氫氨融合，氫能產業發展新路徑
作者 | 中國產業發展促進會氫能分會
雙碳戰略背景下，世界各國都在積極尋找綠色能源技術，氫氨融合正在成爲發展熱點。氨是大宗基礎化工品，具備原料、燃料雙重屬性，是世界上生產及應用最廣泛的化學品之一。同時，氨是富氫載體和良好的儲氫介質，所含氫元素的質量分數達17.6％，是大規模、長距離儲運氫的有效方式。氨常溫常壓下爲氣態，具有燃點髙、不易爆、低壓易液化等特點。全球氨年產量約1.8億噸，我國氨年產量約5600萬噸，約佔全球產量30%。
氨作爲零碳燃料和氫能的高效載體，可實現終端能源的無碳排放。液氨體積能量密度高、基礎設施完善、大規模存儲和運輸技術成熟，能夠有效解決氫能儲運難題，氫氨融合是實現未來能源綠色發展的重要解決方案。全球範圍內已有多個國家和地區開始探索氫氨融合技術發展。近年來，國內外氫氨融合技術發展不斷加速，示範項目和產業佈局逐步加快。
圖1：氫氨融合示意圖
日本在氨能的開發利用上走在前沿。由於日本自身能源結構因素影響，自產合成氨規模有限，《第六次能源基本計劃》中提出在2030年前實現燃煤摻燒20%氨的目標，預計未來日本綠氨進口需求將增大。日本電力公司、石油公司和貿易公司等正在通過尋求海外合作方式拓展未來清潔氨來源，日本火力能源發電公司JERA和大型石油公司出光興產正在與全球最大的氨產商挪威Yara探索合作模式，綜合貿易公司三井物產參與阿布扎比國家石油公司的清潔氨生產項目。此外，三菱重工已開發4萬千瓦100%純氨燃料發電機，可將氮氧化物控制在100ppm甚至10ppm以下。
三菱重工40MW級氨燃氣輪機
氨是一種由氫和氮組成的化合物，可以直接作爲燃料燃燒。氨直接燃燒也會導致氮氧化物(NOx)的排放，氮氧化物是由燃料中的氮組分氧化引起的。三菱重工通過將選擇性催化還原(SCR)與創新燃燒室相結合來解決這一問題，並將其安裝在40MW級別的H-25系列燃氣輪機上，公司計劃在未來將這項技術商業化。
韓國正在推動液氨發電及氨氫混合發電技術聯合研發與產業化。韓國政府從2022年1月起開展無碳環保氨氣發電技術聯合研發，斗山重工、現代重工和樂天精密化學等企業參與合作。2023年11月16日，韓國政府宣佈了一項在火力發電燃料組合中引入氫和氨的計劃，目標最早在2030年使原料中含有20%的氨，並在不少於24家當地燃煤火力發電廠應用。韓國電力、樂天化學等企業先後與馬來西亞、阿聯酋企業合作，在當地建設綠氫和綠氨工廠，旨在向當地及韓國提供綠氫和綠氨。
澳大利亞積極佈局向日本和韓國提供氨燃料，利用充足陽光制氫制氨，通過海運輸送到日本和韓國。澳大利亞與日本簽訂綠氨長期供應合同，通過海運將液氨運送至日本；澳大利亞、韓國共同合作建立綠色能源走廊。北昆士蘭擬議的大型項目每年將生產高達180萬噸的綠色氨，並將支持方舟能源公司Collinsville綠色能源中心高達4.5GW的可再生能源項目建設。
中東積極佈局綠氨產業，將其作爲能源轉型的重要路徑。沙特阿美聯合美國空氣產品公司等在沙特投資的NEOM綠氫/綠氨項目正在實施，未來將全部由可再生能源供電，計劃於2026年完成。
表1：海外綠氨項目開發建設情況
來源：公開信息，中國產業發展促進會氫能分會整理
我國出臺了氫氨融合路徑相關政策。《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》中提出，擴大工業領域氫能替代化石能源應用規模，積極引導合成氨、合成甲醇、煉化、煤制油氣等行業由高碳工藝向低碳工藝轉變，促進高耗能行業綠色低碳發展。《“十四五”新型儲能發展實施方案》中提出，依託可再生能源制氫(氨)的氫(氨)儲能等試點示範，將探索風光氫儲等源網荷儲一體化和多能互補的儲能發展模式列入“十四五”新型儲能區域示範。2022年科技部發布的國家重點研發計劃重點專項項目，包括分佈式氨分解制氫技術與灌裝母站集成、摻氫/氨清潔高效燃燒等與氨相關技術。
