氫氨融合，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展新路徑
2024-05-27
雙碳戰(zhàn)略背景下，世界各國(guó)都在積極尋找綠色能源技術(shù)，氫氨融合正在成為發(fā)展熱點(diǎn)。氨是大宗基礎(chǔ)化工品，具備原料、燃料雙重屬性，是世界上生產(chǎn)及應(yīng)用最廣泛的化學(xué)品之一。同時(shí)，氨是富氫載體和良好的儲(chǔ)氫介質(zhì)，所含氫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)17.6％，是大規(guī)模、長(zhǎng)距離儲(chǔ)運(yùn)氫的有效方式。氨常溫常壓下為氣態(tài)，具有燃點(diǎn)髙、不易爆、低壓易液化等特點(diǎn)。全球氨年產(chǎn)量約1.8億噸，我國(guó)氨年產(chǎn)量約5600萬(wàn)噸，約占全球產(chǎn)量30%。
一、全球氫氨融合快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)布局加快
氨作為零碳燃料和氫能的高效載體，可實(shí)現(xiàn)終端能源的無(wú)碳排放。液氨體積能量密度高、基礎(chǔ)設(shè)施完善、大規(guī)模存儲(chǔ)和運(yùn)輸技術(shù)成熟，能夠有效解決氫能儲(chǔ)運(yùn)難題，氫氨融合是實(shí)現(xiàn)未來(lái)能源綠色發(fā)展的重要解決方案。全球范圍內(nèi)已有多個(gè)國(guó)家和地區(qū)開(kāi)始探索氫氨融合技術(shù)發(fā)展。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外氫氨融合技術(shù)發(fā)展不斷加速，示范項(xiàng)目和產(chǎn)業(yè)布局逐步加快。
日本在氨能的開(kāi)發(fā)利用上走在前沿。由于日本自身能源結(jié)構(gòu)因素影響，自產(chǎn)合成氨規(guī)模有限，《第六次能源基本計(jì)劃》中提出在2030年前實(shí)現(xiàn)燃煤摻燒20%氨的目標(biāo)，預(yù)計(jì)未來(lái)日本綠氨進(jìn)口需求將增大。日本電力公司、石油公司和貿(mào)易公司等正在通過(guò)尋求海外合作方式拓展未來(lái)清潔氨來(lái)源，日本火力能源發(fā)電公司JERA和大型石油公司出光興產(chǎn)正在與全球最大的氨產(chǎn)商挪威Yara探索合作模式，綜合貿(mào)易公司三井物產(chǎn)參與阿布扎比國(guó)家石油公司的清潔氨生產(chǎn)項(xiàng)目。此外，三菱重工已開(kāi)發(fā)4萬(wàn)千瓦100%純氨燃料發(fā)電機(jī)，可將氮氧化物控制在100ppm甚至10ppm以下。
韓國(guó)正在推動(dòng)液氨發(fā)電及氨氫混合發(fā)電技術(shù)聯(lián)合研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。韓國(guó)政府從2022年1月起開(kāi)展無(wú)碳環(huán)保氨氣發(fā)電技術(shù)聯(lián)合研發(fā)，斗山重工、現(xiàn)代重工和樂(lè)天精密化學(xué)等企業(yè)參與合作。2023年11月16日，韓國(guó)政府宣布了一項(xiàng)在火力發(fā)電燃料組合中引入氫和氨的計(jì)劃，目標(biāo)最早在2030年使原料中含有20%的氨，并在不少于24家當(dāng)?shù)厝济夯鹆Πl(fā)電廠應(yīng)用。韓國(guó)電力、樂(lè)天化學(xué)等企業(yè)先后與馬來(lái)西亞、阿聯(lián)酋企業(yè)合作，在當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)綠氫和綠氨工廠，旨在向當(dāng)?shù)丶绊n國(guó)提供綠氫和綠氨。
澳大利亞積極布局向日本和韓國(guó)提供氨燃料，利用充足陽(yáng)光制氫制氨，通過(guò)海運(yùn)輸送到日本和韓國(guó)。澳大利亞與日本簽訂綠氨長(zhǎng)期供應(yīng)合同，通過(guò)海運(yùn)將液氨運(yùn)送至日本；澳大利亞、韓國(guó)共同合作建立綠色能源走廊。北昆士蘭擬議的大型項(xiàng)目每年將生產(chǎn)高達(dá)180萬(wàn)噸的綠色氨，并將支持方舟能源公司Collinsville綠色能源中心高達(dá)4.5GW的可再生能源項(xiàng)目建設(shè)。
中東積極布局綠氨產(chǎn)業(yè)，將其作為能源轉(zhuǎn)型的重要路徑。沙特阿美聯(lián)合美國(guó)空氣產(chǎn)品公司等在沙特投資的NEOM綠氫/綠氨項(xiàng)目正在實(shí)施，未來(lái)將全部由可再生能源供電，計(jì)劃于2026年完成。
