碳中和目標(biāo)下氨燃料的機遇、挑戰(zhàn)及應(yīng)用前景
2020年9月22日,習(xí)近平主席向世界承諾我國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。2021年10月,黨中央、國務(wù)院相繼印發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》《2030年前碳達峰行動方案》等頂層設(shè)計文件。
“雙碳”目標(biāo)提出后,氫能因其清潔、高效、低碳、靈活等特點逐漸被大家所熟知,并認(rèn)為是應(yīng)對氣候變化、替代化石能源、建設(shè)零碳社會的重要戰(zhàn)略選擇。在鋼鐵、化工等難以減排領(lǐng)域中,氫能將成為重要選項,“電氣化+電氫化”成為能源利用的主要方式,氫能發(fā)電也有望成為電力系統(tǒng)中提供跨季節(jié)、長周期電力電量調(diào)節(jié)的重要技術(shù)手段。
但是,由于氫自身的元素特性,目前純氫儲存和輸運技術(shù)仍存在嚴(yán)重瓶頸,氫能的大規(guī)模、高質(zhì)量發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)。相比之下,氨具有易于儲運、零碳排放、熱效率高等優(yōu)點,在碳中和背景下可能成為氫能利用的一種重要載體,在工業(yè)、電力、交通等領(lǐng)域都有一定發(fā)展空間。
氨作為替代能源的優(yōu)勢和機遇
1.1 氨的特性和優(yōu)勢
氨(NH3)是一種氮氫化合物,由于其獨特的物理和化學(xué)特性,具有易于儲運、零碳排放、熱效率高等優(yōu)點,在碳中和背景下將成為氫能利用的一種重要氫基燃料。目前,氨主要用于制作硝酸、化肥、炸藥以及制冷劑等,是世界上產(chǎn)量最多的無機化合物之一,技術(shù)成熟、產(chǎn)業(yè)完備,具備推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)條件。
(1)氨的物理特性
氨在常溫下是一種無色氣體,有強烈的刺激氣味,一旦發(fā)生泄漏,很容易發(fā)現(xiàn)并及時補救,且只有當(dāng)它的濃度達到可被覺察濃度的1000倍時才會致命。標(biāo)準(zhǔn)狀況下氨的密度為0.771g/L,比空氣輕,泄漏后擴散快,不會積聚,因此氨作為燃料具有較高的安全性。泄漏在大氣中的氨還可以參與自然循環(huán),隨雨雪移動后,與其他物質(zhì)反應(yīng)或被植物吸收。
與廣泛關(guān)注的純氫相比,氨最大的優(yōu)勢在于易液化、易儲存和易運輸。氨氣常壓下-33℃或者常溫下加壓到9個大氣壓就能夠?qū)崿F(xiàn)液化,而氫氣常壓下需要把溫度降低至-253℃才能液化,且溫度在-240℃以上是無法液化的。因而,儲氨只需要普通液化氣鋼瓶即可,而儲氫則需要特殊材料。目前,氫能發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)在于純氫的儲運,且大規(guī)模、長距離的儲運技術(shù)瓶頸在短時間內(nèi)難以突破。因此,氨易于儲運的特性為發(fā)展氫基燃料提供了新的技術(shù)路線。
(2)氨的化學(xué)特性
氨燃燒后只生成氮氣和2種環(huán)境友好型產(chǎn)物,不會產(chǎn)生二氧化碳,因此是一種零碳能源,可有效降低化石能源燃燒產(chǎn)生的碳氧化物、硫氧化物的排放。
氨不僅可以直接在內(nèi)燃機中燃燒提供動力,還可用于堿性、固體氧化物等燃料電池。液氨的能量密度較高,是液氫的1.5倍以上,是鋰離子電池的9倍。與汽油相比,氨的燃燒值一般,但辛烷值很高,可大大增加內(nèi)燃機壓縮比以提高輸出功率,因而氨內(nèi)燃機的熱效率很高,可達50%~60%,是一般汽油內(nèi)燃機的2倍左右。
(3)氨的產(chǎn)業(yè)化體系
