原標題:你喜歡逆風(fēng)十里臭的氨能嗎?！?/p>

氨，分子式為NH3，0.771kg/m，常溫下為無色氣體，易揮發(fā)，可燃即使是不知道它名字的人也多少經(jīng)歷過——恐怕很多讀者的鼻腔里都有一種說不出的神奇味道

氨對人類社會的運轉(zhuǎn)至關(guān)重要，是世界上產(chǎn)量最高的無機化合物之一2021年合成氨年產(chǎn)量約1.8億噸，其中約80%用于化肥生產(chǎn)，其余主要用于工業(yè)制冷劑和各種工業(yè)原料的生產(chǎn)

氨雖然易燃，但長期以來并沒有被廣泛認為是一種可能的能源形式，它與能源最大的關(guān)系主要是作為氫能的載體。

可是，氨本身具有用作能源的潛力，并且伴隨著環(huán)保需求的不斷上升，它已經(jīng)引起了能源行業(yè)的關(guān)注盡管氫能并沒有像現(xiàn)在這樣在碳中和和綠色經(jīng)濟的未來規(guī)劃中占據(jù)重要地位，但一些能源行業(yè)參與者仍然開始考慮超越將氨還原為氫氣的步驟，直接嘗試大規(guī)模使用氨作為能源甚至有人稱之為氫能2.0

那么，是什么原因促使能源行業(yè)將一些注意力從氫氣轉(zhuǎn)移到氨氣呢氨作為潛在的綠色能源有什么優(yōu)勢規(guī)?；牡缆飞嫌心男├щy本文將一一解答

好能量，壞能量

氫是一種很好的能源，甚至可能是最清潔的能源制備原理很簡單，技術(shù)早已成熟規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)，包括下一代技術(shù)可以與馮光電廠完美結(jié)合，解決就地消納，儲能等一系列綠色電力高效利用的問題氫能在國家未來能源規(guī)劃中占據(jù)如此地位也就不足為奇了

但氫也是一種不好的能源，壞到目前行業(yè)面臨的困難遠大于其應(yīng)用帶來的好處首先，氫氣是一種極難儲存的物質(zhì)，其臨界溫度極低，為—239.9℃維持這種低溫意味著高能耗，導(dǎo)致目前只能用高壓氣瓶運輸氫氣，運輸成本居高不下同時，氫氣作為自然界最輕的元素，分子穿透力強，容易泄漏，對金屬物質(zhì)有一定的腐蝕性，這就對儲氫罐和輸送管道的選材提出了很高的要求，性能如此優(yōu)異的材料不會便宜如何中長期高效儲氫，是行業(yè)中長期難題氫氣也是一種非常危險的物質(zhì)，極其易燃易爆，這種與易泄漏特性的結(jié)合導(dǎo)致需要維持非常高水平的安全標準，這是一項開支

臨界溫度:每種物質(zhì)的特定溫度，即該物質(zhì)以液體形式出現(xiàn)時的最高溫度高于這個溫度，無論壓力如何增加，氣態(tài)物質(zhì)都不會液化換句話說，臨界溫度越低，越難液化，越難儲存

除了儲運，單位質(zhì)量的能量密度雖然好，但是單位體積的能量密度很差作為一種密度極低的物質(zhì)，這是氫更重要的指標液氫的能量密度約為每升2.4千瓦時，這是最理想的數(shù)據(jù)考慮到氫氣在大多數(shù)情況下不能以液態(tài)形式運輸，其經(jīng)濟效益進一步降低

總的來說，現(xiàn)階段氫能的基本儲存和運輸還沒有解決，中長期儲存更是難上加難現(xiàn)在的一些技術(shù)路線，包括甲醇和金屬吸附，要么沒有能力規(guī)?；?，要么極不成熟，不符合氫能的長遠規(guī)劃這就決定了無論氫能產(chǎn)業(yè)能否解決生產(chǎn)成本問題，氫能都不具備大規(guī)模普及的基本前提——沒有低成本可靠的儲運技術(shù)，與氫能相關(guān)的大型基建項目也意義不大，至少不經(jīng)濟

這促使業(yè)界拓寬視野，尋找一種類似氫氣的物質(zhì)，這種物質(zhì)具有制備工藝簡單，生產(chǎn)過程碳排放低，效率可接受，副產(chǎn)物清潔，易于儲存和運輸?shù)葍?yōu)點。

