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“双碳”想法下的氨能时期与经济性筹谋进展

李卫东，李逸龙，滕霖，尹鹏博，黄鑫，李加庆，罗宇，江莉龙

福州大学石油化工学院化肥催化剂国度工程筹谋中心清源创新实验室，福建 福州 350000

援用本文

李卫东, 李逸龙, 滕霖, 等. “双碳”想法下的氨能时期与经济性筹谋进展[J]. 化工进展, 2023, 42(12): 6226-6238.

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0066

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选录：

由于氨的高能量密度和零碳脾气，其四肢氢能和可再生能源载体具有雅致无比的畴昔商场。氨比氢更易储运且本色安全性强，有望成为推动能源改换、社会跨越和国度发展的零碳能源发展门路之一。本文从氨能的全产业链角度登程，先容了合成氨产业发展趋势以及各样合成氨时期的最新进展和成本经济性；列举了咫尺氨的主要储运款式、结尾、成本和安全性特征；综述了氨的新能源燃料应用，包括氨燃料电板、氨内燃机、氨燃气轮机等时期体系发展近况和燃料成本经济性，以及氨领悟制氢结尾和分娩成本上风。通过上述时期和经济性分析，探讨了氨能在能源系统中的症结作用，进一步梳理了氨能时期发展标的。

把柄《巴黎协定》，中国冷落2030年前收场碳达峰和2060年前收场碳中庸的“双碳”想法；欧盟甘心到2030年将温室气体排放水平至少驳倒40%，这个想法最近被提议增多到2030年至少减少55%。鉴于这些想法以及全球碳中庸布景，列国正处于从化石燃料转向可再生能源调度的过渡阶段。因此，氢四肢一种清洁的可再生能源受到了平淡的温雅，列国纷繁对研究时期伸开筹谋。四肢一种高效、安全、经济的氢能载体，日本在2021年10月发布的第6版《能源计谋规划》中，初次引入氨能产业布局，冷落氨能主张。氨四肢储能和储氢载体，其分娩和应用的时期遴荐多种万般，况兼氨四肢无碳化合物，打消产物皑皑无碳，因此不错四肢清洁能源径直打消使用。氨最初被用于硝酸、制冷剂、氮肥等产物的化工原料，近几年跟着氨能产业的束缚发展，其合成、储运以及新能源应用范围的研究筹谋也越来越平淡。畴昔氨能的能源门路将围绕绿色能源-合成氨能-裂解制氢能/径直氨能-终局场景能源结构进行过渡发展并连接，催生出一系列的氨能产业链。

1

合成氨时期发展及经济性

知足零碳需求“氨经济”的收场需要三代合成氨时期的开发和迭代（图1）。第一代时期以“蓝氢”为原料，以确保哈伯（H-B）制氨经过中的二氧化碳捕集与封存（CCS）；第二代时期以可再生能源分娩“绿氢”为原料，通过哈伯法收场“绿氨”合成；第三代时期通过营业限制的氮电收复径直制氨，来幸免产氢才气和哈伯工艺的使用。咫尺，第一代和第二代时期的主要禁绝起首于碳排放和成本问题，第三代时期则主要受限于结尾、闇练度、可行性等问题，但跟着全球“氨经济”门路与时期的快速发展，这些问题将有望得到灵验处置。

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图1　合成氨时期门路发展趋势图

1.1

第一代合成氨时期

1909年，由Fritz Haber和Carl Bosch发明的哈伯工艺收场了全球96%以上的氨分娩，成为了20世纪最主要的合成氨工艺。该工艺泛泛以化石能源（煤、自然气和燃料油等）为原料制备氢气，将其与通过空气低温分离后制得的氮气结合，在铁或钌催化剂的作用下，使氢气和氮气在高温高压要求下发生化学响应合成氨。咫尺，哈伯工艺仍被平淡应用于化肥分娩，极猛进度上处置了寰宇食粮问题，并通过对响应催化剂的束缚改进，收场了氨的高效合成。然则，保管高温高压情状所需的普遍能量以及工艺经过排放的多量二氧化碳，也使得哈伯工艺合成氨成为了全球最大的能源破钞和温室气体排放对象之一，约占全球温室气体排放量的1.0%，二氧化碳排放量的1.8%。在以前100年里，氨分娩时期束缚发展，但还是全球温室气体排放的症结起首。由煤气化转向甲烷蒸汽重整（SMR）的氨分娩时期收场了碳排放的驳倒以及热损成仇能源需求的减少，而CCS时期的应用进一步缓解了工艺经过二氧化碳的排放，所制得的氨也被称为“蓝氨”。海外能源署（IEA）对一系列CCS时期应用于甲烷蒸汽重整合成氨时期进行经济性分析得出，CCS不错减少SMR制氨经过中50%~90%的碳排放量，但工艺复杂性和成本呈现不同进度的增多。

