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氢能行业发展新趋势:氨能时代会到来吗?

2022-01-26 10:45:51 香橙会

核心提示:

2021年氢能行业出现了两个新的趋势,一个是氢气发动机,一个是氨能。氢气发动机方面,国内的一些主机厂,包括上汽、一汽、吉利、长城等都在做氢内燃机技术方面的研发,详见氢气发动机是个啥?能否成为未来一条技术路线;氨能,则像一阵旋风,猛然而至。

本文对氨能做了一个初步研究和梳理,以供行业交流。

2021年10月19日至21日在上海举办的以“汽车+X,双碳背景下汽车科技创新”为主题的2021年中国汽车工程学会年会上,李俊院士发表了题为《Autonomy 2.0与Ammonia=Hydrogen2.0》的主旨报告,他指出,氢能的长尾效应严重阻碍了氢能的利用与商业化进程,而氨能在存储和运输方面的优势能够很好的弥补氢能的缺陷,全球已进入“氨=氢2.0”时代,氢能产业要准备向氨方向发展。

此前,2021年5月26日-28日上海举办了第一届“2021年氨燃料电池动力系统产业发展上海国际峰会论坛”,来自中外的能源厂家、设备供应商和配套厂家均参与其中,交流氨能发展的新机会,反响热烈。

组织方响应产业界要求,半年后又举办了“第二届氨产业和氨燃料动力系统上海国际论坛”,探讨氨产业和氨燃料动力系统在航运、船舶、内燃机、飞机、汽车、市政、电力、工程、港口等清洁新能源市场的机遇与发展趋势。全球前两大船东MOL和NKY均报名参加。

氨能在当今碳中和的背景下越来越受到各个国家政府的重视。

2021年4月日本政府发布了“Japan embracing ammonia power to achiever 2050 zero CO2 target”氨战略,并且在2020年12月发布的《以2050年碳中和为目标的绿色增长战略》,2021年10月发布的《能源战略计划》中,均提到氨能。其中,《能源战略计划》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,具有非常重要的参考意义和指导价值。

此外,韩国产业通商资源部12月7日主持召开的第二次氢气和氨气发电推进会议上,韩政府宣布将2022年作为氢气氨气发电元年,并制定发展计划和路线图,力求打造全球第一大氢气和氨气发电国。会议宣布,政府将投入400亿韩元用于有关基础设施建设,并于2023年前制定“氢气和氨气发电指南”。

而美国自2004年起每年举行一次“氨学术交流会议”,更是将2008年的会议主题定为“氨-美国能源独立的关键”。

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已有氢能,为什么要发展氨能

第一,氢的燃点为570℃,爆炸极限为4%-75%,火焰传播速度在2-3m/s,而氨的燃点为650℃左右,爆炸极限为16%-25%,火焰传播速度约为几十厘米每秒。另外,氢无色无味,泄露过程中不容易发现,而氨具有刺激性气味,在泄露初期更容易被发现解决。因此,在防爆方面,氨的使用比氢的使用具有更好的安全性。但是也应该指出,氨具有毒性,能够对呼吸道黏膜产生不良刺激,由于液氨泄露致人死亡的工程事故不在少数。

第二,氨具有存储优势。应用场景比较多的储氢方式主要有三种,分别是液氢储氢、高压储氢和吸附储氢。在这三种中,最有可能大规模商业化运用的分别是液氢储氢和高压储氢两种,下文对这两种气体存储方式进行讨论。氢的临界温度为零下239.96℃,临界压力为1.32MPa。氢如果需要在常压下保持液态形式,则需要将环境温度继续降至零下253℃,这不仅将耗费大量的能量制冷,并且,由于内外温差大,氢的气化不可避免,50立方米的储氢罐一般会以每天0.4%的速度发生蒸发。氨的临界温度高达132.4℃,此时的临界压力也仅为11.298MPa。因此,氨的储存比氢的储存更简单,氨可以在8.58个大气压下、温度为20℃的环境中以液态的方式储存,也可以在常压、温度为-33℃的条件下储存液氨。

由于储存压力或储存温度较低,氨储气瓶的材料厚度(或提供强度或提供保温)可远低于氢储气瓶,因此氨储气瓶占总质量比重低,或者是储气瓶制造成本差异悬殊,如70MPa碳纤维氢气储气瓶的造价是普通钢瓶的10倍以上。另外,氨气可以在常温下加压液化储存,这能避免液氨气化导致的气体损失,从而极大地延长储存时间,这是低温液氢储存不可能达到的工况。

第三,氨具有输运优势。首先,氨的体积能量密度是液氢的两倍。在同样的容积内,能够输送的氨能蕴含能量高一倍。另外,如前所述,液氢的保存温度非常低,这需要非常厚的保温材料。因此储存的氢气大约是低温储存箱体总质量的20%,体积占总箱体的50%。在实际运输中,需要消耗许多额外的能量用于储存罐的运输。

最后,氨是一种常用的化工用品,每年世界对氨的需求量为两亿吨左右,一个广泛运用的氨输送体系已经存在,而氢运输网络尚处于制定标准的起步阶段(如氢能刚被列为2022年能源行业标准立项重点方向),以后还需要进行基础设施建设。

