氨氢联动促进氢能源的发展

邓俊彦

关键词： 绿色能源 氨 储存 氢能源 绿色碳循环

中图分类号： TE09 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2024）01-0158-04

“碳达峰、碳中和”的绿色、可持续发展目标使得绿色能源的开发变得越来越重要。目前，氢能由于其低碳、储量丰富、获取方便及有利于人类社会的可持续发展，越来越受到重视。与锂电池相比，氢能的使用无须金属锂、钴、镍。这些物质在生产、使用及回收的过程中，会对环境产生污染，难以实现完全的绿色制造和使用，其生命过程并不是“低碳”的。同时，这些金属在地球上的储量并不是无限的，随着使用量的加大，会渐渐成为稀缺资源，而氢能在自然界储量极为丰富，完全可以满足人类的需求。氢的制造可以采用太阳能、风能等清洁能源。氢的反应物是水，不会产生其他污染物，可以形成一个完整的绿色无碳循环圈。

新能源只有具备更高的能量密度，才能在与传统能源和其他新能源的竞争中获胜，氢的质量发热值是常规燃料中最高的，其热值达到142 kJ/g［1］，是汽油的3倍，煤炭的5 倍，也远高于锂电池的能量密度。这一特性是实现经济绿色、可持续发展的重要因素之一。

1 氢能大规模应用面临的主要问题

随着氢能大规模实际应用和氢能产业的推广，燃料电池技术和氢气储运技术是必须解决的难题。氢能虽然具有较高的质量能量密度，但其非常低的体积能量密度带来了存储、运输等方面的很多问题，是氢能产业发展遇到的主要障碍。

常压下的气态氢能量密度为3 kWh/m?，70 MPa下的压缩氢气的能量密度为1 200 kWh/m?，液态氢的能量密度则增加到2 400 kWh/m?，汽油的能量密度为9 000 kWh/m?。氢的液化温度极低，其临界温度为-239.9 ℃，达到这种低温意味液化氢气的成本极高，不具备经济效益。导致氢气目前只能依赖高压气体钢瓶这种相对低效的方式运输，成本居高不下。同时，氢原子半径非常小，分子穿透力极强，易发生泄漏；而且其对金属物质还有一定的腐蚀性，使管道材料韧性下降，导致开裂或断裂，即“氢脆”。氢气易燃易爆，是一种非常危险的物质。因此，如何实现氢气安全、经济的储运，是氢能源产业发展的关键。

目前，氢气的储存有固态储氢、液态储氢和气态储氢3 种方式［2］，但这3 种方式各有优缺点，且现在的技术并非完全成熟。因此，需寻找氢载体。这种载体需具有制备简单、低碳排放生产、低污染、易储易运输、氢含量较高等特点。目前，有机液态储氢是潜在有效的储氢载体。

有机液态储氢是在催化剂作用下，将氢气与烯烃、炔烃或芳香烃等特定有机不饱和化合物（储油）发生可逆化学反应生成氢油，氢油通过催化反应释放出氢气，实现有机液体储氢和氢的释放［3］。在常温常压下，储油和氢油均为液态，可以像汽柴油一样储运，储油还可以循环使用。

但是，储油储氢也面临许多需要解决的问题，如需要配备相应的氢油制备设备、制氢设备和氢气净化设备，这些会产生额外的成本。氢油制氢反应会发生其他反应，无法获得高纯度氢气，而且氢油制氢是在较高的温度温下进行，催化剂会由于高温结焦而失去活性。这些储氢介质理论质量储氢量均不及液氨，具体情况如表1 所示。

常温常压下氨为气态，在标准大气压下的-33 ℃，或者常温在1 MP 高压情况下，氨以液态形式存在，氨气在空气中不会发生化学反应，安全性高。除车载船运外，液氨还可利用管道输送。在标准大气压下，如果直接运输液氢，需要将氢的温度降到-253 ℃左右，显然，液氨运输相对更容易。而且，液氨在0.1 MPa 和-33 °C 时，它的密度约为120 kg/m?；液氢在0.1 MPa 和-253 °C 时，其密度约为70 kg/m?，液氨单位体积的储氢密度达到了液氢的1.7 倍，远高于当前主流的高压储运氢气方式。