1.2

第二代合成氨时期

自哈伯工艺平淡应用以来，举座能源结尾由36%擢升到了62%~65%，但分娩经过仍主要依赖于化石燃料，环境友好性差。因此，以可再生氢源为原料的第二代合成氨时期出现，所制得的氨被界说为“绿氨”。可再生能源合成氨时期通过化石能源替代一定进度上处置了碳排放问题，其中电化学合成氨时期以其专有上风受到平淡温雅。该时期通过可再生电能收场氨合成，具有低压愚顽耗、清洁无浑浊、零碳排放等优点，是极具后劲的惯例氨合成替代方法。咫尺，把柄电解质类型不同，电化学合成氨时期分为团员物电解质膜（PEM）水电解制氢合成氨、碱性水电解（AWE）制氢合成氨和固体氧化物电解（SOE）制氢合成氨3种类型。

（1）PEM水电解制氢合成氨

1966年，通用电气开发了首套基于固体团员物电解质主张的水电解槽，领受固体磺化聚苯乙烯膜四肢电解质，形成了团员物电介质膜或质子交换膜水电解主张。该时期泛泛领受Nafion膜在室温下收场质子的高效传递，用于结合氢原子产生氢气。Lan等在环境温度和压力下，以Nafion膜四肢固态电解质，氢气和氮气为响应物，收场了法拉第结尾高达90.4%的氨合成。Chen等通过改进PEM响应器结构灵验处置了氨穿透问题，同期禁绝了阴极析氢响应的发生，收场了PEM制氢合成氨时期的优化。

在应用层面，Proton Onsite等公司开发了具有75%高热值结尾的兆瓦级PEM水电解槽系统，在电能充足或可灵验将太阳能改换为电能情况下，收场了限制化的电化学合成氨分娩。Ozturk等对土耳其某太阳能光伏氨分娩厂进行评估，得到使用含PEM电解槽的制氢合成氨系统的最大能量和㶲结尾分袂为26.08%和30.17%。Adam等通过PEM水电解制氢，变压吸附空气分离安设制氮，结合哈伯响应器收场氨分娩，以现场风力涡轮机产生电力为水电解和哈伯经过提供能源，每天可分娩约30kg的氨。

（2）AWE制氢合成氨

PEM时期领受的Nafion等酸性膜不错与弱碱性氨发生响应，导致质子传导率驳倒。而碱性环境能灵验驳倒氨与膜的响应性，并允许使用低成本活性催化剂，因此AWE时期成为了PEM时期的灵验替代之一。AWE制氢电解质泛泛为25%~30%浓度的KOH溶液，电解响应在碱性低温环境下进行。与PEM时期比较，AWE时期腐蚀更容易戒指，因此成为了工业分娩首选。1951年，Lurgiai开发了第一台商用高压（30bar，1bar=105Pa）碱性电解槽。20世纪，加拿大、埃及、印度、挪威等领有大型水电资源国度建设了多个容量高达165MW的碱性电解工场。

跟着可再生能源成本下跌，AWE制氢、合成氨时期受到平淡温雅。Grundt等评估了1970年代的水力发电规画，其中碱性水电解制氢在80℃下运行时的峰值结尾大于60%。Bicer等筹谋标明，通过水力发电驱动的碱性水电解制氢合成氨可将每吨氨合成的二氧化碳排放量从1.5t减少到0.38t。风力驱动的AWE制氢合成氨工艺中，电解槽运行结尾为60%，推断分娩每吨氨可产生0.12~0.53t的二氧化碳。相较于其他水电解时期，AWE电解槽相对低价，或者收场元件成本驳倒80%；相较于PEM时期，AWE电解槽系统限制更大，最高可达5000kW，每小时内可制得氢气760m3（20℃，101.325kPa），且成本（1061~1273USD/kW）低于基于PEM时期的电解槽（2017~2122USD/kW）。

（3）SOE制氢合成氨

固体氧化物电解槽（SOEC）开发于1970年代，由于在800~1000℃高温范围内运行，也被称为高温水电解槽。与传统电解槽比较，SOEC在电解制氢气方面具有非常性能，能以更高的功率密度和结尾（76%~81%）运行，尤其在高温废热环境下，水电解制氢经过收场了热量存储。材料的永远性和褂讪性是SOE制氢时期的症结挑战。Nayak-Luke等通过集成SOE电解槽分娩氢气和氮气，再由哈伯工艺合成氨，充分应用废热可将系统记忆尾擢升到70%以上。Cinti等将制氢用SOE与改进型哈伯响应器结合，以可再生能源电力合成绿氨，其高结尾SOE将合成每千克氨的耗电量降至8.3kWh，同期收场了哈伯响应器热量回收。Harvego等开发了以核响应堆为能源的SOE制氢安设用于绿氨合成，整个这个词系统的能源结尾为47.1%。SOE系统也适用于以风能和太阳能光伏为能源的可再生氢和氨的分娩应用。咫尺，托普索纠合FIRST AMMONIA公司启动了全球最大的电解槽制氢合成氨神色，初次收场了工业限制的SOEC绿氨分娩。