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氨的生产及其发展趋势

Haber-Bosch合成氨工艺是世界上最广泛运用的氨生产工艺,该工艺平均每年约生产1.8亿吨的氨,同时能源消耗占全球能源总消耗的1.8%-3%,二氧化碳排放量约占全球二氧化碳总排放量的1%。因此各国正在探寻基于可再生能源制氢的绿氨生产工艺。

在欧洲,荷兰处于领先地位,目前已经完成将海上风电和太阳能转化为氨燃料的可行性分析和论证工作。报告指出,随着太阳能和风能发电成本的进一步降低,以电解水为基础的氨合成成本将比以天然气为基础的氨生产成本更低。荷兰的能源公司(NUON)、天然气公司(Gasunie)等多家大型企业均有所参与布局。

日本福岛可再生能源研究所在2013年已经在陆地建成了50kW的风电和光电生产氨燃料并利用其发电的示范基地,氨与煤油混合使用能降低38%的煤油用量。德国西门子与英国卢瑟福阿普尔顿实验室合作于2017年底建成纯电力合成绿色氨和储能系统的示范项目。该项目由英国创新公司支持(Innovate UK)。澳大利亚正在对利用澳洲沙漠的太阳能生产氨燃料并出口给日本的技术方案和协作战略进行论证。此外,挪威化肥巨头雅苒国际(Yara International)2021年7月宣布,将于2023年在澳大利亚试生产绿氨,并计划将其销售给日本的发电厂。

相比于成熟的煤裂解制氢合成氨,采用电解水制氢合成氨的方式成本一般较高。根据势银能链谢易奇的分析,绿氢合成氨成本主要由原料成本(绿氢生产和氮气生产)和设备折旧、工用设备(主要为电力)等其他成本组成,并假设原料成本占总成本比例为70%,其余部分占30%。每吨绿氨合成需要0.176吨绿氢和0.832吨氨气。当煤炭价格处于正常范围(700-900元/吨),传统合成氨的成本范围在1900-2200元/吨,此时在可再生能源丰富且电价低廉(0.1元/度)的地区,绿色合成氨的成本可以和传统煤制氢合成氨相竞争。而当煤价处于历史高点时(1500-2000元/吨),传统合成氨的成本将超过3000元/吨。此时电价到达0.2元/度的地区,绿氨生产成本也也可以和传统氨生产成本竞争。

 

 

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氨的应用

氨除了能够作为化工用品外,其可作为燃料直接用于飞机、航空飞船等机械设备的动力系统。

早在1941年,比利时A.Macq就提出氨燃料可以用于发动机,并成功将其运用于汽车。1963年,美国航天局将氨作为燃料应用于X-15实验机,以当时人类航空史上最高时速送上太空。

如今,挪威海工船船东Eidesvik和瓦锡兰将对一艘海工辅助船(OSV)进行改装,这也是全球首次在OSV上应用氨燃料驱动。改装后的系统可使用70%的混合氨燃料来运行。同时,船用发动机制造商曼恩(Man Energy Solutions)也正在制造一台二冲程氨动力发动机,计划在2024年前完成。船运巨头马士基也表示,为早日实现碳中和,氨能将成为其船只主要动力之一。

另外,氨燃料也可用于燃气轮机进行发电。如日本在2021年发布的《能源战略计划》中提出在2030年要将氨和氢发出的电能占日本能源消耗的1%。基于此背景,2021年3月日本东北大学流体科学小林秀昭课题组成功实现了70%液氨在2000kW级燃气轮机中的稳定燃烧,并能同时抑制氮氧化物。

如上所述,上述研究成果主要集中在氨混合燃烧领域,这是因为氨作为燃料独自使用时具有燃点高,燃烧稳定性差等缺点,并可能产生燃烧不充分的现象,这将排放氮氧化物污染环境。为了使其具有更好的燃烧效果,一般需要添加一定量的含碳化合物,此时无法达到“净零”目标。因此氨能作为燃料直接使用时要想达到完全的零排放还有很长的路要走。

氨除了能直接用于燃烧外,也可将氨的储存和输运优势与氢能利用相结合,以氨能为氢能载体,构建一条“清洁高效合成氨-安全低成本储运氨-无碳产氢用氢”的全链条特色氢能利用路线,为实现“30.60”碳减排目标提供一个崭新的能源利用解决方案。

2016年,美国能源部通过一项“再生燃料”(REFUEL)的研究计划,目标是开发可扩展的技术,将电能从可再生能源转化为能源密度高的碳中性液体燃料,并根据需要转换为电力或氢气。目前,该研究计划内共有17个与氨有关的项目获得资助。

国内福州大学于12月10日启动建设了国内首家“氨-氢”绿色能源重大产业创新平台,该校江莉龙团队研发的新型低温“氨分解制氢”催化剂率先实现了产业化,为“氨-氢”清洁能源高效转换利用奠定坚实基础。

 

 

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结语与未来展望

目前世界正处于能源转型的关键时期,我们需要保持开放的心态,保持勇于尝试的态度,保持敢于创新的精神。完成2050年的碳减排目标需要多种能源的配合使用,基于氨氢融合解决氢能利用输运问题的能源解决方案或者是氨能独自使用都可能随着技术进步在未来大放光彩,需要给它们提供更多的机会,为实现碳达峰碳中和寻找多样的路径和技术。




责任编辑: 张磊

标签: 氢能行业

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