氢能源VS氨能源究竟究竟孰高孰低?氨能源凭啥动摇氢能“一哥”位置

2022年01月13日 阅读量:5

原本将氢能作为“王牌”的日本政府,正引入氨能,希望将发电厂和船舶的燃料替换成氨,凭借燃烧技术突破,以更低的成本实现碳中和。在2021年10月发布的第六版能源战略计划中,日本政府首次引入氨能,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%。

 

《能源战略计划》是日本政府根据2002年6月生效的《能源政策基本法》制定的政策,此后日本政府持续发布此文件的更新版本,披露其能源政策的方向。在2018年发布的第五版能源战略计划中,日本政府提出,将氢能打造成日本的“王牌”,当时并未提及氨能。第六版计划中提到的2030年1%目标,主要是指在发电领域,将氢和氨用作燃料,与天然气或煤粉等混烧发电。日本政府于2020年10月宣布,2050年实现碳中和。第六版计划中提到,为了实现这个目标,占排放量80%的能源部门必须努力改变,火电厂要优先使用零碳的氢、氨燃料替代煤炭等化石燃料。

 

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。第六版计划还要求火电厂利用将二氧化碳从排放源中分离、捕集、利用或封存的技术(CCUS)来实现减排。

 

日本产业界也正展开行动。

 

2021年10月,日本电力巨头JERA的氨能混烧示范项目在其日本爱知县碧南市的火电厂首次点火启动。根据计划,此项目的氨燃料混烧比例到2024年将提高到20%,到2050年将实现100%。

 

JERA在2021年11月中旬宣布,计划在未来2-3年内,每年采购50万吨氨,用于混烧发电。供应链方面的行动也已展开,日本希望从澳大利亚获取“绿氨”(用可再生能源制造的氨气)。

 

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。除了可用做发电厂的燃料,氨能还可用于航运业,因为驱动轮船的燃气轮机,也可以采用氨能作为燃料。

 

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,刚刚于11月22日下水首航。

 

12月8日,日本川崎汽船与新来岛造船合作开发的氨燃料船概念设计,获得了日本船级社的原则性批准。

 

氢能的高成本

 

日本第六版能源战略计划提出,2030年氢能在能源结构中的占比要达到11%,这主要指的是氢能在汽车、家庭、工业等领域的应用。日本政府2017年提出要建设氢能社会之后,推出了氢燃料电池汽车,加氢站,还尝试了利用氢能给居民住宅供应暖气和热水。在工业领域,氢能产生的热值高,因此适用于有高温热需求的工业部门。

 

第六版计划中也指出,日本非电力部门应该通过使用脱碳电源供电,如果是有高温热需求的部门,无法使用脱碳电源,那应该优先使用氢气、合成甲烷或合成燃料,替代化石能源,以促进脱碳。但是,由于氢能源成本高昂,在汽车领域的推广并不顺利。

 

2021年初,日产宣布暂停与戴姆勒及福特开发燃料电池车的合作计划,将力量集中于发展锂电池电动车。6月,本田也宣布停产旗下的氢能源车型,主要原因是成本过高导致销量惨淡。

 

丰田此前大力研发推广氢能源车型,其总裁丰田章男曾公开表示对锂电池电动车持保留态度。但丰田在12月14日发布的全球电动车战略中,却宣布将在2030年之前投入30款包括锂电池电动车、氢能源电动车等在内的电动车型,并且将雷克萨斯品牌转型为纯电动车品牌。这意味着丰田不再把赌注全部压在氢能源上。

 

氨能利用:先做储氢介质

 

在大多数人的认知中,氢(化学式H2)一直被认为是最理想的能源,其与氧气(化学式O2)燃烧反应只生成水(化学式H2O),属于最佳的清洁能源。

 

但我们也知道,由于在制氢、储氢、加氢等各个环节上的技术、成本阻碍,目前氢能源的商业化应用尚未大规模落地。

 

清洁能源的本质在于不含“碳”(化学式C),从而保证燃烧、反应过程中不会产生二氧化碳(化学式CO2)。而氨本身也不含碳元素,其与氧气反应生成的物质为氮气(化学式N2)和水,作为在空气中占比78%的气体,氮气显然也不是有毒有害气体,这为氨作为清洁能源打下了良好的基础。

 

不过值得注意的是,对于氨在清洁能源中的利用,首要的并不是直接燃烧,而是作为储氢介质,辅助氢能源。

 

在氢能利用的环节中,随着光伏、风电等在可再生能源发电规模的持续扩大,以及国家对加氢站的扶持,最上游的制氢和下游的加氢应用都在取得有效的进展,但在中游的氢气储运环节仍然存在痛点。

 

氢气易燃易爆的特性,使得其储存条件苛刻。在目前主流的液化运输过程中,需要将温度降低到-235摄氏度才能将氢气液化,这意味着需要大量的额外能耗。相比之下,氨气的液化温度只需要-33摄氏度,能耗需求大幅减少。

 

而目前,氨的主要制备方式本身就是氢气和氮气反应合成,全球年产量1.8亿吨,80%左右用于化肥行业,工艺成熟,成本低廉。

 

这也是氨气作为储氢介质的基本过程:在获得氢气之后,将其与氮气反应合成为氨气,随后将氨气液化,运输到目的地后,再将氨分解为氢气利用。

 

目前,澳大利亚已经实现了这一过程,其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。

 

这事实上也是氨真正作为清洁能源的利用方式,即直接作为燃料燃烧发电。

 

氨能利用:直接作为零碳燃料

 