从时期层面来看，传统哈伯工艺结尾高、成本低，但多量能耗和温室气体排放是该工艺的舛错。PEM时期具有高功率密度、高电流密度、高纯度等上风，但存在催化剂材料价钱高、永远性差、寿命低等时期问题；AWE为最闇练的电化学制氢合成氨时期，投资成本低，但存在电流密度低、功率密度低、电极结盐等舛错；SOE时期结尾高、成本低，也被觉得是最具出路的绿氨分娩方法，但时期闇练度低，仍处于预营业化阶段。因此，电化学合成氨时期还有很长的路要走。表1为电化学合成氨工艺与传统工艺成本对比情况（假定氨分娩限制为2000t/d，电价为0.33CNY/kWh）。从经济层面来看，电化学合成氨工艺因电流结尾低，其成本高于传统H-B工艺。电价是影响电化学合成氨成本的主要成分，通过戒指电价和可再生能源上风应用，其分娩成本将有望优于传统工艺。随可再生能源成本下跌，电化学合成氨可能成为一种极具后劲的应用时期。

表1　制氨工艺成本对比

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1.3

第三代合成氨时期

第三代时期通过径直或介导款式，以可再生绿色能源为电力供应，驱动氮电收复合成氨。该时期不再需要哈伯工艺，原料无碳无残害且获取门路平淡，以H2O替代H2四肢氢源，幸免了化石能源的使用。电化学氮收复响应（NRR）经过中，电催化剂径直将电子和质子添加到N2分子来产生氨分子，能量破钞比哈伯工艺更少，且响应经过粗浅安全，大大增多了氨制备的机动性和可结合性。

时期筹谋方面，Mcenaney等通过改变电极结构对NRR工艺进行优化，研发了电化学锂介导的氮收复响应。该方法对合成氨具有主要遴荐性，除使用锂金属四肢响应物资外，还领受酒精四肢断送质子供体，引入鏻

盐四肢质子穿梭机，在领有接近工业水平的电解电流密度同期，得到了88.5%的高电流结尾，擢升了氨的产率（图2）。2017年，Zhou等对另一项合成氨工艺进行筹谋，通过结合疏水、高氮融化度离子液体（IL）电解质和纳米结构铁基电催化剂，以高N2融化度离子液体为电解质，收场了环境温度和压力要求下高达60%法拉第结尾的NRR制氨经过。不仅如斯，Wang等在2018年又通过三电极系统进行了钌纳米颗粒（Ru-NP）的电化学NRR筹谋，以盐酸四肢电解质，Pt和Ag/AgCl分袂四肢对电极和参比电极，考据了Ru-NP或者在盐酸水溶液中以高能量结尾收场NRR经过。除NRR工艺外，Giddey等开发了一种低压膜法氨合成工艺（图3），氢通过分压差穿过渗入膜，在催化剂作用下与另一端的氮发生响应合成氨。该工艺氨合成速率高达10-6mol/（cm2·s），压力远低于传统哈伯响应器，不错减少25%以上的能量破钞，驳倒了总系统成本。

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图2　电化学氮收复合成氨暗示图

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图3　低压膜法合成氨暗示图

从本色上看，NRR制氨工艺比第二代水电解制氢合成氨工艺更经济，其不仅体咫尺合成氨表面所需能量少（约7.5%），更症结的是幸免了哈伯工艺工场的高能源破钞和资金插足。即使在NRR工艺60%的能源结尾基准上，推敲到其对哈伯工艺的能源成本和老本成本的粗略，也彰着比电解水工艺80%的能源结尾更经济。相同，NRR工艺的主要分娩成本受电价影响。咫尺，NRR制氨时期远未达到分娩和储能层面上的经济可行性，开发高效的NRR制氨时期将赢得宽绰的潜在汇报。

2

氨能储运时期近况及经济性

2.1

氨能储存

当氨保管在8.58bar压力时，不错在20℃环境温度下进行液态储存，泛泛氨储存容器在17bar压力下运行，以保合手液体情状。而氢气储罐的最大使命压力为200bar，储存同等能量时，氢不仅需要比氨大4.65倍的体积，还需要更高承压的储罐，增多了存储成本。与氢气储存系统比较，氨储存系统破钞能源更少、运行结尾更高、成本更低。其中，氨储存系统的结尾为93.6%，而氢气储存系统的结尾为76.9%。基于成本推敲，氨和氢的大限制储存泛泛领受低温款式，充足低温度的氨（-33℃）和氢（-253℃）均不错在常压下液态储存。Bartels对比低温氨和氢储存系统发现，储存182天时，氨储存所需能量大要为氢的五分之一；若电力成本为0.08USD/kWh，忽略投资成本情况下，氨和氢的低温储存成天职别为0.03USD/kg H2和0.95USD/kg H2，氨比氢的存储设施更经济；若将能源成本与投资成本相结合，氨和氢的总储存成天职别为0.54USD/kg H2和14.95USD/kg H2，氨的总储存成本比氢低近30倍；若储存时候镌汰到15天，氨和氢的储存成天职别为0.06USD/kg H2和1.97USD/kg H2，成本互异仍然约是30倍。Rouwenhorst等筹谋发现，氢储存成本跟着储存时候增多而显贵增多，而氨储存成本则随存储时候基本保合手不变。Palys等对氨可再生能源存储系统的时期经济性进行分析，发咫尺风力发电后劲大或季节性发电需求互异较大的城市使用氨储能比氢储能的成本低0.12USD/kWh，若将氨与氢时期结合，储能成本为0.17~0.28USD/kWh，阐述了可再生能源绿氨投资的可行性，致使能与某些化石能源策略相竞争。