工業(yè)上,通常用氮氣和氫氣在高壓、高溫和催化劑作用下合成氨。合成氨工業(yè)在20 世紀(jì)初期就已經(jīng)形成,至今已有100 多年的歷史,技術(shù)非常成熟,在氨的生產(chǎn)、儲存、運輸?shù)雀鞣矫娑家殉审w系。與同樣處于研發(fā)前沿的“氫與二氧化碳合成甲醇”的技術(shù)路線相比,“氫與氮氣合成氨”的技術(shù)和應(yīng)用條件要成熟很多,因而氨燃料的推廣應(yīng)用具有良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。當(dāng)前,我國合成氨產(chǎn)業(yè)已邁入轉(zhuǎn)型升級發(fā)展階段,建成諸多大型合成氨基地,涌現(xiàn)了云天化、湖北宜化、華魯恒升等一大批具有較高技術(shù)水平、較大生產(chǎn)規(guī)模的企業(yè),全國合成氨年產(chǎn)量接近5000萬t。
1.2 氨燃料的未來機遇
在“碳達峰、碳中和”目標(biāo)愿景下,氨作為一種零碳能源具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,將為電力、交通等部門實現(xiàn)脫碳提供新的選擇。
(1)發(fā)電領(lǐng)域
隨著風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源大規(guī)模發(fā)展, 電力供應(yīng)的波動性和不確定性日益增加,亟需發(fā)展穩(wěn)定可靠的新型電源來保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。氨燃燒性能良好,易液化、易儲存,具有較好的燃料供應(yīng)保障能力。因此,氨燃料發(fā)電可作為一種清潔零碳型發(fā)電技術(shù),為電力系統(tǒng)提供與傳統(tǒng)火電類似的可調(diào)度、可調(diào)節(jié)、可控制的電力電量支撐。雖然在燃燒特性、燃燒產(chǎn)物成分與輻射特性等方面,氨燃料與煤炭、天然氣等存在較大差異,摻氨或純氨燃燒存在增加NOx排放的風(fēng)險,但可通過燃燒分級、燃燒組織優(yōu)化等方式有效調(diào)控。
未來,新能源大規(guī)模發(fā)展也將進一步推動合成氨制備的零碳化。在新能源出力富?;蛘哓?fù)荷低谷時期,利用電解水制得的“綠氫”合成氨燃料,并將其液化儲存;在新能源出力不足或負(fù)荷高峰時,使用儲存的氨燃料進行發(fā)電,可滿足用電需求、緩解供電緊張。整個過程雖然會有一部分能量損失,但不會產(chǎn)生任何碳排放。因此,“電-氫-氨-電”系統(tǒng)有望成為新型電力系統(tǒng)建設(shè)的重要儲調(diào)模式之一。
(2)交通領(lǐng)域
國際海事組織2018年通過了溫室氣體減排初步戰(zhàn)略,提出到2030年全球海運碳排放與2008年相比至少下降40%,力爭到2050年下降70%。為實現(xiàn)航運業(yè)的減碳脫碳,清潔燃料替代化石能源是最具潛力的技術(shù)手段。遠(yuǎn)洋航行船舶載重噸位大、航程長、靠港頻次低、燃料加注相對不便,需要使用能量密度較高的燃料和功率較大的動力裝置。在目前關(guān)注度較高的零碳能源中,氨動力船舶能量密度比液氫高50%,且可利用現(xiàn)有氨供應(yīng)鏈和基礎(chǔ)設(shè)施,在集裝箱船等大型船舶遠(yuǎn)航領(lǐng)域具有較好的推廣應(yīng)用前景。
此外,氨燃料在公路運輸方面也具有一定的應(yīng)用場景。氨基燃料電池汽車、卡車和公共汽車不僅效率高、無排放,還具有續(xù)航能力強、補給時間快等優(yōu)點。利用已有燃料電池技術(shù),氨燃料在相同溫度下能夠達到與氫燃料相近的功率密度,被認(rèn)為是可替代純氫用于燃料電池的理想燃料。
氨燃料存在的問題和挑戰(zhàn)
2.1 安全性問題
氨具有毒性與腐蝕性,存在安全隱患。根據(jù)《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級》,氨氣屬于IV 類輕度危害氣體,人群暴露在含有一定濃度的氨氣環(huán)境下,濕皮膚、黏膜和眼睛會受到氨氣侵襲,可能發(fā)生中毒事故,引起嚴(yán)重咳嗽、支氣管痙攣、急性肺水腫,甚至?xí)?gòu)成失明和窒息死亡。氨還存在爆炸危險,當(dāng)氨氣在空氣混合物中濃度達到16%~25% 時,遇明火就會引起爆炸,屬于《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》規(guī)定的乙類火災(zāi)危險氣體。此外,液氨極易氣化,氨儲存罐還存在物理爆炸的風(fēng)險。在氨的制取和儲運環(huán)節(jié),如果發(fā)生泄露,或?qū)l(fā)生安全事故。