所以能源工業(yè)轉(zhuǎn)向氨。

許多好處

基本問題:氨作為綠色能源有潛力嗎答案是肯定的

首先，從氧化反應(yīng)式來看，在適當?shù)姆磻?yīng)條件下，氨燃燒的產(chǎn)物只能是氮氣和水，它們和氫氣一樣清潔，具有作為綠色能源碳中和的潛力。

氨作為燃料的性能是可以接受的雖然氨的單位質(zhì)量能量密度遠小于氫，但其單位體積能量密度為每升3.5千瓦時，比液氫的2.4千瓦時高出近50%，優(yōu)勢明顯而且氨燃料辛烷值高，抗爆性能好，可以提高發(fā)動機的壓縮比來增加輸出功率，發(fā)動機的熱效率可以提高到50%以上，是普通燃油車的兩倍

合成氨最大的優(yōu)點是比氫氣容易儲存得多氨在常壓—33℃或常溫9個大氣壓下即可液化，對儲存容器要求不高同時，氨是人類制備的最大化合物之一，其儲運技術(shù)非常成熟可用于管道，鐵路，駁船，船舶，公路拖車，大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求不強烈正是基于上述原因，氨被認為是儲氫的關(guān)鍵技術(shù)總的來說，相比氫氣，氨的大規(guī)模應(yīng)用至少在儲存和運輸方面沒有太大的麻煩

氨的生產(chǎn)只能依靠水，空氣和電，這意味著理論上有和氫氣一樣的清潔制備方法，基本無碳排放的綠色氨是可能的最簡單理想的綠氨生產(chǎn)模式是將制氫站，合成氨廠和可再生能源電廠整合，通過風(fēng)力或其他形式的綠電電解水制氫，然后將這一過程中產(chǎn)生的綠氫進一步與空氣中的氮氣結(jié)合，繼續(xù)利用綠電生產(chǎn)氨這樣有望實現(xiàn)合成氨生產(chǎn)全過程零排放，還可以解決新能源消耗問題但是綠氨現(xiàn)階段只是一個概念，還面臨很多困難，下面會詳細介紹

氨能和氫能的利用沒有太大區(qū)別，比如燃料電池，代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石燃料的工業(yè)生產(chǎn)，發(fā)電，船舶，車輛等。

目前，造船業(yè)對氨能源表現(xiàn)出最強烈的興趣例如，挪威的船舶設(shè)計公司Breeze Ship Design最近宣布，它將在現(xiàn)有的110，000 dwt Aframax船的基礎(chǔ)上設(shè)計一艘氨動力油輪，作為挪威綠色航運計劃的一部分2021年3月，韓國船級社授予韓國造船技術(shù)公司開發(fā)的8000噸氨燃料動力油輪原則，這是韓國第一艘使用船用輕柴油和氨作為雙燃料的8000噸氨燃料填充油輪在日本，也有日本郵政海運株式會社，日本發(fā)動機株式會社，IHI原動機株式會社等5個機構(gòu)共同進行搭載日本氨燃料發(fā)動機的船舶的開發(fā)

當然，在家里也不甘示弱由中國船舶工業(yè)集團有限公司下屬的上海船舶研究設(shè)計院自主研發(fā)設(shè)計的國內(nèi)首艘氨動力7000車位汽車運輸船正式獲得DNV頒發(fā)的AiP證書

另一方面，受技術(shù)和生產(chǎn)的限制，很難快速規(guī)模使用純氨，但將氨與其他燃料如煤，氫混合使用是一種值得嘗試的方式，效果更立竿見影日前，國家能源集團公布了一項燃煤鍋爐氨燃燒技術(shù)采用該技術(shù)，40 MW燃煤鍋爐混合氨的燃燒熱比達到35%，燃煤的使用必然產(chǎn)生碳排放但摻氨后可以大大降低排放強度，能量輸出更有保障，無疑是一個可行的碳中和方案

當然，氨雖然一千個好，但要真正大規(guī)模應(yīng)用，也有很多技術(shù)問題需要解決。

許多困難

作為一個能量秤，首先必須解決的是如何生產(chǎn)綠氨目前的氨合成模式不太可能支持使用氨作為能源，也與綠色電力不匹配

目前合成氨工業(yè)采用的哈勃—博施法是在450℃~500℃，200個標準大氣壓下，通過添加催化劑，使氮氣與氫氣發(fā)生反應(yīng)這種方式極其耗能，消耗大量化石燃料，不符合碳中和的理念生產(chǎn)過程中使用的氫氣由天然氣和煤加工而成，涉及煤氣化工業(yè)路線和天然氣重整工藝兩大方向，還涉及大量的碳排放