我國(guó)出臺(tái)了氫氨融合路徑相關(guān)政策?！稓淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035年）》中提出，擴(kuò)大工業(yè)領(lǐng)域氫能替代化石能源應(yīng)用規(guī)模，積極引導(dǎo)合成氨、合成甲醇、煉化、煤制油氣等行業(yè)由高碳工藝向低碳工藝轉(zhuǎn)變，促進(jìn)高耗能行業(yè)綠色低碳發(fā)展?！?/span>“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》中提出，依托可再生能源制氫(氨)的氫(氨)儲(chǔ)能等試點(diǎn)示范，將探索風(fēng)光氫儲(chǔ)等源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)的儲(chǔ)能發(fā)展模式列入“十四五”新型儲(chǔ)能區(qū)域示范。2022年科技部發(fā)布的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目，包括分布式氨分解制氫技術(shù)與灌裝母站集成、摻氫/氨清潔高效燃燒等與氨相關(guān)技術(shù)。
二、氫氨融合是能源綠色發(fā)展的重要路徑
氨作為大宗商品，具有完備的貿(mào)易和運(yùn)輸體系，氨可以作為直接或者間接的無(wú)碳燃料直接應(yīng)用。目前全球八成以上的氨用于生產(chǎn)化肥，綠氨應(yīng)用主要集中在降碳、儲(chǔ)氫、航運(yùn)燃料、摻混發(fā)電等領(lǐng)域，具有良好的發(fā)展前景。
降碳。2021年我國(guó)合成氨碳排放量約2億噸，合成氨行業(yè)節(jié)能減排壓力大，綠氨能夠?qū)崿F(xiàn)接近“零碳”排放，有助于雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，未來(lái)合成氨市場(chǎng)將由傳統(tǒng)合成氨向綠氨轉(zhuǎn)移。國(guó)家能源集團(tuán)、國(guó)家電投、中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)等多個(gè)能源集團(tuán)均開(kāi)始布局、投資建設(shè)風(fēng)光氫氨一體化項(xiàng)目，項(xiàng)目主要集中在可再生資源富集的內(nèi)蒙古、吉林等地區(qū)。
儲(chǔ)氫載體。綠氨作為儲(chǔ)運(yùn)氫的載體，可實(shí)現(xiàn)氫的低成本遠(yuǎn)洋運(yùn)輸。氫氣儲(chǔ)運(yùn)難和安全性差是制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要“瓶頸”。氨的特性適合儲(chǔ)運(yùn)氫。氨比氫氣更容易液化，常壓下氨氣在-33℃可以液化，而氫氣需要低于-253℃，且同體積液氨比液氫多至少60%的氫。從全球氫能貿(mào)易來(lái)看，綜合考慮出口國(guó)—港口—需求地全過(guò)程儲(chǔ)運(yùn)的復(fù)雜性和安全性，氫氨儲(chǔ)運(yùn)模式是極具可行性和經(jīng)濟(jì)性的方案，有望成為大規(guī)模氫能貿(mào)易的有效方式。液氨已經(jīng)在全球范圍內(nèi)開(kāi)展遠(yuǎn)洋貿(mào)易，中東、澳大利亞、智利等世界上可再生能源資源較為豐富的地區(qū)已啟動(dòng)相關(guān)能源規(guī)劃，利用風(fēng)光發(fā)電制氫，之后利用氨作為氫的載體運(yùn)輸?shù)饺毡?、韓國(guó)等市場(chǎng)。
綠色航運(yùn)燃料。綠氨是未來(lái)航運(yùn)業(yè)脫碳的主力燃料之一。國(guó)際海事組織2018年通過(guò)了溫室氣體減排初步戰(zhàn)略，提出到2030年全球海運(yùn)碳排放與2008年相比至少下降40%，力爭(zhēng)到2050年下降70%。為實(shí)現(xiàn)航運(yùn)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。綠氨動(dòng)力船舶能量密度大，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)域具有較好的應(yīng)用前景。2021年3月4日，韓國(guó)船級(jí)社授予韓國(guó)船舶技術(shù)株式會(huì)社研發(fā)的“8000噸級(jí)氨燃料動(dòng)力加注船”原則性認(rèn)可證書(shū)，其為船用輕質(zhì)柴油（MGO）和氨為雙燃料的8000噸級(jí)氨燃料加注船。
火電摻氨發(fā)電。全球可持續(xù)發(fā)展愿景下，推進(jìn)火電機(jī)組摻燒氨或純氨等低碳燃料是發(fā)電領(lǐng)域碳減排的重要技術(shù)方向。
火力發(fā)電仍在當(dāng)今世界占主導(dǎo)地位，摻混燃燒發(fā)電能夠?yàn)槊弘姀S提供減碳方案?？稍偕茉床回S富、火力發(fā)電占比較高的國(guó)家是氨摻混燃燒發(fā)電的主要推動(dòng)者，主要以日本為代表，日本由于可再生能源資源匱乏，電力行業(yè)脫碳需要依靠一方面大力發(fā)展可再生能源，另一方面則通過(guò)氨摻混發(fā)電，并逐步提高混燒比例，降低碳排放?；鹆Πl(fā)電占我國(guó)總發(fā)電量68%，是國(guó)內(nèi)的基礎(chǔ)負(fù)荷和電網(wǎng)穩(wěn)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(fèi)，同時(shí)不需要再新建、改造電網(wǎng)，可以充分利用源網(wǎng)荷儲(chǔ)設(shè)備設(shè)施。目前關(guān)于氨在不同工況下的燃燒特性，如點(diǎn)火延遲時(shí)間、火焰速度與結(jié)構(gòu)、燃燒極限、NOx生成特性等關(guān)鍵參數(shù)仍在完善，摻氨發(fā)電技術(shù)在燃煤發(fā)電廠的規(guī)模應(yīng)用仍需探索。