2.2

远洋运送

自20世纪以来，氨产量随东谈主口增长而快速增多，到2019年氨产量约2.4亿吨，瞻望2030年产量将增至约3亿吨。其中，氨的主要分娩国为中国、印度、俄罗斯和好意思国，并在全球范围内进行往来。由于地舆位置特殊性，日本、特立尼达、多巴哥等氨收支口商主要通过海运进行贸易。海运四肢最具成本效益和能源结尾的散装货色运送类型，在全球氨贸易商场占据主导地位，越过10%的氨领受海运进行贸易。氨的远洋运送不错领受加压或低温储罐，现存远洋船舶或者收场5万吨的低温液氨储存运送。Al-Breiki等对液化自然气、液氨和甲醇3种能源载体的远洋运送进行能量和㶲分析后发现，氨的蒸发气蚀本极小且无碳，是一种优质高效的远洋能源运送载体。咫尺，把柄距离和燃料成本，以重质燃料油为燃料的远洋运氨成本为30~100USD/t，跟着氨燃料运送船的应用实践，该运送成本将呈现显贵下跌。

2.3

陆上运送

按照交通器具不同，氨的陆上运送款式主要分为管谈、公路、铁路、水路4种。其中，液氨管谈是一种低风险、设施完善且成本效益高的运送款式，在长距离输送中更具上风。长输液氨管谈在全球范围内越过6000km，如好意思国海湾中央液氨管谈长度为3200km，每年输送290万吨氨，俄罗斯托利亚蒂-敖德萨液氨管谈长度为2400km，每年可输送300万吨氨，这些管谈每吨氨的运送成本约为0.07USD/km。Bartels对氨和氢管谈的运送成本进行经济性分析得出，运送距离为1610km时，氢管谈的运送成本为0.51~3.22USD/kg H2，而氨管谈的运送成本为0.194USD/kg H2（0.0344USD/kg NH3），可见管谈每吨氨的运送成本为0.02~0.07USD/km，氢的管谈运送成本真的是氨的三倍致使多了一个数目级；在不推敲氨合成的情况下，氨管谈的运送结尾为99.2%，而氢管谈的运送结尾为86.9%。公路罐车运送方面，氨的高能量密度以及较低的钢材要求相较于氢具有显贵上风。氢命运送领受的高压长管拖车运送能力被放弃在340kg H2（48GJ能量），将氢气液化可将运送能力擢升至3900kg H2（553GJ能量），而液氨罐车可运送26600kg NH3（600GJ能量）。此外，氢气液化是一个能源密集型经过，液氢运送比氨运送需要更多的能量。公路液氨罐车由于高调度成本和路程蚀本率，是咫尺较为腾贵的氨运送遴荐，但在短距离运送方面具有竞争力。氨的铁路运送与公路运送近似，领受留量为126.81m3、压力为15.5bar的加压罐，或者运送77.5t氨（1746GJ能量）。当运送距离越过2000~3000km时，与公路罐车比较，铁路或海运是成本效益更高的氨运送款式。

2.4

氨能储运安全

固然危机性远低于氢，但氨具有较强的腐蚀性、蒸发性和刺激性，其安全性是氨运送经济性的保险。液氨管谈一般应用于长距离输送，其安全问题包括液氨汽化或气塞导致的管谈扩张变形、东谈主为碎裂变成的倦怠开裂或露馅问题以及埋地管谈腐蚀问题等。2004年，好意思国内布拉斯加州麦哲伦管谈的97t液氨露馅事故曾变成一东谈主入院，1000多条鱼死亡。公路适用于运量低、短距离的液氨输送，液氨容器与储罐间装卸经过的泛泛通顺与断开是其主要安全问题。液氨公路运送一般路过东谈主口密集区域，因此短时候内的灵验搪塞门径也可能对周围变成严重危害。2007年，四川内江一食物加工场内液氨储罐与槽罐车转存经过中管谈冲突引起的液氨露馅，曾变成2东谈主速即受难，1东谈主遑急抢救以及隔邻部分住户中毒。铁路为液氨长距离、高输量运送的常见款式，泛泛需穿过东谈主口密集地区，由于铁路交通引起的液氨安全问题很少指示周围住户采用灵验行动，其事故变成的后果一般是可怜性的。2002年，好意思国北达科他州铁路液氨罐车脱轨事故导致约560t液氨露馅，对隔邻11600多名住户的眼睛和肺部变成了不同进度毁伤。水路通过内陆河流收场跨区域长航路的液氨运送，一般鉴别东谈主口密集区域，且容易领受露馅液氨，但会对周围生态环境变成弗成逆影响。

