氫能是一種理想的什麼再生能源（既能當儲氫介質）

2023-05-17 09:13:22 2

關鍵仍在於綠氨、綠氫的低成本獲取。

由於能更容易實現安全、低成本的儲運，同樣屬於零碳燃料的氨（化學式NH3）正在被認為是未來除氫能之外更理想的能源。

率先行動的則是此前一直大力支持氫能源發展的日韓。2021年10月，在日本政府公布的第六版能源戰略計劃中，首次將氨能納入其中；隨後的11月份，韓國能源部也公布了氨能和氫能的高溫燃燒計劃，提出要逐步把煤發電用煤氨混合發電取代。

事實上，儘管目前氨主要應用在農業化肥領域，但將其作為新的清潔能源的研究一直都在推進。2021年，全球多家郵輪、船舶企業相繼宣布氨燃料發動機、氨動力船獲得認證許可，商業化之路即將開啟。

當然，諸多優勢之外，氨能目前也面臨綠氨比例低、氨本身不易燃燒等局限，需要更多的技術改進。同時，氨能的利用要考慮整個產業鏈上的清潔環保，而這本質依賴於可再生能源發電制氫的完善。

在大多數人的認知中，氫（化學式H2）一直被認為是最理想的能源，其與氧氣（化學式O2）燃燒反應只生成水（化學式H2O），屬於最佳的清潔能源。

但我們也知道，由於在制氫、儲氫、加氫等各個環節上的技術、成本阻礙，目前氫能源的商業化應用尚未大規模落地。

清潔能源的本質在於不含「碳」（化學式C），從而保證燃燒、反應過程中不會產生二氧化碳（化學式CO2）。而氨本身也不含碳元素，其與氧氣反應生成的物質為氮氣（化學式N2）和水，作為在空氣中佔比78%的氣體，氮氣顯然也不是有毒有害氣體，這為氨作為清潔能源打下了良好的基礎。

氨氣與氧氣完全反應化學式

不過值得注意的是，對於氨在清潔能源中的利用，首要的並不是直接燃燒，而是作為儲氫介質，輔助氫能源。

在氫能利用的環節中，隨著光伏、風電等在可再生能源發電規模的持續擴大，以及國家對加氫站的扶持，最上遊的制氫和下遊的加氫應用都在取得有效的進展，但在中遊的氫氣儲運環節仍然存在痛點。

氫能利用各個環節

氫氣易燃易爆的特性，使得其儲存條件苛刻。在目前主流的液化運輸過程中，需要將溫度降低到-235攝氏度才能將氫氣液化，這意味著需要大量的額外能耗。相比之下，氨氣的液化溫度只需要-33攝氏度，能耗需求大幅減少。

而目前，氨的主要製備方式本身就是氫氣和氮氣反應合成，全球年產量1.8億噸，80%左右用於化肥行業，工藝成熟，成本低廉。

氨氣的製備依靠氫氣和氮氣

這也是氨氣作為儲氫介質的基本過程：在獲得氫氣之後，將其與氮氣反應合成為氨氣，隨後將氨氣液化，運輸到目的地後，再將氨分解為氫氣利用。

目前，澳大利亞已經實現了這一過程，其利用自身光伏和天然氣資源豐富的優勢，將電解水製取的綠氫和天然氣製取的藍氫液化成氨，運輸到日本、韓國等主要需求地。

日本和韓國一直都是氫能源的大力支持者，豐田、現代的氫燃料汽車技術全球領先，如今他們也都率先布局氨能。

去年10月份，日本政府公布了第六版能源戰略計劃，首次將氫能和氨能的燃燒納入國家能源戰略計劃中，明確提出優先推廣氫、氨混燒的發電技術，2050年要實現100%氨氣和氫氣的燃燒發電。

在隨後的11月，韓國能源部也公布了氨能和氫能的高溫燃燒計劃，目標是推動氫、氨與天然氣、煤混合燃燒發電，計劃2030年氨能發電要佔全國發電量3.6%， 2050年要實現完全零碳氨燃料發電達到21.5%，氫能發電13.8%。

這事實上也是氨真正作為清潔能源的利用方式，即直接作為燃料燃燒發電。

正如前面說到，氨的合成工藝目前是非常成熟的，這意味著氨氣本身有成本優勢。

拿我國來說，目前中國氨氣的年產量在5000萬噸左右，佔到全球的四分之一，價格為4000元/噸，而氫氣的價格為60000元/噸。

氨氣本身作為無碳燃料，能夠作為清潔燃料直接燃燒，這意味著無需再將氨氣分解為氫氣再燃燒，利用效率明顯提升。

此外，相比氫，氨也擁有更高的能量密度（液氨的能量密度是液氫的1.5倍）和高辛烷值（可增加內燃機壓縮比以提高輸出功率），同時還有安全、低成本儲運的優勢。

不過，目前氨直接作為燃料燃燒也存在不少的技術阻礙。

首先就是其作為優勢的安全性能在燃燒層面的劣勢。氨氣的燃點為651攝氏度，需要較高溫度才能燃燒，這意味著其燃燒的速度較慢，難以穩定持續的燃燒，從而使得產生的熱量不如氫氣。

這也帶來了氨直接燃燒的另一個弊端，氨氣和氧氣完全燃燒，生成的氮氣和氧氣當然不是有毒有害氣體，但氨的燃燒特性使得其難以完全燃燒，此時便會發生不完全燃燒的副反應，產生一氧化氮（化學式NO）和二氧化氮（NO2），而這兩種物質都是有毒有害氣體。

氨氣不完全燃燒產生一氧化氮

這也使得在目前氨作為燃料直接燃燒的技術開發中，保證氨的高速穩定燃燒和避免反應產生有害氣體成為主要的研究目標。而目前，日本和韓國同樣在這方面有較快研究的國家。

日本方面，三菱重工目前開發的4萬千瓦100%純氨燃料發電機，已經能將氮氧化物控制在100ppm（百萬分之一）甚至10ppm以下；大阪大學已經完成了10-100千瓦的氨氣燃燒爐的穩定燃燒，基本具備工業級生產的條件。

韓國方面，韓國船級社在去年3月授予韓國船舶技術株式會社研發的「8000噸級氨燃料動力加注船」原則性認可證書，使其成為韓國第一艘以船用輕質柴油（MGO）和氨為雙燃料的8000噸級氨燃料加注船。

目前，由於起步較晚，我國在氨燃料發動機技術、氨燃料加注設施等方面與日韓玩家存在一定差距，同時也缺少較為完善的政策指導和法律法規。

當然，目前來看，氨作為能源和燃料的利用仍處在初期研發階段，三菱重工就表示，氨燃料發動機的實用化大約要在2025年以後。

此外，目前氨能利用的一個關鍵性問題在於，如何實現更低成本的綠氨獲得。

氨氣主要的合成方式是氫氣和氮氣在高溫高壓下發生催化反應，所以氨氣的製備本質還是在於氫氣的製備。

綠氨是由綠氫製備而成，即由可再生能源發電電解水製備的不產生碳排放的氫氣，而目前包括日本、韓國在內的大多數亞洲國家，氫氣的製備依然主要是工業副產氫，這個過程中並不環保。

所以目前來看，除了氨燃料發動機等氨氣燃燒領域的研究，更低成本的可再生能源發電制氫，也是氨作為零碳燃料的重中之重。