氨作为产量最大的无机化工产品之一，2021 年全球氨总产量约为1.9 亿t，单位质量储氢量高，非常适合用于H2载体。氨还具有运输储存设施完善、制造工艺成熟、可直接燃烧等优点。氨除了可以分解为氢气，还能用作燃气轮机中的燃料，且不产生CO₂，是目前大型发电的研究热点方向之一。

绿氨是氢能大规模应用的发展方向之一，电解水制绿氢，绿氢和氮气催化合成绿氨。一方面，绿氨可以作为绿氢储运的载体，解决氢储运难题，降低储运成本；另一方面，绿氨也可以直接应用于燃料电池或者作为燃料燃烧。2022 年8 月，工信部发布的《工业领域碳达峰实施方案》提出氨燃料概念。目前，国内外都在积极探索氨燃烧发电、氨燃料船舶、氨燃料电池等技术。

氨既是氢能载体，也是零碳燃料，对实现“双碳”目标将具有重要意义。作为零碳燃料和氢能载体，氨在构建“氢能社会”方面有望发挥重要作用，国际社会对这一观点逐渐达成共识。

2 氨的绿色制造、绿色制氢

2.1 氨的绿色制造

目前，氨合成存在高耗能、高碳排放等问题。合成氨主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤等，同时，在生产过程中，还需要大量的能源在高温高压下与空气发生反应生成氨。这一方法不仅会排放大量的二氧化碳和其他有害废气，还需要大量的能源供应，对环境和资源造成嚴重危害。统计显示，煤制氨、天然气制氨的吨产品碳排放量分别约为4.2 t、2.04 t，节能降碳潜力巨大。

氨的生产主要依赖水、空气以及电力，在理论上存在清洁的制备方式，即有可能大规模制备无碳排放的“绿氨”。

短时间来看，绿氨还存在经济、应用等方面的挑战，但在全球氨能经济体系建设下和可再生能源发展下，未来将逐步具有竞争力。

理想中最为清洁的绿氨生产模式，是将制氢、氨合成与清洁能源整合，通过清洁能源，如风电、光电或其他形式的绿电电解水制氢，再将绿氢与空气中的氮气反应，在这一过程中使用清洁能源生产氨气。这样，就有可能实现全流程的无碳排放生产氨。光伏发电、风电和水电等可再生能源存在间歇性、波动性和季节性等缺点，能源储存是当前面临的问题，发展可再生清洁能源制氢和合成氨技术，可实现清洁能源电力的“转化和储存”，并与氨下游产业相结合。

2.2 绿色制氢

在制氢方面，氨具有一定的优势。氨分解制氢是一种分解反应，其工艺是在催化剂作用下，将氨加热至800～850 ℃，在高温下，氨发生分解，获得含75%H2的氢氮混合气体。这种气体价格低廉、安全性好、工艺简单、产物杂质少［4］。氨的理论质量储氢量是17.6%［5］，高于11.1%的电解水、12%甲醇—水蒸气重整等制氢体系。

氨分解制氢工艺简单，其工艺特点如下。

（1）在催化剂作用下，在800～850℃，氨易分解，其分解度可超过99%。

（2）氨分解制氢设备投入少，主要设备是氨容器、加热装置、气体纯化器，不涉及重大设备投资。

（3）氨分解原料——液氨，容易制备，价格低廉，在制氢的过程中，原料的消耗也比较少。

（4）气体精制容易。液氨的纯度是很高的，其中挥发性杂质极少，只有少量的惰性气体和水分。同时，氨在分解时，没有副反应发生，只要去除少量水分，氨分解后的气体就可以有效地进行精制，且容易制得高纯度的氢。

3 “ 氨-氫”能源绿色循环经济路线

3.1 “ 零碳”能源路线

氨的制造和运输有成熟的标准规范和工艺体系，具有低成本合成、存储和运输的特点，可实现“无碳化”、远距离输送，且具有成本优势。与目前主要研究的各种液体储氢载体技术相比，如甲醇、液氢、有机液态储氢，其成本相对更低，可有效地实现无碳储能。