以我國為例，由于能源結(jié)構(gòu)的影響，合成氨所需氫氣主要由煤氣化生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，我國合成氨生產(chǎn)消耗標準煤約1.53噸，產(chǎn)生碳排放約5.94噸，其中工藝流程貢獻碳排放4.71噸，外部能耗間接排放1.23噸即使是低排放的海外天然氣路線，總排放量也應(yīng)該在3.10噸CO2/噸氨左右之前有數(shù)據(jù)顯示，合成氨行業(yè)產(chǎn)生的碳排放量可達全球溫室氣體排放量的1.0%左右，這是非常驚人的如果計算化石燃料開采過程中的排放數(shù)據(jù)，可以進一步增加

另外，哈勃—博世法使用的設(shè)備對輸入能量的質(zhì)量要求較高，應(yīng)對波動的能力不強，設(shè)備不能隨意啟停這不符合風(fēng)，光，電高波動性的基本特征，導(dǎo)致它們之間兼容性差，也給綠電接入合成氨生產(chǎn)造成很大困難

綜上所述，目前的氨合成工藝不可能支撐氨能源產(chǎn)業(yè)，尋找新的生產(chǎn)方案至關(guān)重要。

目前合成氨工業(yè)正在嘗試開發(fā)新的制備工藝，如固氮酶合成氨，光催化合成氨，電催化合成氨，等離子體合成氨，循環(huán)合成氨，超臨界合成氨等其中固氮酶氨合成，光催化氨合成和電催化氨合成有一定的關(guān)注度

固氮酶合成氨:這是一條生物技術(shù)路線，利用固氮微生物將大氣中的氮還原成氨，在常溫常壓下即可進行，技術(shù)成熟度低，

光催化氨合成:利用光催化劑引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能產(chǎn)生氨這項技術(shù)可以在常溫常壓下合成氨，幾乎不產(chǎn)生碳排放轉(zhuǎn)化過程的效率非常低，氮分子的高化學(xué)穩(wěn)定性進一步限制了該過程的生產(chǎn)能力

電催化氨合成:通過電化學(xué)反應(yīng)將氮氣直接或間接還原為氨氣，反應(yīng)過程中的氫氣直接通過電解水產(chǎn)生，完全可以繞過傳統(tǒng)的哈勃—博世法一般是基本沒有額外排放的生產(chǎn)過程，但也有效率低的缺陷

當然，與大多數(shù)新技術(shù)一樣，這些新一代合成氨生產(chǎn)工藝還太不成熟，存在效率差，反應(yīng)過程不穩(wěn)定，經(jīng)濟性不明確等問題，需要進一步驗證和改進。

另一種方法是將氨生產(chǎn)與固碳技術(shù)結(jié)合起來，減少生產(chǎn)過程中的碳排放如果用氫作為命名法，這種氨可以稱為藍氨但是生產(chǎn)線增加額外的設(shè)備無疑會體現(xiàn)成本，對于合成氨的低利潤率來說可能難以接受，而且并沒有真正解決問題，只能認為是一種過度的方案

氨的毒性也需要妥善解決，否則作為一種強污染物，其環(huán)境風(fēng)險將限制其大規(guī)模應(yīng)用目前，一些新的儲存方法有望解決這一問題，如儲存在多孔金屬氨絡(luò)合物6Cl2中在金屬氨絡(luò)合物中，氨的吸附和解吸是完全可逆的，只有在350℃或更高的溫度下才會從多孔介質(zhì)中釋放出來，這將大大降低泄漏造成環(huán)境污染的風(fēng)險但這一過程帶來的額外成本尚不清楚，其經(jīng)濟性本身也有待進一步考察

尋找保證氨穩(wěn)定燃燒的方法也很重要，應(yīng)更加關(guān)注相關(guān)技術(shù)的進展上面提到的在適當反應(yīng)條件下的氨氣能量副產(chǎn)物只有氮氣和水，非常干凈，如果反應(yīng)條件不好，情況就完全不一樣了:此時氨氣會產(chǎn)生氮氧化物，這將是有毒廢氣

