【干货】一文详解“氨-氢”能源路线
氢能具有绿色高效、无碳、应用广泛等优点，2019年首次将氢能发展写入政府工作报告。2022年3月，国家发改委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，明确了氢能的能源属性，是未来国家能源体系的组成部分。同时，氢能是战略性新兴产业的重点方向，是构建绿色低碳产业体系、打造产业转型升级的新增长点。
然而，为了实现氢能产业的规模化应用，主要的挑战是低成本高效的燃料电池技术和安全高效的氢储运技术。其中，氢气储运难度大、安全性差是制约氢能产业发展的主要“瓶颈”。
首先，由于氢气的体积能量密度低，需要35~70MPa的高压储存和运输，导致氢气的储存和运输成本高。其次，根据我国2019年发布的《中国氢能与燃料电池产业白皮书》，预计2050年将建设1万座加氢站，每个加氢站的建设成本预计为1.5亿~3000万元，基础设施成本较高;第三，2019年，挪威、韩国等国家在20天内发生三起储氢罐泄漏引发的爆炸事故，暴露了氢气易燃易爆、本质安全性弱的缺点。
因此，为了突破氢能产业发展的瓶颈，亟需结合我国能源和产业结构的特点，发展成熟、安全、高效的氢能储运路线和配套产业链。
1、氨为突破氢能产业瓶颈提供可行解决方案
氨（NH3）是关系国民经济和民生的基础化工原料，广泛应用于化肥、环保、军工、制冷等领域。同时，氨作为一种高效的储氢介质，具有以下显著优势：
高能量密度。氨的体积能量密度约为13.6 MJ·L-1,1L液氨=4.5L高压氢气（35.0MPa）=1200L，常温常压。
液化储运成本低。氨只需要加压到1.0MPa即可以液态形式储存运输，液氨罐的氨容量可以达到30t（约5.29t氢气），更长的管式拖车（氢气载氢量小于400kg）的载氢量增加了1个数量级，因此氨气运输的成本（约0.001元·kg-1·km-1）也比氢气低运输费用（0.02~0.10元·千克-1·千米-1）。
无碳储能。氨气成熟的技术体系、标准规格和低成本的合成、储运，可实现季节性、远距离、“无碳”的“氨氢”储能。研究表明，在电制液燃料技术的主要类型（液氢、液氨、液化天然气、甲醇、有机液氢储存）中，电制氨的成本最低，效率仅次于其他电制液燃料技术。
高度安全。氨气的火灾危险性仅为B级，爆炸极限（16%~25%）比氢气（4%~76%）窄，因此更安全。其刺鼻的气味是一个可靠的警告信号。
因此，发展氨作为储氢介质有望解决传统高压储氢运输的问题。
众所周知，合成氨已有100多年的发展历史，对氨的生产、储存、运输和使用形成了完整的产业链、行业标准和安全规范。以5000万吨的年产量（其中80%来自煤制氨，20%来自天然气）计算，到2030年，氨行业将排放2.7亿吨二氧化碳。
我国是可再生能源装机容量最大的国家，但由于光伏、风电、水电等可再生能源存在间歇性、波动性和季节性缺陷，存在大量“风、光、水弃”（简称“三弃”）。据国家能源局统计，2018年我国“三撮”高达1.023×11千瓦时，尤其是西北、华北、西南等地区。探索开发可再生能源光解/水电解氢耦合氨合成技术，可实现可再生能源电力的“消耗调峰”，实现低成本、跨区域、远距离储运，与丰富的氨下游产业相结合。
初步估计表明，使用氨作为储氢介质具有显着的经济效益。例如
如果采用氨分解制氢场地向加氢站供氢，加氢站加氢成本可降低到35元·kg-1以下;
如果开发间接氨燃料电池技术与“氨制氢燃料电池”相结合，实现用户终端的“氨3转电”（NH 3-to-power），发电成本约为1元·（kW·h）-1或乘用车的燃油成本约为25元·（100 km） -1，续航能力几乎是现有氢燃料电池系统的两倍;
如果用氨作为车辆燃料加注，加油站只需稍作修改即可用于氨气加注，预计氨加气站的改造成本相比加氢站的建设成本可以降低1个数量级。按照中国到2050年建设10000座加氢站的目标，可节省近1000亿元的基础设施建设投资。
因此，发展氨作为储氢介质，可以连接可再生能源、氢能和传统产业，发展出符合我国能源结构特点→清洁高效合成氨安全低成本氨储→运、无碳高效利用“氨氢”的全链条“氨氢”绿色循环经济路线（图1）， 这对于保障国家能源环境保护安全、社会经济发展具有重要意义。
图1 “氨氢”绿色能源循环经济路线。
二、开发“氨氢”能源绿色循环经济路线的技术挑战
根据上述分析，氨作为一种理想的储氢介质，有望解决氢能产业发展中储运成本高、能量密度低、本质安全弱等挑战性问题。氨能源示范项目已在世界范围内启动，如美国能源部的（以密集燃料）计划、欧洲西门子公司和日本JGC公司的“可再生能源-氨-电”示范项目。
氨作为清洁高效的新能源发展，不仅实现了传统合成氨产业的节能减排，而且将可再生能源与新能源产业连接起来，具有巨大的应用前景。受德国H2Ber氢能示范项目的启发，图2描绘了“氨氢”能源绿色循环经济路线的未来应用场景。