2.2 環(huán)保性問題
與其他燃料相比,氨的燃燒速度較慢,尚難應(yīng)用于“快響應(yīng)”場景。目前,氨燃燒的相關(guān)技術(shù)還不成熟,當(dāng)氨燃燒不充分時,反應(yīng)過程會產(chǎn)生大量的氮氧化物(NOx),可能造成酸雨、臭氧空洞、光化學(xué)煙霧等大氣污染及其他環(huán)境問題。
2.3 經(jīng)濟性問題
目前我國80%以上合成氨通過煤氣化生產(chǎn)氫氣,再加工合成,即合成氨主要原料仍是“灰氫”,其生產(chǎn)制備是高碳工藝過程,會排放大量二氧化碳。
隨著可再生能源制氫技術(shù)的發(fā)展,“綠氫”為合成“綠氨”提供了可能。但當(dāng)前可再生能源發(fā)電、電解水制氫系統(tǒng)等成本較高,“綠氫”及合成的“綠氨”還較為昂貴。據(jù)試點項目數(shù)據(jù),“綠氨”成本比煤制合成氨高出 50%以上,短期內(nèi)“綠氨”還不具備經(jīng)濟可行性。
全球積極布局“氨經(jīng)濟”對我國的啟示
隨著全球綠色低碳發(fā)展步伐加快,很多國家對推廣氨應(yīng)用表現(xiàn)出極大興趣,積極布局氨?氫產(chǎn)業(yè),重點在氨燃?xì)廨啓C、氨燃料動力船以及氨?氫運輸?shù)确矫骈_展研究,也為我國實現(xiàn)碳達峰、碳中和提供新的思路和方向。
3.1 氨產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況
(1)氨燃料發(fā)電
碳中和目標(biāo)愿景下,推進火電機組摻燒或純燒液氨等低碳燃料是發(fā)電領(lǐng)域減污降碳的重要技術(shù)方向。目前,以日本為代表的部分國家正在探索發(fā)展以氨為燃料的火力發(fā)電技術(shù),加快推動電力部門的脫碳進程。其中,日本實驗室和工程公司已經(jīng)測試開發(fā)了50~2000kW 的小型氨燃?xì)廨啓C;日本三菱重工正在開發(fā)40MW氨燃?xì)廨啓C,它將100%使用氨氣發(fā)電,并把選擇性催化還原與新型燃燒技術(shù)相結(jié)合,降低氨不完全燃燒所產(chǎn)生的氮氧化物。該技術(shù)可用于工業(yè)應(yīng)用或偏遠(yuǎn)島嶼的發(fā)電站,日本計劃于2025年實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。2021年6月,美國GE發(fā)電公司也宣布與日本石川島株式會社IHI簽署諒解備忘錄,共同制定氨燃?xì)廨啓C路線圖。
(2)氨燃料動力船
2020年10月,我國江南造船集團研發(fā)的氨燃料動力超大型液化氣體運輸船獲得英國勞氏船級社頒發(fā)的原則性認(rèn)可證書。2021年3月,江南造船集團研發(fā)的氨燃料動力40000 m3中型液化氣體運輸船再次獲得英國勞氏船級社頒發(fā)的原則性認(rèn)可證書,有效證明了氨作為航運燃料的可行性, 是航運界使用替代燃料向零碳排放推進的一個重要里程碑。
韓國造船企業(yè)同樣致力于研發(fā)氨燃料推進船舶,搶占綠色動力能源技術(shù)制高點。2020年7月,現(xiàn)代尾浦造船設(shè)計的載重量50000t 氨動力中程成品油船獲得了英國勞氏船級社原則性認(rèn)可證書,預(yù)計2025年實現(xiàn)商業(yè)化運營。2021年1月,韓國船級社發(fā)布關(guān)于氨燃料動力船舶的研究報告,闡述了氨的生產(chǎn)使用、經(jīng)濟效益、處理設(shè)施的安全特點、氨燃料電池和內(nèi)燃機等相關(guān)特性。