Lippmann基于以往液氨运送事故调研，分袂通过事故发生的可能性、严重进度以及风险等第对陆上液氨运送款式的安全性进行了分析（表2）。分析标明，整个交通运送款式均发生过事故，但齐不具备顶点危机性，其中管谈运送被评定为低风险，驳船运送被觉得是中等风险，而铁路和公路运送被视为高风险。

表2　不同运送款式风险评估

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3

氨能新能源应用及经济性

3.1

氨能源燃料

氨四肢一种后劲宽绰的新能源燃料，可应用于稍加改换的各样型内燃机、燃气轮机和打消器，并可径直用于燃料电板，故意于推动公路、海运、航空等交通界限的低碳环保。氨的燃料应用最早可追思到第二次寰宇大战时期，比利时在20世纪40年代将氨用作公交车的燃料。迄今为止，诸多学者以氨燃料为布景，开展了打消安设、夹杂打消、发动机等方面的平淡筹谋，并实施了多项时期应用，解释了氨四肢燃料的实用性。

Zamfirescu等冷静分析了零碳燃料氨应用于公路、海洋、航空运送行业的环境可合手续性和经济性，通过与常见化石燃料和清洁燃料的碳排放、能耗、成本以及残害性等参数全面评估，阐述了氨燃料显贵的成本和环境效益。本文以公路交通为例，对氨四肢新能源燃料的低碳经济性进行表露。低碳性能方面，氨四肢除氢除外的唯独无碳燃料，其打消产物在空气中的捕集比碳愈加容易、高效且经济，径直氮捕集的成本为0.0424USD/kg，而径直二氧化碳捕集的成本为0.2~0.5USD/kg。推敲燃料的整个这个词分娩、运送和使用周期，柴油燃料汽车可排放约0.22kg/km的温室气体，而可再生能源氨燃料汽车排放量驳倒至约0.07kg/km，碳氢化合物裂解氨燃料汽车也可将排放量驳倒至约0.15kg/km。经济性方面，各样燃料车的成本经济性对比表露如图4所示。图4(a)标明，与甲醇、氢气、汽油和液化石油气等比较，氨是车辆单元能量储存成本最灵验的燃料；图4(b)标明，在推敲燃料商场价钱情况下，与其他化石燃料和新能源燃料比较，氨是最低成本的行驶燃料，100km范围内的行驶成本约为3.1USD。同期，氨四肢制冷副产物，故意于进一步驳倒车辆运行时期的成本和珍重，配合营业可行性高、全球供销体系闇练、易于处理等上风，促使其成为了一种极具后劲的运送燃料。下文将对氨燃料体系密切研究的燃料电板、内燃机、蒸汽轮机等中枢时期进展和经济性进行全面论说。

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图4　各样燃料车的能源成本和

行驶成本对比

3.1.1

氨燃料电板

氨四肢一种高能量密度、低成本的转折储氢介质，是理念念的燃料电板时期无碳燃料。把柄氨本身或氨热领悟产生氢气提供燃料款式的不同，氨燃料电板分为径直氨燃料电板（DAFC）和转折氨燃料电板（IAFC）两大类。DAFC电板筹谋最早运转于1906年，Cairns等冷落了第一个以KOH溶液为电解质的径直氨碱性燃料电板。DAFC电板能灵验应用氨中储存的化学能，径直氨固体氧化物燃料电板（SO-DAFC）和径直氨碱性阴离子交换膜燃料电板（AEM-DAFC）为咫尺DAFC电板筹谋热门，且齐处于产业化开发初期阶段。SO-DAFC电板的高温运行环境提供了在阳极内裂解氨或径直用氨的机动性，因此在大型辘集供电以及四肢船舶能源电源、交通车辆能源电源等方面具有广袤的应用前途。咫尺，日本处于SO-DAFC电板研发源流地位，对该时期波及的响应器催化剂、电极、电解质等方面的优化和性能评估伸开了平淡筹谋，国内也对SO-DAFC电板的基本响应能源学模子、实验测量与多物理场模拟方法进行了初步筹谋。AEM-DAFC电板以其低温、低成本、高能量密度等特色，成为畴昔汽车应用的理念念遴荐之一，连年来受到非常温雅。Li等研制了一种氨氧化响应催化剂用于擢升AEM-DAFC电板性能，Liu等则开发了阳极和阴极分袂由PtRu/C和Pd/C催化剂组成的较高性能AEM-DAFC电板，方色泽等对氨氧化催化剂AEM-DAFC电板响应机理、性能以及发展标的进行了记忆。IAFC电板筹谋可追思到20世纪80年代，Ross开发了最早的碱性IAFC电板并对其系统性能进行了评估。质子交换膜燃料电板（PEMFC）因其高结尾、经济性、应用广等特色，被觉得是最具后劲的发电开发，亦然IAFC电板的理念念遴荐和筹谋热门。Lin等开发了转折氨气PEMFC系统物理化学模子，并对其进行了全面的时期经济分析。香港理工大学的Eric Cheng和Molly Li开发和制造了寰宇上第一辆氨能源燃料电板汽车，解释了转折氨燃料电板的可行性，况兼比传统电动汽车更高效、更安全。