氨的火灾危险性仅为乙类，较氢气而言，它的爆炸极限更安全，同时，氨的刺激性气味是可靠的警报信号，具有较高的安全性。

由于光电、风电和水电等可再生能源，受自然条件的影响，具有天然的不稳定性，这就导致能源输出的波动性，出现大量弃光、弃风和弃水现象。国家能源局数据显示，2021年1—9月，全国弃水电量约153.9亿kWh、弃风电量约147.8亿kWh、弃光电量约50.2亿kWh。

发展可再生能源，如风能、太阳能，制氢耦合合成氨技术，可有效避免这些能源的不稳定性，完成自我消纳和调峰。“风能、太阳能—氨—氢”的“零碳排放”清洁能源路线图见图1，实现用户终端“氨变电”。

在这个循环系统中，风能、太阳能、水能发电，将过剩的电能制氢，部分氢气可储存起来，以备“低谷”时发电，同时也可制成氨，氨作为储氢介质运输到制氢现场，氢气可以发电，也可以作为车用燃料加注，最终形成了绿色制氨—绿色制氢—氢燃料电池发电的绿色能源使用循环圈。在这个能源系统中，完全实现了清洁能源的闭环制造、运输、使用，消除了目前风能、光能的不稳定性，有效地提高了这些清洁、可再生能源的利用率。

3.2 实现该能源循环路线，需解决的问题

3.2.1 高效电解水制氢工艺

当前，电解水制氢技术包括碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢及固体氧化物电解水制氢三大类［6］。碱性电解水制氢成熟度高，是目前应用最广泛的制氢路线，有待解决以膜、催化剂和电极为核心的材料及制备问题，以提高制氢的效率和降低成本。

3.2.2 高效、安全的低温低压合成氨

合成氨制造工艺需要使用催化剂，来降低反应的温度和提高合成的速度。合成氨工业中普遍使用的主要是以铁为主体的铁触媒催化剂，铁触媒在500 ℃左右时的活性最大，因此，合成氨的温度一般在500 ℃左右，设备需要在高温下工作。为了在更低的温度和压力下高效地合成氨，需开发新的催化剂。

3.2.3 低温氨分解工艺及设备

这需要开发新工艺、新设备，降低氨分解制氢的温度，提高生产效率。

3.2.4 系统集成

由于风能、太阳能的不稳定性，“间歇性能源制氢系统”与“低温低压合成氨系统”的匹配与控制，保证了整个系统高效运行。

3.2.5 氢燃料电池系统的能效、可靠性

氨是“零碳物质”，是替代“碳燃料”的有力竞争者，将氨直接作为燃料，也是研究的课题之一。氨可以直接应用在燃气轮机，但由于研究的时间较短，目前，氨燃气轮机的能量转换效率不高，与天然气汽轮机相比，其效率差距较大［7］。如果技术不过关，还会产生氮氧化物，危害环境。随着研究的深入，氨燃气轮机性能不断提高，把氨作为燃气轮机的燃料发电，可以实现碳零排放以及能源结构的全面转变。

4 结语

（1）氢能具有低碳、储量大、环保等特点，符合人类可持续发展的要求，是理想的终极能源；但氢的运输制约了它的应用，安全、高效、经济的运输方式，是解决这一问题的关键。

（2）氨理论质量储氢量较高，易于制造、运输，安全环保，是理想的储氢介质，能有效解决风、水、光等清洁能源的不稳定性。

（3）绿氨技术的核心是零碳排放合成氨、氨制氢，绿氨、绿氢可以广泛应用于能源、工业等多个领域。随着零碳排放氨合成技术和制氢技术的实现，绿色、低碳经济可望得到迅速发展。

（4）发展氨为储氢介质，可贯通可再生能源、氢能和传统产业，开发出一条符合我国能源结构特点的“清洁高效氨合成—安全低成本储运氨—无碳高效氨氢利用”的全链条“氨—氢”绿色碳循环经济路线，对保障国家能源环保安全和社会经济可持续发展具有重要意义。