吸率可达到91.7%，其发生的反应为Mg(NH3)6Cl2—→— MgCl2+6NH3。

Feng等[66]对实际可控硅催化剂的氨储存特性进行了研究，表明空间速度、排气温度等因素对饱和氨储存具有不同的影响，并提出了一种由非线性氨存储模型和具有时滞的多电阻-电容模型组成的可嵌入式SCR模型，以达到氨的量化存储。Bialy等[67]合成了一系列新的、稳定的、具有优越氨存储密度的氯化锶固态溶液，通过调整钡和锶的比值，得到了不同氨吸附和解吸性质下不同的晶体相和组成，研究发现在钡和锶的摩尔分数范围分别为35%～50%和50%～65%时，实际使用的氨密度高于任何纯金属卤化物，并且实际可获得的氨密度超过99%的液氨密度。

3.3 低浓度氨分离技术

液氨在生产和应用的过程中，由于氨具有挥发性，大量的氨气可能会通过设备的放空管道排放到空气中，造成环境的污染和资源的浪费，为了避免氨废气的排放，可通过合理的方式进行氨的回收。与此同时，我国废水向地表水中过量排放氨的行为也受到了更加严格标准的监管。针对现有的废氨水回收中产生的大量稀氨水等问题，陈瑞坚[68]提出了一种效率较高的低浓度氨水分离提纯制备高浓氨的方法。An 等[69]提出了一种基于泡沫分离的先进空气汽提技术，能够在低pH 下从水溶液中去除低浓度的氨氮，同时研究了空气流速、温度、pH 和初始氨氮浓度等条件对去除效率的影响，实验结果表明，先进的空气汽提技术是一种很有前途的降低水体中低浓度NH4+的技术。马双忱课题组[70-71]对氨法脱碳过程中氨的逃逸规律以及再生氨法碳捕集过程中氨的逃逸问题进行了探究，在研究氨法脱碳过程中氨的逃逸规律时基于金属离子的络合效果探讨了几种金属离子对氨逃逸的抑制效果，实验结果发现，Ni2+对氨逃逸具有较好的抑制效果，解决再生氨法碳捕集过程中氨的逃逸问题时，研究结果表明，丙三醇和Co2+对氨的逃逸均表现出较好的抑制效果，平均抑氨效率在40%以上。

4 氨储能系统在新型电力系统中的应用价值

构建以新能源为主体的新型电力系统，将从根本上改变我国以化石能源发展为主的能源格局，是实现能源转型的必然要求，也将是我国实现碳达峰、碳中和目标和实现高质量发展的重要途径[72]。在传统电力系统向新型电力系统转型的过程中，电力系统相关物质基础和技术基础发生了持续性的重要变化[4,73-75]（图2）。

图2 新型电力系统与传统电力系统的对比

（1）从发电侧来看，电力将由以燃煤发电为主的发电模式向以风、光等新能源为主体的发电模式转型，构建以新能源逐步增加的新型电力系统。同时，将由高碳电力系统向清洁高效低碳、零碳电力系统转型，电力系统CO2排放量将于2030 年实现达峰。主体电源需具有一定程度的主动支持、调节与故障穿越等“构网”能力，承担支撑与调节的作用。

（2）从电网侧来看，电网形态将从原有的集中化电网向微电网、柔直电网等多种电网形态并存转变，使电网呈现分布化、扁平化的特点，电网的数字化水平将有所提高。随着电网规模进一步扩大[76]，新能源代替化石能源装置在空间上产生的能量不平衡性将越发凸显。如我国西部、北部地区的太阳能和风能资源丰富，而我国中部、东部等地区资源有限，故以新能源为主体的发电方式受地域差异的限制明显，跨区域输送可再生能源将成为重要的电能传输方式。

（3）从用户侧来看，用户将从电力消费者转型为电力“产消者”，即总体架构分布式发电设备的用户在电力富余时作为生产者出售电力，在电力不足时作为消费者购买电力[77]。此外，新型电力系统还将耦合更多新型且多元化储能设备，综合运用储能、热泵、智能电表等技术手段以实现高效管理，提高能源的利用效率和负荷的可调节性。