由于系统、燃料和应用场景存在彰着互异，咫尺难以对不同类型燃料电板的径直成本和经济性进行分析。因此，部分学者主要从燃料成本角度对新式氨燃料电板的经济性进行了分析。Afif等对径直氨燃料SOFC电板的时期体系与上风伸开冷静筹谋，并通过以自然气为制氨原料的燃料电板成本估算后发现，固然满载燃料电板系统成本（700USD/kW）咫尺高于柴油发电机组（300~600USD/kW），但燃料电板总成本（规画、安装、珍重等）随时期发展正处于快速下跌阶段，且燃料电板系统的平准化能源成本（0.09~0.11USD/kWh）显贵低于柴油发电机组（0.28USD/kWh）。Lin等通过不同电力系统燃料成天职析得出，近两年氨原料价钱下的IA-PEMFC系统发电和车用燃料成天职别为0.13USD/kWh和0.024USD/km，均彰着低于传统汽柴油内燃机；畴昔以可再生能源进行原料制备情况下的IA-PEMFC系统发电和车用燃料成天职别为0.23USD/kWh和0.043USD/km，比转折氢和甲醇PEMFC系统的燃料成本低约25%。

3.1.2

氨内燃机

早在1822年，Goldsworthy Gumey就制造了历史上第一台驱动微型机车的氨发动机，为后续氨内燃机的筹谋和改进奠定了表面基础。由于石油供应放弃，氨内燃机在二战时期有顷兴起，Casala初次收场了氨内燃机的工业限制应用，Norsk Hydro和Gazamo则接踵开发了氨燃料皮卡车和群众汽车。连年来，受海外油价和环保政策影响，以氨替代化石燃料的内燃机（ICE）筹谋再次引起平淡温雅，多家公司在汽车界限开展了氨燃料ICE的改进与研发。

氨燃料ICE系统按照点火类型分为火花点火（SI）和压缩点火（CI）两种。其中，SI借助火花塞燃烧空气燃料夹杂物，泛泛为汽油发动机；CI通过汽缸内机械压缩热量燃烧喷射燃料，泛泛为柴油发动机。由表3氨与其他碳氢燃料的打消脾气对比可知，固然液氨的能量密度低于汽油和柴油，但液氨的高辛烷值产生的高抗爆性使得SI发动机有更高的压缩比，且比液氢高得多。通用汽车于1965年最早运转了氨燃料SI发动机的筹谋测试，给定了其部分性能优于汽油发动机的压缩比；氢气具有打消速率快、扩散性好、点火能量低等特色，十分适当与氨夹杂打消，在氨中添加打消性能较好的氢气能灵验改善氨燃料的打消，擢升打消速率及拓宽可燃性极限，而且氨氢夹杂打消相同不会产生二氧化碳，然则纯氨和氨氢夹杂燃料SI发动机热结尾仍低于汽油发动机。咫尺，添加含氧燃料被觉得是擢升氨SI发动机性能的灵验方法，Haputhanthri冷落了以甲醇和酒精为乳化剂的氨-汽油夹杂燃料，并给定了各燃料的最优夹杂比。近期，韩国能源筹谋所通过添加戒指系统和去除易腐蚀金属配件，将LPG-汽油安设改换为氨（70%）‍-汽油（30%）安设，该系统若在韩国20%的车辆中安装，将减少1000万吨/年的二氧化碳排放量。CI发动机方面，氨的高汽化潜热、低火焰速率以及窄可燃性极限（表3）导致纯氨CI发动机需要高使命温度和压力以及极高压缩比，因此需要高十六烷值燃料与氨配合使用。柴油是双燃料CI发动机的主要夹杂燃料，Gray便是1966岁首次收场了柴油-氨双燃料CI发动机的运行。Reiter等和Lasocki等筹谋标明，柴油-氨夹杂双燃料CI发动机比纯柴油发动机热结尾高约10%且CO排放量低。Hogerwaard等筹谋发现，氢辅助柴油-氨CI发动机的能量和用结尾略高于纯柴油CI发动机。近期，好意思国开发一种柴油-氨夹杂驱动双燃料CI发动机，用于收场氨燃料固定发电。2022年10月，上海交大轮机工程团队收场了柴油-氨双燃料发动机首型教学机点火，为我国第一艘氨燃料能源船研制提供了表面与教学基础。

