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氨的生產及其發(fā)展趨勢

Haber－Bosch合成氨工藝是世界上最廣泛運用的氨生產工藝，該工藝平均每年約生產1．8億噸的氨，同時能源消耗占全球能源總消耗的1．8％－3％，二氧化碳排放量約占全球二氧化碳總排放量的1％。因此各國正在探尋基于可再生能源制氫的綠氨生產工藝。

在歐洲，荷蘭處于領先地位，目前已經(jīng)完成將海上風電和太陽能轉化為氨燃料的可行性分析和論證工作。報告指出，隨著太陽能和風能發(fā)電成本的進一步降低，以電解水為基礎的氨合成成本將比以天然氣為基礎的氨生產成本更低。荷蘭的能源公司（NUON）、天然氣公司（Gasunie）等多家大型企業(yè)均有所參與布局。

日本福島可再生能源研究所在2013年已經(jīng)在陸地建成了50kW的風電和光電生產氨燃料并利用其發(fā)電的示范基地，氨與煤油混合使用能降低38％的煤油用量。德國西門子與英國盧瑟福阿普爾頓實驗室合作于2017年底建成純電力合成綠色氨和儲能系統(tǒng)的示范項目。該項目由英國創(chuàng)新公司支持（Innovate UK）。澳大利亞正在對利用澳洲沙漠的太陽能生產氨燃料并出口給日本的技術方案和協(xié)作戰(zhàn)略進行論證。此外，挪威化肥巨頭雅苒國際（Yara International）2021年7月宣布，將于2023年在澳大利亞試生產綠氨，并計劃將其銷售給日本的發(fā)電廠。

相比于成熟的煤裂解制氫合成氨，采用電解水制氫合成氨的方式成本一般較高。根據(jù)勢銀能鏈謝易奇的分析，綠氫合成氨成本主要由原料成本（綠氫生產和氮氣生產）和設備折舊、工用設備（主要為電力）等其他成本組成，并假設原料成本占總成本比例為70％，其余部分占30％。每噸綠氨合成需要0．176噸綠氫和0．832噸氨氣。當煤炭價格處于正常范圍（700－900元／噸），傳統(tǒng)合成氨的成本范圍在1900－2200元／噸，此時在可再生能源豐富且電價低廉（0．1元／度）的地區(qū)，綠色合成氨的成本可以和傳統(tǒng)煤制氫合成氨相競爭。而當煤價處于歷史高點時（1500－2000元／噸），傳統(tǒng)合成氨的成本將超過3000元／噸。此時電價到達0．2元／度的地區(qū)，綠氨生產成本也也可以和傳統(tǒng)氨生產成本競爭。

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氨的應用

氨除了能夠作為化工用品外，其可作為燃料直接用于飛機、航空飛船等機械設備的動力系統(tǒng)。

早在1941年，比利時A．Macq就提出氨燃料可以用于發(fā)動機，并成功將其運用于汽車。1963年，美國航天局將氨作為燃料應用于X－15實驗機，以當時人類航空史上最高時速送上太空。

如今，挪威海工船船東Eidesvik和瓦錫蘭將對一艘海工輔助船（OSV）進行改裝，這也是全球首次在OSV上應用氨燃料驅動。改裝后的系統(tǒng)可使用70％的混合氨燃料來運行。同時，船用發(fā)動機制造商曼恩（Man Energy Solutions）也正在制造一臺二沖程氨動力發(fā)動機，計劃在2024年前完成。船運巨頭馬士基也表示，為早日實現(xiàn)碳中和，氨能將成為其船只主要動力之一。

另外，氨燃料也可用于燃氣輪機進行發(fā)電。如日本在2021年發(fā)布的《能源戰(zhàn)略計劃》中提出在2030年要將氨和氫發(fā)出的電能占日本能源消耗的1％。基于此背景，2021年3月日本東北大學流體科學小林秀昭課題組成功實現(xiàn)了70％液氨在2000kW級燃氣輪機中的穩(wěn)定燃燒，并能同時抑制氮氧化物。

如上所述，上述研究成果主要集中在氨混合燃燒領域，這是因為氨作為燃料獨自使用時具有燃點高，燃燒穩(wěn)定性差等缺點，并可能產生燃燒不充分的現(xiàn)象，這將排放氮氧化物污染環(huán)境。為了使其具有更好的燃燒效果，一般需要添加一定量的含碳化合物，此時無法達到“凈零”目標。因此氨能作為燃料直接使用時要想達到完全的零排放還有很長的路要走。

氨除了能直接用于燃燒外，也可將氨的儲存和輸運優(yōu)勢與氫能利用相結合，以氨能為氫能載體，構建一條“清潔高效合成氨－安全低成本儲運氨－無碳產氫用氫”的全鏈條特色氫能利用路線，為實現(xiàn)“30．60”碳減排目標提供一個嶄新的能源利用解決方案。

2016年，美國能源部通過一項“再生燃料”（REFUEL）的研究計劃，目標是開發(fā)可擴展的技術，將電能從可再生能源轉化為能源密度高的碳中性液體燃料，并根據(jù)需要轉換為電力或氫氣。目前，該研究計劃內共有17個與氨有關的項目獲得資助。

國內福州大學于12月10日啟動建設了國內首家“氨－氫”綠色能源重大產業(yè)創(chuàng)新平臺，該校江莉龍團隊研發(fā)的新型低溫“氨分解制氫”催化劑率先實現(xiàn)了產業(yè)化，為“氨－氫”清潔能源高效轉換利用奠定堅實基礎。

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結語與未來展望

目前世界正處于能源轉型的關鍵時期，我們需要保持開放的心態(tài)，保持勇于嘗試的態(tài)度，保持敢于創(chuàng)新的精神。完成2050年的碳減排目標需要多種能源的配合使用，基于氨氫融合解決氫能利用輸運問題的能源解決方案或者是氨能獨自使用都可能隨著技術進步在未來大放光彩，需要給它們提供更多的機會，為實現(xiàn)碳達峰碳中和尋找多樣的路徑和技術。

       原文標題 : 行業(yè)發(fā)展新趨勢：氨能時代會到來嗎？