针对上述的变化与挑战，新型电力系统将面对更多新的诉求，如风能、太阳能等新能源存在高度不确定性等问题，将会制约其高水平的消纳利用，因此为实现不同时间尺度上的功率与能量平衡，统筹发展不同储能系统的重要性越发明显；对于高比例可再生能源发电产生的能量在空间上分布不平衡问题，亟需引入大规模、跨区域的新兴调峰手段；实现能源电力低碳转型，要统筹协调电力行业与其他行业的碳减排进程，考虑新型储能等关键技术在电力系统中的应用，对低碳转型路径的影响尤为重要。面对以上诉求，氨能在新型电力系统中的应用能够发挥如下作用。

（1）氨作为储能介质具有储能密度高、能量密度大、储能周期长等特性，利用电力系统发电高峰时产生的多余电能参与合成氨，可将电能以化学能的形式进行储存，在更长的时间维度上调节新能源发电波动，解决风能、光伏发电的时段、季度不平衡问题，以实现跨季节、长时间的储能。

（2）氨储能对地理条件要求较低，且就运输方面而言，国内合成氨市场成熟，运输网络完善，氨能的运输不受输配电网络的限制，氨储电能够改善可再生能源位置的依赖性问题，完成能量的地域性转移，实现大规模、跨区域调峰，因此，氨是非常有潜力的大规模储能介质。

（3）氨作为还原剂，能够应用到电厂烟气脱硫、脱硝和碳捕集等工作中，燃煤电厂通过自己制备氨，可以满足电厂污染物治理过程中对吸附剂的巨大需求[78]。此外，以氨代替部分燃煤，采用氨与煤在锅炉中混燃的方式进行发电能够显著降低燃煤机组的CO2排放[79]，为电力企业碳减排工作提供了一条新思路。

氨储能在新型电力系统中的应用主要是跨时空、大规模的储存作用以及其对电厂污染物的治理，在新型电力系统中具有丰富的应用场景，如图3所示。

图3 氨储能在新型电力系统中的应用

4.1 氨储能在电源侧的应用价值

氨储能在电源侧的应用价值主要体现在对弃电的再利用以及平抑波动。

4.1.1 消纳弃电

根据能源发展战略和新能源发展的特点，我国提出到2050 年风电等非化石能源的发电量占电能消费比重超过60%的发展目标[80]。《中国可再生能源发展报告2021》中指出，2021 年，我国水电、风电、太阳能发电等可再生能源装机容量稳居世界第一，可再生能源累计装机容量占全国电源装机的44.8%，同比增长14.4%[81]。但随着新能源产业的迅速发展，带来了较为严重的“弃风”“弃光”问题，制约了其进一步规模化的开发和利用的同时也增加了发电成本。因此，提高新能源利用率，让我国丰富的风、光等自然资源得以最大化利用，对新能源的可持续发展极为重要[82]。

针对我国严重的弃电现象，在新能源风电、光伏工程中配置储能系统，能显著降低弃电率。利用电网系统的低谷期，新能源产生的多余电能就地参与合成氨，将电能储存为氨能。“弃电-物料-能量”载体体系方案的具体流程（图4）为：首先通过电解水制氢技术生产氢气，以氢气和空分产生的氮气作为反应物，在300～500℃的催化温度，150～300atm 的压力条件下采用Haber-Bosch法合成氨，且工艺过程所需能量来源均由弃电提供。

图4 弃电合成氨流程

储能技术是解决新能源发电中弃电问题的可行方法之一，弃电合成氨的工艺流程是一个利用绿电、绿氢生产绿氨的过程，在氨的制备过程中没有任何碳排放，为电力系统碳减排工作提供了一条新思路。同时，根据具体电厂工况条件设计不同规模的制氨工艺流程，并整合规划出电厂氨法脱硫、氨法脱硝、氨法碳捕集的烟气综合治理体系，能够满足电厂污染物治理过程中对吸收剂的需求，为电力行业双碳背景下的战略转型提供技术途径，使传统火电厂通过储能实现多产品和多元化发展。合成的氨还可作为清洁燃料参与发电，完成一个连续的储能过程。