在實踐中，氨作為能源的一些缺陷也會導(dǎo)致有毒廢氣的產(chǎn)生其燃點高，燃燒速度慢，熱值略差，難以實現(xiàn)全程無氮氧化物的生成如果要大規(guī)模應(yīng)用氨能，需要建設(shè)一套完整的廢氣回收處理環(huán)節(jié)，避免形成其他形式的污染物

日本在這方面取得了良好的進展目前，三菱重工開發(fā)的40000 kW 100%純氨燃料發(fā)電機已經(jīng)能夠?qū)⒌趸锟刂圃?00ppm甚至10ppm以下，具有良好的商業(yè)潛力但這個原型機的功率還是太小，相對容易控制，所以不能斷言其放大后的性能同樣優(yōu)秀

最后，目前對氨作為能源本身的研究還不夠深入其關(guān)鍵參數(shù)如燃燒速度，火焰結(jié)構(gòu)，著火延遲和污染物生成等還不完善，氨燃燒的反應(yīng)機理也不完全清楚這些缺點也構(gòu)成了氨作為能源使用過程中的障礙未來學(xué)術(shù)界進一步的深入研究也是不可或缺的

一些問題

除了上一節(jié)提到的具體技術(shù)困難外，氨作為燃料還面臨其他一些實際問題。

很多人可能會發(fā)現(xiàn)，氨作為能源的經(jīng)濟性在這篇文章中自始至終都沒有提及這主要是因為現(xiàn)階段氨能沒有經(jīng)濟性

首先，價格沒有參考價值合成氨的當前噸價完全是基于當前的生產(chǎn)工藝和供求關(guān)系上面我們已經(jīng)提到過，哈勃—博世法會產(chǎn)生驚人的碳排放，未來無法用于綠氨的大規(guī)模制備但是新工藝離成熟還有一段距離，我們也不知道綠氨到底能達到什么樣的價格水平這就導(dǎo)致了一個不可忽視的風(fēng)險，商業(yè)化的風(fēng)險

這不是危言聳聽，但由于種種原因規(guī)模無法擴大是常有的事我們已經(jīng)說明了氫能在規(guī)?；^程中遇到的巨大困難，而之所以開發(fā)出氨能就是一個典型案例再比如以砷化鎵太陽能電池為首的一組III—V族太陽能電池由于其優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率和其他性能，這種材料廣泛應(yīng)用于航空航天設(shè)備和軍用無人機，在這些地方成本是非常不敏感的光伏行業(yè)并不是想把它規(guī)模化，而是因為無論如何也解決不了砷化鎵的成本問題，這種材料的民用化進程一直停滯不前但其他從材料層面調(diào)整組件降低成本的嘗試也因為種種原因舉步維艱，尤其是在效率上缺乏與傳統(tǒng)硅晶體電池競爭的能力

商業(yè)化本身并不是必然的承諾即使氨這種工業(yè)生產(chǎn)中眾所周知，久經(jīng)考驗的物質(zhì)，在改變用途和領(lǐng)域后，也需要重新考慮其經(jīng)濟價值

其次，目前的合成氨行業(yè)是典型的重資產(chǎn)行業(yè)，前期投資巨大，投資周期長綠氨工藝即使大規(guī)模投產(chǎn)，也不太可能有根本性的改變，給社會資本的準入帶來一定困難而配套的綠色氫工廠，儲運設(shè)施，電站等耗資巨大的項目，也不是社會資本獨立解決的同時，目前的合成氨行業(yè)如果要改造升級相關(guān)設(shè)備，研發(fā)支出也將是巨大的這些資金只能靠行業(yè)自己籌集也是一個問題，傳統(tǒng)化工行業(yè)對資本的吸引力一直很令人擔(dān)憂沒錢就不能轉(zhuǎn)型，不轉(zhuǎn)型就拿不到融資這種困境在傳統(tǒng)能源企業(yè)在ESG環(huán)境下的轉(zhuǎn)型過程中被清晰地觀察到

換句話說，氨能源要想實現(xiàn)快速發(fā)展，來自國家頂層設(shè)計和配套政策的支持必不可少營造友好的投資環(huán)境對產(chǎn)業(yè)發(fā)展和升級至關(guān)重要，也有助于提高資本進入的意愿

參考資料:

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國聯(lián)證券:綠氫——風(fēng)在揚帆，公允價格在望2021.06.07。