氫氨融合快速發(fā)展同時(shí)，也存在一些難題有待解決：
一是氨作為氫載體雖然能量密度較高、儲(chǔ)運(yùn)成本較低，但氨裂解制氫并壓縮的過(guò)程需要消耗大量能量，整體能量轉(zhuǎn)換效率方面沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)。
二是氫氨融合工藝需要使用合成氨反應(yīng)裝置、氨氣分離裝置、廢氣處理裝置、氨分解制氫設(shè)備和其他輔助設(shè)備，前期投入較高。
三是氨作為燃料直接用于發(fā)電、船舶動(dòng)力、工業(yè)燃料等領(lǐng)域面臨不易點(diǎn)燃、穩(wěn)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(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和利用環(huán)節(jié)需要有效解決泄漏問(wèn)題和腐蝕防控問(wèn)題。
五是綠氨在經(jīng)濟(jì)性方面，仍需要綠電、綠氫價(jià)格下降，降低終端應(yīng)用成本。
三、零碳能源經(jīng)濟(jì)，萬(wàn)億藍(lán)海市場(chǎng)
全球綠色能源轉(zhuǎn)型和能源安全的大背景下，綠氫與綠氨相互融合，是實(shí)現(xiàn)能源綠色發(fā)展的重要路徑。根據(jù)國(guó)際可再生能源署(IRENA)估算，為了滿足《巴黎協(xié)定》中全球氣溫上升控制在1.5℃以內(nèi)目標(biāo)，全球?qū)⑿略鰞|噸級(jí)綠氨需求量。據(jù)Precedence Research數(shù)據(jù)，2022年全球綠氨市場(chǎng)規(guī)模為6300萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)2030年將達(dá)到54.8億美元。BP、Air Products、Yara等世界能源巨頭依托澳大利亞，中東地區(qū)國(guó)家等豐富的可再生能源或天然氣資源優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)了數(shù)十項(xiàng)總計(jì)約千萬(wàn)噸級(jí)的藍(lán)氨/綠氨合作項(xiàng)目。
我國(guó)氫氨融合起步較晚，但發(fā)展速度快。近年在儲(chǔ)氫載體、氨煤混燒/純氨燃燒發(fā)電、氨燃料電池、氨動(dòng)力船舶等領(lǐng)域取得積極進(jìn)展。
未來(lái)氫氨融合發(fā)展仍需持續(xù)探索，發(fā)展建議方面：
一是加強(qiáng)政策引導(dǎo)，加強(qiáng)戰(zhàn)略規(guī)劃布局，確定氫氨融合發(fā)展戰(zhàn)略方向與目標(biāo)。能源、化工等相關(guān)企業(yè)抓住綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展時(shí)機(jī)，開(kāi)展布局。
二是加強(qiáng)關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)，將可再生能源與氫能產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，以氨為儲(chǔ)能或儲(chǔ)氫載體，發(fā)展“清潔高效合成氨、經(jīng)濟(jì)安全氨能儲(chǔ)運(yùn)、無(wú)碳高效氫氨利用”的零碳循環(huán)技術(shù)路線。對(duì)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(yīng)用重點(diǎn)領(lǐng)域組織實(shí)施一批重大科技項(xiàng)目，集中力量攻關(guān)。
三是加強(qiáng)示范應(yīng)用，根據(jù)氨現(xiàn)有產(chǎn)能基礎(chǔ)、產(chǎn)能擴(kuò)建規(guī)劃，加強(qiáng)氫氨融合示范應(yīng)用，配套建設(shè)氨儲(chǔ)運(yùn)體系，打造全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)痉豆こ蹋瑑?yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)同發(fā)展，實(shí)現(xiàn)從上游生產(chǎn)到終端應(yīng)用的有效銜接。持續(xù)探索、實(shí)踐符合我國(guó)能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的綠色無(wú)碳、安全經(jīng)濟(jì)的氫氨融合技術(shù)發(fā)展應(yīng)用路徑，助力推動(dòng)我國(guó)能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展。