4.1.2 平抑风光出力波动

随着新能源的并网，风光的强间歇性和波动性等特征使得系统惯量大幅降低，其发电单独运行很难与负荷需求相匹配，为此大规模新能源的开发和利用给电力系统的安全稳定运行和发电质量带来了严峻挑战。考虑上述问题，可通过储能技术缓解常规电源调节电压，储能系统可根据可再生能源出力和自身荷电状态来决定充放电功率，从而达到平抑风光出力波动的效果[83]（图5）。氨储能系统在风电场、光伏电站出力尖峰时吸收富裕电能，在其出力低谷时向电网反向输出电能，能够在一定程度上减小新能源瞬时波动的幅度，使得联合功率的曲线变得更加平滑，从而缓解出力波动随机性对电网的影响，支撑大规模新能源电力外送[84]。

图5 氨储能平抑风光波动系统[83]

4.2 氨储能在电网侧的应用价值

氨储能在电网侧的应用价值主要体现在为电网运行提供调峰容量。

电网接收消纳新能源的能力很大程度上取决于其调峰能力[73]，现有电力系统在向新型电力系统转型的过程中，随着产业用电结构的变化和大规模新能源的渗透，不能满足快速增长的电力需求，出现用电高峰时期缺电，用电低谷时期设备利用不足的问题，且电网的峰谷差将不断扩大[85]。氨储能具有容量大和可长期储存等特点，可以提供较为可观的调峰辅助容量，在电力处于“平”“谷”时段实现电网的充电，电力位于“峰”时段实现电网放电。通过氨能进行电网的“削峰填谷”，达到提高设备利用率、降低能耗、减少总能源需求的目的，同时对于降低电网的网损，更好地实现电力系统的安全性、稳定性和可靠性也有重大意义。

4.3 氨储能在用户侧的应用价值

氨储能在负荷侧的应用价值主要体现在作为应急备用电源、稳定用电成本、为工业生产提供氨原料、“氨-氢”融合发展以及作为燃料应用等方面。

4.3.1 作应急备用电源

随着全球气候变化异常的加剧，极热、无风等极端天气不断增多，极端天气的出现具有概率小、危害大的特征，对新型电力系统中新能源高占比情景下的影响极大，提高了供电保障成本，为此需要采取提供应急备用电源的措施减少其危害。目前常用的应急备用能源包括独立于正常电源的发电机组、储能系统等[86]。当储能系统作为应急备用电源时不仅具有切换时间短（毫秒级）、切换迅速的优势，且在应用时不需改变用户的主接线形式，安装方式灵活。氨储能系统具有高安全、长寿命、大容量等特点，将氨储存的能量通过氨燃料电池转化为电能进行释放，能够在大规模雪灾、暴雨等突发事件可能导致电网崩溃时或在负荷高峰运行、出现电力缺口时作为应急备用电源发电，发挥应急保障作用。目前已有氨燃料电池的实际应用，其在提供质量合格的电能方面已经没有技术问题。据相关报道，现有已商用的氨燃料电池的成本约为0.25USD/kWh，且可以做到连续供电1年，由此可见，其在经济成本和连续运行方面具有一定的优势[87-88]。但氨燃料电池目前仍处于早期应用阶段，相关技术仍有待加快成熟，如，在启动速度方面，现有市售氨燃料电池的启动时间为2.5h，启动时间较长，需大幅度提升其启动速度[86]，当相关性能能够满足应急发电任务的需求时，氨储能将助力应急发电服务向更加优质、环保的方向发展[89]。

4.3.2 稳定用电的成本

在新型电力系统中用户将从原来的电力消费者身份转型为电力“产消者”身份。随着我国季节电价的执行和峰谷电价的不断拉大，可将氨储能应用于峰谷电价套利。目前我国绝大部分省市的工业用户已实施峰谷电价机制以鼓励用户计划用电，用户可以通过在电价较低的用电低谷时期利用氨储能装置将电能转化为氨能进行储存，在用电高峰期将储存的氨能以电能的形式进行释放加以利用，从而实现峰谷电价套利。王月姑等[22]评估了热电联产、超临界火力发电和氨燃料电池3条基于制氨并发电的路线，并基于现有的氨燃料发电效率计算了各路线在全生命周期内以电换电的转化效率达2.5～4.0（kWh/10kWh）。通过氨能与电能间的相互转化，避免了用电高峰期直接大规模使用高价的电网电能，从而降低用户的电力使用成本[90]。

