导读：在碳达峰、碳中和的世纪热潮中，世界各国都在积极寻找下一代能源技术，氨能高效利用正在成为近期全球关注的焦点。氨从最传统的农业化肥领域向能源领域拓展，目前在全球取得了哪些进展？还将面临哪些障碍？在“双碳”目标下能否成为2022年的新风口？
在2021年10月举行的2021中国汽车工程学会年会上，中国汽车工程学会理事长、中国工程院院士、清华大学教授李骏发表了题为《Autonomy 2.0与Ammonia=Hydrogen2.0》的主旨报告，提出全球已进入“氨=氢2.0”时代，氢能产业要准备向氨能方向发展。
日本在2021年10月发布的第六版能源战略计划中，首次引入氨能概念，提出到2030年，利用氢和氨所生产出的电能将占日本能源消耗的1%。这是对2018年发布的第五版能源战略计划的重要修订。
韩国在2021年11月公布了氨能和氢能的高温燃烧计划，宣布成立了一个氢氨发电示范促进领导小组，目标就是推动氢、氨与天然气、煤混合燃烧发电。2021年12月7日，韩国进一步宣布将2022年作为氢氨发电元年，力求打造氢气和氨气发电全球第一大国。
澳大利亚工程院院士程一兵在2021年年底的一次氢能会议上介绍，澳大利亚目前在积极布局向日本和韩国提供氨燃料，因为澳大利亚的阳光非常充足，他们将利用光伏制氢制氨，再把氨能通过海运方式运输送到日本和韩国。
值得关注的是，在2021年年底，中国首家“氨-氢”绿色能源产业创新平台已在福建成立，并致力于成立高新企业，发展集绿氨产业、氢能产业和可再生能源产业于一体的万亿元级产业链。2022年1月4日，宁夏回族自治区工业和信息化厅批准成立“宁夏氨氢产业联盟”。联盟由多家氨氢产业企业、高校和科研机构共同组建。
从技术角度，氨能是一种以氨为基础的新能源，既可以与氢能融合，解决氢能发展的重大瓶颈问题，也可以作为直接或者间接的无碳燃料直接应用，是实现高温零碳燃料的重要技术路线。
氨从最传统的农业化肥领域向能源领域拓展，目前在全球取得了哪些进展？还将面临哪些障碍？在“双碳”目标下能否成为2022年的新风口？
1、两大难题待解
人类对氨的认识已超过200年，其分子式1784年被正式确定下来。氨的分解与合成，起始于19世纪中期。20世纪中期之后，氨能作为交通燃料应用的探索多种多样。从1960年代开始，氨燃料从军用转向民用。
比利时研究人员首先将氨作为燃料用于驱动汽车。美国航天局利用氨作为动力燃料开发研制了X-15型试验飞机。俄罗斯发动机制造商Energomash公司研制出以氨-乙炔混合物为燃料的新型发动机。瑞典ASEA公司设计了功率为200千瓦的液氨-液氧燃料电池用于驱动潜水艇。
从燃料特质来看，氨是氢之外最容易获取的可再生燃料。氨可由水中的氢和空气中的氮合成，并在氨燃料电池反应时或在氨内燃机中燃烧时还原为水和空气。
氨的空燃比（空气和燃料的混合比例）较低，在同样的空气进量下能提供更多的能量，因此可以作为高功率燃料。氨燃烧的热损失远低于汽油和氢气，意味着高温氮气带走的热量损失也大大减少。氨燃烧后尾气排放总量最少，也没有二氧化碳的排放。
与氢能相比，氨能在储存和运输上具有明显的优点。氢是元素周期表上最轻的元素，很容易泄漏，对储存容器要求高，并且氢气非常活泼，与空气混合后容易发生燃烧和爆炸。如果远距离运输氢，需要将其液化，在常压状态下，需要将其温度降低到零下235摄氏度以下，能耗较高。如果以管道运输，则需要克服纯氢以及掺氢的气体给管道带来的安全隐患，攻克氢气管道的材料难题。
正是因为氢的储存和运输成本太高，氨开始受到更多的关注。氨由一个氮原子和三个氢原子组成，是天然的储氢介质；常压状态下，温度降低到零下33摄氏度就能够液化，便于安全运输。目前全球八成以上的氨用于生产化肥，因此氨有完备的贸易和运输体系。所以，从理论上来看，可以用可再生能源生产氢，再将氢转换为氨，运输到目的地。
尽管氨能具备上述多种优点，但仍然有两大技术难题未能解决。
其一，不能稳定燃烧。氨气的燃点为651摄氏度，需要较高温度才能燃烧，难以稳定持续的燃烧会产生不完全燃烧的副反应——产生有毒有害气体一氧化氮和二氧化氮。