正如前面说到,氨的合成工艺目前是非常成熟的,这意味着氨气本身有成本优势。

 

拿我国来说,目前中国氨气的年产量在5000万吨左右,占到全球的四分之一,价格为4000元/吨,而氢气的价格为60000元/吨。

 

氨气本身作为无碳燃料,能够作为清洁燃料直接燃烧,这意味着无需再将氨气分解为氢气再燃烧,利用效率明显提升。

 

此外,相比氢,氨也拥有更高的能量密度(液氨的能量密度是液氢的1.5倍)和高辛烷值(可增加内燃机压缩比以提高输出功率),同时还有安全、低成本储运的优势。

 

不过,目前氨直接作为燃料燃烧也存在不少的技术阻碍。

 

首先就是其作为优势的安全性能在燃烧层面的劣势。氨气的燃点为651摄氏度,需要较高温度才能燃烧,这意味着其燃烧的速度较慢,难以稳定持续的燃烧,从而使得产生的热量不如氢气。

 

这也带来了氨直接燃烧的另一个弊端,氨气和氧气完全燃烧,生成的氮气和氧气当然不是有毒有害气体,但氨的燃烧特性使得其难以完全燃烧,此时便会发生不完全燃烧的副反应,产生一氧化氮(化学式NO)和二氧化氮(NO2),而这两种物质都是有毒有害气体。

 

这也使得在目前氨作为燃料直接燃烧的技术开发中,保证氨的高速稳定燃烧和避免反应产生有害气体成为主要的研究目标。而目前,日本和韩国同样在这方面有较快研究的国家。

 

日本方面,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;大阪大学已经完成了10-100千瓦的氨气燃烧炉的稳定燃烧,基本具备工业级生产的条件。

 

韩国方面,韩国船级社在去年3月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。

 

目前,由于起步较晚,我国在氨燃料发动机技术、氨燃料加注设施等方面与日韩玩家存在一定差距,同时也缺少较为完善的政策指导和法律法规。

 

当然,目前来看,氨作为能源和燃料的利用仍处在初期研发阶段,三菱重工就表示,氨燃料发动机的实用化大约要在2025年以后。

 

此外,目前氨能利用的一个关键性问题在于,如何实现更低成本的绿氨获得。

 

氨气主要的合成方式是氢气和氮气在高温高压下发生催化反应,所以氨气的制备本质还是在于氢气的制备。

 

绿氨是由绿氢制备而成,即由可再生能源发电电解水制备的不产生碳排放的氢气,而目前包括日本、韩国在内的大多数亚洲国家,氢气的制备依然主要是工业副产氢,这个过程中并不环保。

 

我国迎来关键技术突破

 

据国际能源署预计,2040年,全球“绿氢和蓝氢”需求将达7500万吨。发展氢能产业是实施“双碳”战略的重要抓手,然而氢气储运难和安全性差等问题制约了其产业化发展。研究发现,氨作为高效储氢介质,具有高能量密度、易液化储运、安全性高和无碳排放等优势。

 

一项颠覆性关键技术的突破,迎来了国内首家“氨-氢”绿色能源重大产业创新平台的启动建设。12月10日,福州大学举行了绿色能源重大产业项目战略合作签约仪式,该校江莉龙研发团队率先实现了新型的低温“氨分解制氢”催化剂的产业化,探索了以氨为氢能载体的颠覆传统高压储氢方式,为发展“氨-氢”绿色能源产业奠定了坚实的基础。

 

作为我国氨工业催化领域唯一的国家级创新平台,2018年,福州大学化肥催化剂国家工程研究中心与北京三聚环保公司等开发出世界首套以煤为原料的低碳安全高效“铁钌接力催化”合成氨成套新技术,实现在年产20万吨合成氨装置上工业应用,打破了国外近30年的技术垄断。

 

在此基础上,该中心进行“氨-氢”绿色能源重大技术攻关,创制出使氨高效分解的新型低温催化剂,使传统高温“氨分解制氢”的温度大幅下降,并设计开发出氨低温制氢加氢站装置和新型“氨-氢”燃料电池动力系统,攻克了“氨-氢”能源循环的关键技术瓶颈,有望发展一条契合我国能源结构特点的“清洁高效合成氨—安全低成本储运氨—无碳产氢用氢”的全链条特色氢能经济路线,为国家“双碳”目标的实现提供一条崭新的解决方案。

 

此外,李骏指出,目前氢能源汽车存在明显的长尾效应。人类所使用的无碳燃料不仅有氢,还有其他燃料。氨氢融合一体化的新能源汽车可能将会是绝佳解决方案。全球氨能源非常丰富,特别是,我国是全球氨生产大国,全世界每年生产大概2亿吨左右,我国的产能大约占到全球的四分之一。

 

而担任过国际氢能协会副主席的清华大学核能与新能源技术研究院教授毛宗强也在近期的一次采访中看好氢氨一体化的发展,他说,因氨转换氢气成本低廉、氨气供应充足等优势,液氨或将成为媲美液氢的新兴储运方式。多样化的绿色能源使用对“双碳”目标的实现至关重要。在氢能战略大前提下,整个氢能行业要利用氢能在交通领域的优势,对包括氨在内的氢基化合物提供更多的测试机会,得出科学的结论,进行大面积推广,为实现“碳达峰”“碳中和”寻找多样的路径与技术。

 

结论

 

所以目前来看,除了氨燃料发动机等氨气燃烧领域的研究,更低成本的可再生能源发电制氢,也是氨作为零碳燃料的重中之重。未来,氢能VS氨能将会是谁的天下呢?让我们拭目以待!

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