4.3.3 提供氨原料

氨是一种重要的无机化工产品和化工原料，在国民经济中占有重要地位，是所有含氮化学品的源头化合物，在化肥、燃料、塑料、尼龙、药物等产品的生产中是不可或缺的原材料[91]。电厂将富余的氨销售给化肥厂、化工厂等用于制备化肥、化工产品，不仅避免了传统Haber-Bosch 工艺生产氨排放大量温室气体，同时为降低工业生产成本和电力企业盈利开辟了新路径。

4.3.4 “氨-氢”融合发展

氨作为富氢分子，能够成为氢的另一种储存形式，其具有的高储氢密度、无碳特性、运输成本低以及可再生能源潜在的氨生产能力等优势，被视为是合适的储氢介质之一，与甲醇储氢、金属储氢等储氢介质相比具有更大的储氢潜力[92]，因此用氨来储氢、供氢、代氢是目前的重要发展方向。氨作为理想的储氢介质也有望解决氢能产业发展存在的诸多挑战性难题，国际上已陆续开展“氨-氢”融合项目。初步估算表明，使用氨分解制氢现场为加氢站供氢，为氢气加油站提供一种可持续且经济高效的解决方案[93]。发展“氨-氢”绿色循环的经济路线对保障国家能源安全和社会经济可持续发展具有重要意义[94]。

4.3.5 作为氨燃料

无碳氨作为燃料可与燃煤掺烧应用于终端发电，同时氨作为高能量密度、高燃烧热值的燃料，在燃料电池、铁路运输、航空航天等领域也将发挥重要作用。氨作为燃料应用的优势包括燃烧过程相对清洁，可实现零碳排放以及氨的热值较高，防爆特性好[95]。氨燃料发电是一种清洁零碳型发电技术，能够为电力系统提供与传统火电类似的可调度、可调节的电力电量支撑[96]。相关研究表明，在未来，氨将进一步应用于发电机组掺烧和作为航运的燃料。至2050年，中国交通行业将消耗3.8亿标准煤能源，其中，氨作为燃料将贡献4780万吨标准煤[97]。

5 氨储能在新型电力系统中应用的挑战与展望

5.1 氨储能在新型电力系统中应用的挑战

5.1.1 能量转换效率低

制造工艺、相关设备和能量转换效率是氨储能技术面临的主要挑战[98]。从纯电合成氨角度来说，合成氨路线的理论转化电效率为71.5%，工业合成效率为45.7%～55.3%[22]。现有利用氨发电的相关研究主要包括燃煤掺氨发电技术、氨燃料电池和氨燃气轮机等[99-100]，本文主要列举了热电联产、火力发电目前采用的超临界火力发电以及氨燃料电池3条氨燃料发电技术路线。表4为小型（3000t/a）合成氨厂分别采用3种发电方案的发电量及以电制电转换率对比，从中可以看出，3种发电路线中氨燃料电池的发电效率最高，达到88%，通过3种发电效率分别计算得到氨作为储能介质全生命周期总储能效率分别为33%、25%、40%[22]。由此可见，我国目前氨储能效率和“电-氨-电”模式下的能量转换效率有待进一步提高。

表4 氨燃料不同发电方案效率分析[22]

5.1.2 技术标准的薄弱

制定新型氨储能产业链各环节技术标准，推进新型氨储能技术标准化建设，是实现氨储能产业规模化、进程化的前提。我国2021 年发布的氢能技术攻关目录中加入了氨储氢的课题，氨氢融合发展的序幕由此拉开。2022 年，国家标准化管理委员会印发的《2022 年全国标准化工作要点》中发布实施了液氨贮存使用的风险防控标准[101]。但在国家标准层面中，其他领域有关氨能的技术标准相对薄弱[102]，因此在电氨耦合方面，仍需进一步加快制定储氨、制氨过程中的技术标准，以及电氨耦合系统运行等相关标准。