表3　氨与其他燃料的打消脾气对比

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氨燃料ICE系统成本方面，筹谋标明ICE系统中径直使用氨的成本为1.45~3.33USD/100km，比汽油、液化石油气、甲醇的6.06USD/100km、5.10USD/100km和2.00~3.70USD/100km更具经济性和竞争力。若将氢ICE系统调度为氨燃料，氨ICE的行驶成本为3.2USD/100km，比氢ICE的8.4USD/100km更经济，且氨燃料车辆行驶里程更高。

3.1.3

氨燃气轮机

氨燃气轮机筹谋始于20世纪60年代，但由于时期不及和成本问题导致早期研究筹谋甚少。连年来，跟着零碳排放需求擢升，氨燃气轮机再次进入大众视线，其打消结尾、褂讪性和NOx排放等问题再次成为筹谋热门。Iki等开发了一种50kWe级的微型燃气轮机系统，以氨和煤油为燃料供应，收场了越过25kW的发电量。通过将原型打消器替换为范例打消器，Iki等擢升了氨打消结尾（96%），得到了掺氨比影响下的NOx排放规则，收场了100%氨和氨/甲烷夹杂物的打消发电，考据了氨四肢发电燃料的时期可行性。日本产业时期详细筹谋所初次领受50kWe级微型燃气轮机开发出了低NOx的氨-空气打消发电时期，将现实运行NOx排放量降至原系统的三分之一，展现了低NOx、单一氨燃料燃气轮机的开发后劲。日本石川岛重工初次收场了掺烧比高达70%的2MW级燃气轮机掺氨混烧，同期放弃了NOx的排放。三菱重工和万隆理工学院将共同研发40MW级氨燃气轮机，收场100%氨打消并注意于运行时期的高结尾和低NOx排放。欧洲多国筹谋机构正在鼓舞一项氨燃气轮机神色，旨在领受氨氢双燃料体系处置氨的高NOx排放和不充分打消问题。

3.2

氨领悟制氢加氢

制氢时期方面，甲烷蒸汽重整是咫尺最为闇练且占据全球最大制氢量的传统工业制氢时期，该时期需对CO水汽调度经过分娩的温室气体进行处理，或者达到70%~80%的能效和48%的改换率，现实能量成本为2.0~2.5kWh/m3（范例）。连年来，甲醇以高质地储氢密度（质地分数12.5%）被觉得是一种优质制氢化学品，传统甲醇水重整制氢响应温度高（>200℃）且会产生高浓度的CO，变成氧化经过的碳排放。Lian等冷落的等离子体甲醇领悟制氢收场了74%的能效、0.45kWh/m3（范例）的能量成本和88%的甲醇改换率。推敲能源结尾和环境友好性，氨具有储氢密度高（质地分数17.6%）、领悟产物无碳、易于储运等上风，因此成为了极具后劲的清洁能源制氢时期。下文将对氨领悟制氢时期发展近况和经济性进行冷静论说。

诸多学者开展了不同催化剂以及纯化工艺下的实验和响应机制筹谋，用于擢升氨领悟制氢性能。Dasireddy等对Cu/Al2O3和Cu/Zn/Al2O3催化剂进行比较，分袂得到了73%和93%的氨领悟制氢改换率。Hajduk等领受高铜催化剂使得氨改换率高达92%。Sato等通过镁铝原子比为6∶1的实验优化，收场了氨领悟响应经过98%的氨改换率。Engelbrecht等通过氨领悟制氢自热微通谈响应器的实验评估，得到了99.8%的氨改换率。近期，跟着氨领悟制氢时期产业化的快速发展，部分学者开展了相应的时期经济性分析。Giddey等对氨应用的来去结尾进行敏锐性分析，并预测电解水氨领悟制氢的平准化成本会跟着光伏或风力发电的电力价钱下跌而降至5~6USD/kg H2。Lee等基于韩国分娩能力为30m3/h的氨领悟加氢站进行经过模拟经济性分析，得出氨领悟制氢的分娩成本为6.27USD/kg H2。Lin等开发了一种变压吸附膜分离回收系统用于氨领悟现场制氢加氢站，收场了大于95%的H2回收率，并通过成天职析发现，氨领悟制氢成本（4.78USD/kg H2）比基于CCS的甲烷蒸气重整制氢成本略高，比其他无碳能源制氢门路，如太阳能热电解（5.1~10USD/kg H2）、风能电解（6.1USD/kg H2）、太阳能热解（7.8~8.5USD/kg H2）和光电解（9.7USD/kg H2）成本低15%。