其二，如何获取“绿氨”。氨气主要是氢气和氮气在高温高压下发生催化反应而成，目前全球主流的制取方法是20世纪初德国化学家弗里茨·哈伯和卡尔·博世等人提出的哈伯-博世工艺，这一方法本身以化石燃料为氢源和热源，会造成大量的二氧化碳排放。
2、日韩技术领先
对于上述两大难题，全球的科学家和产业界都在重注投入攻关。
针对充分燃烧问题，日韩两国在研发上遥遥领先。据程一兵介绍，三菱重工目前开发的4万千瓦100%纯氨燃料发电机，已经能将氮氧化物控制在100ppm（百万分之一）甚至10ppm以下，预计2025可以实现商用。日本大阪大学教授赤松史光正在牵头研究，用氨作为燃料燃烧开发10～100千瓦的燃烧炉，已经达成工业级规模。
2021年3月4日，韩国船级社授予韩国船舶技术株式会社研发的“8000吨级氨燃料动力加注船”原则性认可证书，使其成为韩国第一艘以船用轻质柴油（MGO）和氨为双燃料的8000吨级氨燃料加注船。
2021年12月27日，住友商事宣布与大岛造船发起共同项目，设计开发世界领先的氨动力散货船。预计在2025年完工后，这艘散货船将由住友商事拥有并运营，助力干散货航运客户减少供应链排放。
针对绿氨问题，科学家正在探索更多的绿色制氨方案。例如固氮酶合成氨、光催化合成氨、电催化合成氨、等离子体法合成氨、循环工艺法合成氨以及超临界合成氨等。其中固氮酶合成氨、光催化合成氨及电催化合成氨的关注度较高。
对此，苏州大学能源学院院长晏成林认为，固氮酶合成氨工艺具有电子效率高、能耗低的优点，但反应速度慢限制了氨产率的提高，此外还面临催化剂的稳定性和回收利用难题；光催化合成氨具有传统的半导体材料成本低廉、易于制备且光稳定性好等优点，但容易受到太阳能不确定性和效率低的限制。
电催化合成氨在常温常压的温和条件下即可实现绿色、零排放合成氨，但氮气稳定的化学键、较高的第一电离能及其在水中较低的溶解度，都对电催化合成氨反应造成了极大的障碍。
3、应用刚刚起步
氨能作为一种清洁能源，虽然未来应用场景多种多样，但目前主要包括储氢、发电和传船舶燃料等领域。
目前，澳大利亚利用自身光伏和天然气资源丰富的优势，将电解水制取的“绿氢”和天然气制取的“蓝氢”液化成氨，运输到日本、韩国等主要需求地。
据报道，由沙特阿拉伯的未来城市NEOM、沙特国际电力和水务公司、空气产品公司三方组成的 “NEOM绿氢公司”正在考虑将绿氢合成零碳排放的绿氨，并专由空气产品公司出口至全球市场。目前项目的工程设计和采购工作已正式启动，预计工厂将于2026年投产。
在发电燃料上，日本制定了积极的目标。根据第六版能源战略计划，日本提出了积极的目标，到2030年将氢和氨用作燃料，与天然气或煤粉等混烧发电，占日本发电量的1%。具体来说，日本计划首先采用混烧技术，比如30%的氢加70%的天然气，或者20%的氨加80%的煤粉，之后逐步提升氨和氢的混烧比例，计划到2050年实现100%的氨、氢燃烧发电。
2021年12月26日，国家能源集团总经理、中国氢能联盟理事长刘国跃提出，要推进燃煤机组掺烧液氨，探索综合减污降碳技术。目前，国家能源集团正在积极推进燃煤电厂掺氨燃烧技术研发和示范，谋划绿氢合成绿氨技术示范。
厦门大学能源学院教授王兆林在2021年年底透露，其在山东布局的氨燃料发动机已经具备量产能力，2022年氨氢能源将会有大的发展。
据了解，程一兵所在的仙湖实验室正在加快建立氢氨融合燃烧实验室，建立一流的研发队伍，研究零碳内燃机和高温工业炉稳定燃烧技术。
在船舶领域，2021年10月28 日，国际可再生能源署(IRENA)发布报告称，氨在海运领域将成为清洁燃料的主力军。
令人关注的是，挪威化肥巨头雅苒国际出资建造的全球第一艘用氨能驱动的货船雅苒·伯克兰号，已于2021年11月22日下水首航。
资料显示，我国是全球氨生产大国，全世界每年生产合成氨2亿吨左右，我国的产能大约占到全球的四分之一。
“在电解水制氢的基础上，我们要研究二代的绿氨合成技术，车载的氢氨分离器技术，并研制氢氨融合的内燃机，用于大功率的卡车和轮船。同时我们还要开发零碳的氢和氨的燃烧技术，帮助硅酸盐行业、发电行业首先实现碳达峰和碳中和。”程一兵强调。
来源： 能源评论 首席能源观 袁素