5.1.3 氨的管控

目前，我国相关法规和标准已经对氨进行了严格的管理和控制。如，2014 年国家能源局发布的《燃煤发电厂液氨罐区安全管理规定》对燃煤电厂的液氨储存提出了多项要求；2019 年颁布的《危险化学品重大危险源辨识》中，将氨储存量≥10t时规定为重大危险源；此外，氨的安全管理还应执行《常用化学危险品储存通则》中的相关要求等[103]。付志新[104]通过对国内多个火力发电厂危险化学品用量的现场调研后得出，依据《危险化学品重大危险源辨识》，发电企业使用的点火轻柴油油罐、储氢站以及制氢站等均不构成危险化学品重大危险源，而设有液氨法烟气脱硝系统的发电企业，氨罐（区）有可能构成危险化学品的重大危险源。由此可见，在氨能快速发展的大背景下，有关氨危化品的管理规定建议也要做相应调整。

5.2 氨储能在新型电力系统中应用展望

储能技术关系到国计民生，具有越来越重要的经济和社会价值。由于其自身的优势，氨储能将会给传统的电力系统设计、规划、调度和控制带来变革，加速电力系统的发展[105]。

（1）在可持续发展理念下，促进氨储能发电产业发展能够成为社会能源清洁化、可持续化利用的可行途径。绿氨的制备、储存和利用氨能进行发电构建微电网系统，能够有效解决偏远地区的清洁用能问题，增强新型电力系统的抗风险能力。

（2）氨储能系统能够促进“源网荷储”各环节之间相互协调互动，其建设能够有效解决新型电力系统在不同时间尺度和空间尺度上电力电量的平衡。

（3）降低社会能源浪费，提升能源利用率是能源经济发展的关键问题[106]，作为能源枢纽，氨储能系统在新型电力系统的电源侧能够实现“风光氨储能一体化”等多能互补综合能源基地建设，有效促进电力系统能源利用效率。

（4）氨储能增加了分布式发电机并网时的可靠性，是提高发电机输出电压和频率质量的有效可行途径。氨储能技术的发展同时也有利于促进风电的就地消纳，在当前产业梯度转移的背景下，能够帮助加快建立风电场与高能耗产业等电力大用户和电力系统的协调运行机制。

（5）利用绿氢和氮气为原料，结合Haber-Bosch制氨工艺合成氨的工艺过程产氨量受到了氢产率的限制。利用新型电力系统中可再生能源生产的多余电能，在一定温度和常压的环境下通过直接电解水和氮气的方法合成氨更加地高效。到目前为止，低温下的电解技术已经在一定程度上取得了相当丰硕的成果，但从总体来看，电解制氨过程中氨的合成速率还普遍偏低，无法应用于大规模的工业化生产。因此，如何突破电解制氨技术的瓶颈，使得氨气的生产能够满足新型电力系统电能转换的需求，是未来电化学制氨技术需要研究的重点。

6 结语

（1）我国“双碳”目标要求构建以新能源为主体的新型电力系统，波动性新能源对灵活性需求日益强烈。电力系统正在经历从系统设计之初的源随荷动，转变为荷随源动、源网荷储互动。储能作为精确可调的设备，是保证电网电能质量稳定的重要手段，通过储能长时方案和瞬时方案对电力系统电力供应的调节，能够达到维护电网安全和平衡供需关系的目的。

（2）化学储能不受地理、气候条件等问题的限制，电力系统可根据自身需求建立适当规模大小的化学储能设备，且伴随着科技的进步，化学储能的能量转化效率将持续提升，化学储能将成为可再生能源高效利用的利器，在未来能源体系中占有十分重要的地位。

（3）氨储能技术在新型电力系统发展中具有广阔前景，从发电侧、电网侧、用户侧都可进行有效利用，其主要应用方向包括：与风力发电和光伏发电互补系统组成局域网，作为大规模电力存储和负荷调峰的手段以及作为大型应急备用电源等。

（4）针对氨储能在新型电力系统中应用面临诸多挑战，比如制氨过程能量转换效率较低、制氨技术存在瓶颈以及对氨使用的严格管控等，在新时期氨能技术发展中，应注重以下要点：首先，在技术层面，应注重高效电解制氨的深层次研究，同时要尽可能降低储氨成本，提升氨储能系统的发电效率；此外，在氨能技术应用中，应注重其与电网的互联互通，不断提升储能发电的经济效益、质量效益和生态效益；最后，要把握好“建设全国统一大市场”的契机，使市场机制能够更好地鼓励灵活性资源参与新能源的消纳。