挪威、芬蘭等歐洲國家對于環(huán)保要求十分嚴(yán)苛,很多港口計劃施行“零排放”,也規(guī)劃在未來幾年內(nèi)開始使用以氨燃料為動力的船舶。芬蘭船用發(fā)動機制造商瓦錫蘭、挪威海工船東Eidesvik以及挪威石油公司Equinor正在合作研發(fā)以氨燃料電池為動力、可完成遠(yuǎn)距離航行的零排放大型船舶,預(yù)計最早將于2024 年下水,屆時將成為首艘航行于公海的商業(yè)化氨動力船。
(3)氨-氫運輸
氨不僅可以作為燃料提供動力,還可能成為未來氫氣大規(guī)模運輸?shù)闹匾d體。一方面,與氫氣相比,氨氣極易液化,液氨運輸難度大幅降低;另一方面,液氨儲氫中體積儲氫密度世液氫的1.7倍,同時也遠(yuǎn)高于當(dāng)前主流的高壓長管拖車儲運氫氣的方式。因此,可再生能源電解水制得“綠氫”后,再通過“氫-氨-氫”的化學(xué)儲氫方式運輸受到了業(yè)界的青睞。
基于氨-氫運輸方式,氨被認(rèn)為是推動可再生能源出口的關(guān)鍵載體,在大型“綠氫”等出口項目領(lǐng)域優(yōu)勢明顯,成為日本、澳大利亞、新加坡等國家積極布局的重要方向。2018 年,澳大利亞可再生能源機構(gòu)宣布投入2000 萬美元,用于支持可再生能源出口,其中就包括以氨為載體的可再生能源出口技術(shù)。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省發(fā)布的可再生能源路線圖顯示,到2030年后,日本每年可能會進口100億~200億美元的氫氣,也會催生大量的氨-氫運輸市場需求。
3.2 對我國的啟示
隨著化石能源的逐步替代,氨由于其運輸便利性或?qū)⒊蔀槿蚰茉促Q(mào)易的重要組成部分。在世界各國積極研究布局“氨經(jīng)濟”的同時,我國也應(yīng)當(dāng)積極研究氨基燃?xì)廨啓C、動力船舶、燃料電池及氨-氫運輸?shù)刃滦图夹g(shù),努力推動零碳能源-氨-氫融合發(fā)展的顛覆性技術(shù)創(chuàng)新。結(jié)合我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展,適時布局“綠氨”產(chǎn)業(yè),推動氨燃料的試點示范及推廣應(yīng)用。
當(dāng)然,氨燃料是零碳替代能源的一種選擇,但也不是唯一解決方案。不論是將氫氣、氮氣合成氨氣還是將氨氣轉(zhuǎn)換為氫氣,都將有一定的能量損耗,氨燃料的大規(guī)模應(yīng)用也還存在很大的挑戰(zhàn)。為實現(xiàn)碳中和目標(biāo),各領(lǐng)域需要根據(jù)實際用能需求和技術(shù)發(fā)展前景,多角度、多方向研發(fā)探索,最終選擇經(jīng)濟可行的零碳脫碳技術(shù)路線。
結(jié)論
合成氨是傳統(tǒng)化工的重要產(chǎn)品之一,具有應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟、產(chǎn)業(yè)完備的特點。在碳達峰、碳中和背景下,因零碳排放、儲運便利、熱效率高等優(yōu)勢,氨燃料可成為替代化石能源的重要選擇,在發(fā)電、交通及儲氫方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。盡管氨作為替代能源還存在安全性、環(huán)保性及經(jīng)濟性等方面的諸多挑戰(zhàn),但是“綠氨”為實現(xiàn)零碳脫碳提供了新的路線,在全球各國布局“氨經(jīng)濟”熱情高漲背景下,我國也應(yīng)抓住能源低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展的歷史機遇,積極開展摻氨/純氨燃燒、動力船舶等重點技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新,引導(dǎo)適宜地區(qū)結(jié)合優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)布局“氨-氫”示范項目,統(tǒng)籌合成氨工業(yè)、可再生能源及氫能產(chǎn)業(yè)等融合發(fā)展,推動低碳氨燃料在電力、航海等難以減排領(lǐng)域的化石能源替代。