4

氨能全产业链经济性

从氨合成、氨储运、氨应用3个关节阶段对氨能绿色能源门路以及氨能时期全产业链的经济性进行对比分析。

通过对比传统氨合成工艺来分析绿氨合成时期的成本经济性。当煤炭价钱为1000~1200CNY/t时，传统氨合成经济成本为3000~3500CNY/t，绿氨合成经济所需电价应戒指在0.15~0.22CNY/kWh才能与传统氨合成经济相竞争。畴昔跟着电改的束缚真切，在太阳能、风能等可再生能源发电时期的清闲实践以及政策赐与补贴扶合手的布景下，当可再生电力价钱为0.1CNY/kWh时，难懂且便宜的电力使绿氨合成经济成本足以与传统氨合成经济成本相失色。

氨储运的成本经济性将从远洋运送和陆上运送两部分进行分析。在远洋运送方面，详细筹谋得出运送距离为10000km的液氨、液氢和液体有机氢化物（LOHC）船运全链条（含氨合成、氨储运、氨应用）成天职别为16.93CNY/kg H2、26.09CNY/kg H2和17.10CNY/kg H2，因此液氨船运具有显贵经济上风。在陆上运送方面，液氨罐车的运送能力相较于氢气长管拖车更强，载氢量更高，况兼在运送经济上，运氨成本[0.1CNY/（kg·km）]也比运氢成本[2.0~10.0CNY/（kg·km）]更便宜；在不推敲氨合成的情况下，氨管谈的运送结尾为99.2%，比氢管谈的运送结尾（86.9%）更高，且氨管谈的运送成本非常于氢管谈的1/3致使在数目级上呈现显贵的驳倒，若是推敲将闇练的油气管谈系统改换为液氨输送，其经济效益会更显贵。

氨应用分为径直应用时期和领悟应用时期。其中氨径直应用时期泛泛以氨为燃料伸开，包括各样型内燃机和燃气轮机，并可径直用于燃料电板。以氨内燃机为例，径直使用氨内燃机系统的成本（1.45~3.33USD/100km）比其他燃料如汽油、液化石油气、甲醇和氢更经济，况兼在车辆行驶里程上，氨燃料内燃机较其他内燃机更有上风。以氨燃料电板为例，福州大学江莉龙团队研发的转折氨质子交换膜燃料电板系统比转折氢和甲醇质子交换膜燃料电板系统的燃料成本低约25%，使电燃料经济成本低至0.88CNY/kWh，汽车燃料经济成本低至0.16CNY/km，愈加经济高效。氨领悟应用时期主要指氨领悟制氢时期。传统氨领悟制氢耗能较大且性能较低，新式低温氨领悟制氢时期成本比基于CCS的甲烷蒸气重整制氢成本略高，比其他无碳能源制氢门路，如太阳能热电解、风能电解和光电解制氢成本低15%。

5

结语

本文从氨的合成、储运和新能源应用角度登程，探讨了“双碳”布景下收场“氨经济”的全产业链时期近况和发展趋势，对各项时期的碳排放和成本经济性进行了对比分析，并得到以下论断。

氨合成方面，第二代电化学合成氨时期通过可再生能源或者知足零碳“氨经济”的需求，所波及的“绿氨”合成工艺或者收场碳排放量大幅驳倒，并对第一代传统制氨工艺成本产生冲击，是一种极具营业前途的合成氨时期。第三代氮收复合成氨时期在可行性方面还未能达到分娩层面需求，但在本色上比以往时期愈加经济、结尾，跟着该类时期的日趋闇练，将有望成为最适当“氨经济”门路的关节时期。

氨能储运方面，氨的远洋运送成本处于可控范围且发展后劲高。氨比较于氢的陆上运送更具上风，氨管谈的运送成本彰着低于氢管谈且运送结尾高，氨的公路和铁路运送能力（能量）彰着高于氢气或液氢。液氨管谈在长距离运送方面成本效益更高，且事故可能性和风险等第更低；公路罐车在短距离运送方面更具上风，但事故可能性和风险等第高。氨比氢的常和蔼低柔顺储结尾更高、成本更低。

氨能应用方面，氨四肢能源燃料具有显贵的成本和环境效应。其中，氨燃料电板是一种理念念的无碳燃料电板时期，畴昔以可再生能源为原料的氨燃料电板汽车将比传统汽柴油车、电动汽车以绝顶他新能源汽车愈加高效安全，且成本更低；氨内燃机和燃气轮机的逐渐发展奠定了氨在能源驱动和打消发电方面的时期可行性，为打造零碳经济性需求的氨能源汽车和船舶作念出了要紧孝顺；跟着电力成本下跌，氨现场制氢站的氢气成本比其他无碳能源制氢成本更低。

总而言之，为妥当日益壮大的全球化氨能源产业发展和商场需求，我国应制定完善且健全的氨能经济时期门路，合理布局氨的合成、储运和应用全产业链时期，发扬氨能在国度能源计谋体系中的作用。

作家简介●●

第一作家：李卫东九游体育官网登录入口，博士，副赞助，筹谋标的为新能源储运。

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