國家能源集團、國家電投、中國能源建設集團等多個能源集團均開始佈局、投資建設風光氫氨一體化項目。2022年7月，國家能源集團國華投資烏拉特中旗甘其毛都口岸加工園區風光氫氨一體化新型示範項目獲備案；2023年5月，國家電投吉電股份大安風光制綠氫合成氨一體化項目全面開工。項目年制氫量3.2萬噸，年產氨量18萬噸，配套建設80萬千瓦新能源裝機，爲綠電制氫、制氨提供能源。
此外，中國石化於2022年8月在福州市啓動了全國首座“氨現場制氫加氫一體站”示範項目，以氨作爲氫氣的儲能載體，探索在線制氫、分離純化、升壓加註等技術和裝備的低成本示範應用。據福州大學氨制氫催化技術數據，以每噸氨價格3500元爲測算基礎，5.49ｔ氨分解產生約1t氫氣。1t氫氣原料成本約19元／kg，考慮氨制氫設備投資成本後，在現場制氫供氫的價格可控制在35元／kg以內。若結合石化企業上游煉油廠副產氫資源來合成氨，成本優勢將更加凸顯；2023年12月8日，我國首座商業化分佈式氨制氫加氫一體站——廣西石油南寧振興加能站建成併成功試投產；2023年6月，廣東佛山仙湖實驗室啓動“氫能及氨氫融合新能源技術重點實驗室”建設，聚焦氫能與燃料電池技術和氫氨融合新能源技術，探索構建以氨和氫作爲直接能源或能源載體的新能源體系。
氨作爲大宗商品，具有完備的貿易和運輸體系，氨可以作爲直接或者間接的無碳燃料直接應用。目前全球八成以上的氨用於生產化肥，綠氨應用主要集中在降碳、儲氫、航運燃料、摻混發電等領域，具有良好的發展前景。
降碳。2021年我國合成氨碳排放量約2億噸，合成氨行業節能減排壓力大，綠氨能夠實現接近“零碳”排放，有助於雙碳目標實現，未來合成氨市場將由傳統合成氨向綠氨轉移。國家能源集團、國家電投、中國能源建設集團等多個能源集團均開始佈局、投資建設風光氫氨一體化項目，項目主要集中在可再生資源富集的內蒙古、吉林等地區。
圖2：2020年我國化工產業不同行業碳排放
數據來源：Statista
表2：我國綠氨項目情況
來源：公開信息，中國產業發展促進會氫能分會整理
儲氫載體。綠氨作爲儲運氫的載體，可實現氫的低成本遠洋運輸。氫氣儲運難和安全性差是制約氫能產業發展的主要“瓶頸”。氨的特性適合儲運氫。氨比氫氣更容易液化，常壓下氨氣在-33℃可以液化，而氫氣需要低於-253℃，且同體積液氨比液氫多至少60%的氫。從全球氫能貿易來看，綜合考慮出口國—港口—需求地全過程儲運的複雜性和安全性，氫氨儲運模式是極具可行性和經濟性的方案，有望成爲大規模氫能貿易的有效方式。液氨已經在全球範圍內開展遠洋貿易，中東、澳大利亞、智利等世界上可再生能源資源較爲豐富的地區已啓動相關能源規劃，利用風光發電制氫，之後利用氨作爲氫的載體運輸到日本、韓國等市場。
綠色航運燃料。綠氨是未來航運業脫碳的主力燃料之一。國際海事組織2018年通過了溫室氣體減排初步戰略，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%。爲實現航運業的減碳脫碳，清潔燃料替代化石能源是最具潛力的技術手段。綠氨動力船舶能量密度大，可利用現有氨供應鏈和基礎設施，在集裝箱船等大型船舶遠航領域具有較好的應用前景。2021年3月4日，韓國船級社授予韓國船舶技術株式會社研發的“8000噸級氨燃料動力加註船”原則性認可證書，其爲船用輕質柴油（MGO）和氨爲雙燃料的8000噸級氨燃料加註船。
氨燃料動力汽車運輸船
2022年3月，由中國船舶集團上海船舶研究設計院自主研發設計的中國首款氨燃料動力7000車位汽車運輸船（PCTC）正式獲得挪威船級社頒發的原則性認可（AiP）證書。該船型有望成爲新一代零碳汽車運輸船的標誌性綠色船型，爲未來市場推廣奠定基礎。
火電摻氨發電。全球可持續發展願景下，推進火電機組摻燒氨或純氨等低碳燃料是發電領域碳減排的重要技術方向。
火力發電仍在當今世界占主導地位，摻混燃燒發電能夠爲煤電廠提供減碳方案。可再生能源不豐富、火力發電佔比較高的國家是氨摻混燃燒發電的主要推動者，主要以日本爲代表，日本由於可再生能源資源匱乏，電力行業脫碳需要依靠一方面大力發展可再生能源，另一方面則通過氨摻混發電，並逐步提高混燒比例，降低碳排放。火力發電佔我國總髮電量68%，是國內的基礎負荷和電網穩定的“壓艙石”，使用摻氨燃燒是降低碳排放的有效路徑，可以降低火電資源浪費，同時不需要再新建、改造電網，可以充分利用源網荷儲設備設施。目前關於氨在不同工況下的燃燒特性，如點火延遲時間、火焰速度與結構、燃燒極限、NOx生成特性等關鍵參數仍在完善，摻氨發電技術在燃煤發電廠的規模應用仍需探索。
國家能源集團600兆瓦燃煤發電機組摻氨燃燒試驗
2023年12月1日，國家能源集團在中國神華廣東臺山電廠600兆瓦燃煤發電機組上實施了高負荷發電工況下煤炭摻氨燃燒試驗。600兆瓦及以上容量機組佔我國火電裝機60%以上，是主力機型，探索600兆瓦燃煤發電機組摻氨燃燒技術，對火電碳減排具有重要意義。
燃煤摻氨爲燃煤電廠提供了一條靈活可行的減碳技術路徑。現階段燃煤摻氨技術尚處於實驗研究和小規模示範階段。未來，燃煤摻氨將在優勢地區繼續擴大示範規模，區域可選擇新能源資源豐富、調峰資源稀缺、電網消納困難地區，如青海地區，採用保障小時數以外的光伏上網電價，可大幅降低合成氨成本。同時開發低能耗高效催化劑、低成本合成工藝等，降低傳統合成氨生產製備技術的能耗及運行成本。
氫氨融合快速發展同時，也存在一些難題有待解決：
一是氨作爲氫載體雖然能量密度較高、儲運成本較低，但氨裂解制氫並壓縮的過程需要消耗大量能量，整體能量轉換效率方面沒有明顯優勢。
二是氫氨融合工藝需要使用合成氨反應裝置、氨氣分離裝置、廢氣處理裝置、氨分解制氫設備和其他輔助設備，前期投入較高。
三是氨作爲燃料直接用於發電、船舶動力、工業燃料等領域面臨不易點燃、穩定燃燒和NOx排放控制難題。
四是氨具有毒性和腐蝕性，在生產、儲運和利用環節需要有效解決泄漏問題和腐蝕防控問題。
五是綠氨在經濟性方面，仍需要綠電、綠氫價格下降，降低終端應用成本。
全球綠色能源轉型和能源安全的大背景下，綠氫與綠氨相互融合，是實現能源綠色發展的重要路徑。根據國際可再生能源署(IRENA)估算，爲了滿足《巴黎協定》中全球氣溫上升控制在1.5℃以內目標，全球將新增億噸級綠氨需求量。據Precedence Research數據，2022年全球綠氨市場規模爲6300萬美元，預計2030年將達到54.8億美元。BP、Air Products、Yara等世界能源巨頭依託澳大利亞，中東地區國家等豐富的可再生能源或天然氣資源優勢，開發了數十項總計約千萬噸級的藍氨/綠氨合作項目。
圖3：全球綠氨市場規模
數據來源：Precedence Research
我國氫氨融合起步較晚，但發展速度快。近年在儲氫載體、氨煤混燒/純氨燃燒發電、氨燃料電池、氨動力船舶等領域取得積極進展。
未來氫氨融合發展仍需持續探索，發展建議方面，一是加強政策引導，加強戰略規劃佈局，確定氫氨融合發展戰略方向與目標。能源、化工等相關企業抓住綠色轉型升級發展時機，開展布局。
二是加強關鍵核心技術研發，將可再生能源與氫能產業相結合，以氨爲儲能或儲氫載體，發展“清潔高效合成氨、經濟安全氨能儲運、無碳高效氫氨利用”的零碳循環技術路線。對綠氨高效低成本合成、氨燃燒利用及尾氣處理的氨合成、氨能應用重點領域組織實施一批重大科技項目，集中力量攻關。
三是加強示範應用，根據氨現有產能基礎、產能擴建規劃，加強氫氨融合示範應用，配套建設氨儲運體系，打造全產業鏈示範工程，優勢互補、協同發展，實現從上游生產到終端應用的有效銜接。持續探索、實踐符合我國能源結構特點的綠色無碳、安全經濟的氫氨融合技術發展應用路徑，助力推動我國能源轉型和可持續發展。