图2 “氨氢”能源绿色循环经济路线CHP： 热电联产;EV：电动汽车
“绿氨”的生产和应用成本主要受可再生能源电价影响。预计到2035年，“绿氨”生产应用成本为1700元·t-1，氨燃料电池发电成本为1.0元·（千瓦·小时） -1 ;到2060年，“绿氨”生产应用成本可进一步降低至800元·t-1，“氨转化”成本可降至0.5元·（kW·h）-1以下。要实现“氨氢”能源循环经济路线，仍需解决以下技术难题：
3.争夺“绿氨”赛道
2022年，在碳达峰、碳中和的背景下，伴随着绿氢的“风”，从绿氢合成绿氨也将受到化工企业的重视，成为减少碳排放的重要途径之一。其中，据全球氢能观察，中国天鹰、吉电科技股份有限公司、远景科技集团、明拓集团、国家能源集团、国家电力投资、盈德燃气、中国氢能、京能集团等企业正在竞相布局绿色氢能和绿色氨项目。
远景零碳工厂概念图，图片来源：远景集团
1. 中国天鹰
9月，中国天鹰股份有限公司（以下简称“中国天鹰”）与通辽市人民政府、中国投资协会签署战略合作框架协议。三方将在通辽联合建设1000万千瓦风能、太阳能氢能、氨一体化零碳产业园项目，总投资600亿元，建成后每年将生产5万吨绿氢和30万吨绿氨。
同时，三方还将共同建设零碳工业装备制造中心，重点打造北方绿氢、绿氨领域的零碳装备制造中心，总投资100亿元;此外，协议还表示，将共同发起成立通辽零碳产业基金和子基金组，启动成立绿氢研究院和绿氨研究院。
2. 吉尔吉斯斯坦股票
9月，吉林省电力有限公司（以下简称吉林省电力有限公司）宣布，大安风能太阳能绿色氢合成氨一体化示范项目已获批（备案）。公告称，大安风光绿色氢氨合成一体化示范项目总投资63.32亿元，计划建设700MW风电项目、100MW光伏项目，配套建设40MW/80MWh储能装置，还将建设新的制氢装置， 储氢和18万吨合成氨装置。
今年1月，吉电株式会社与伊藤忠（中国）集团有限公司就加强氢能产业链合作进行了深入交流，明确希望双方加强氢能全产业链和碳中和的深度合作与交流，推动项目早日完工， 推动绿色氢气、绿色氨气和绿色酒精生产的耦合联动。
3. 京能集团
京能集团由原北京国际电力发展投资公司和原北京综合投资公司合并而成，经过多年的资源整合，已从单一能源产业发展成为热、电、煤、健康、文旅等多业态产业格局。
今年8月，京能集团与内蒙古锡林郭勒盟多伦县人民政府签署风能太阳能储氢绿氨项目合作开发框架协议。根据协议，双方将共同推动风能和太阳能储氢生产绿氨项目实施，利用锡林郭盟南部地区的可再生能源生产绿色电力，电解绿氢，转化为绿色氨并供应国内外市场。项目建成后，预计电解氢日产量300吨，绿氨年产量达到60万吨。
4. 中能建设与中禹电力
8月22日，近日，武汉中宇电力与中国能源建设集团共同投资建设的兰州新区氢能产业园项目正式开工。
项目规划建设“一基地三中心”功能的综合性氢能园区，包括绿色氢供应基地、氢能示范应用中心、氢能装备制造中心、氢能研究中心。项目规划面积2.83平方公里，总投资150亿元，一期项目总投资30亿元，主要建设年产氢2万吨制氢、储氢能力10万标准立方米的绿色氢气供应基地， 以年产6万吨绿色氨和氢能运输应用为核心的示范应用中心，以年产3000套氢燃料电池系统为核心的氢能装备制造中心，以及氢能研发创新中心、检测中心和人才培养中心。
5. 英德气体与中国氢能
盈德气体是一家致力于中国产业发展的大型专业燃气公司，专注于现场供气、清洁能源、零售、工程制造、氢能、稀有气等业务，以现场管道供气、液体零售、瓶装气等形式供应氧气、氮气、氩气、氢气等优质工业气体产品，提供基于氢气和一氧化碳的合成气清洁能源解决方案。
中国氢能股份有限公司是未来能源控股有限公司的全资子公司，致力于氢能的研究与应用，拥有与氢能全产业链相关的资源和技术。
今年7月，英德燃气集团与中国氢能股份有限公司签署合作协议，就鄂尔多斯市大叻旗绿色氢能、绿氨项目投资建设达成合作。签约项目以绿色氢气、绿色电力生产绿氮为主要原料，通过低温低压合成氨工艺生产纯度99.9%的绿色合成氨，年产能绿色氢气9300吨，绿氨5万吨。
6. 国家电力投资总公司
6月22日，由智慧能源（国家核电研究院）牵头的大毛旗风光制氢暨绿色柔性化工一体化项目开工建设。项目位于内蒙古自治区包头市达尔汗茂名安联合旗，主要包括风电200MW，光伏发电200MW，预计年发电量12.5亿kWh，风电和太阳能电解制氢，年产氢1.78万吨，以氢气和氮气为原料合成液氨产品， 年产量10万吨。
7. 国家能源集团
中能源集团是中国国电集团公司与神华集团有限公司联合重组组建的中央能源骨干企业，集煤炭、电力、交通、化工等全产业链业务于一体，产业分布遍布全国31个省、自治区、直辖市及美国、加拿大等10多个国家和地区， 是全球最大的煤炭生产企业、火力发电企业、风力发电企业和煤制液煤化工企业。
8. 明拓集团&华鲁公司
4月7日，国际氢冶金化工示范区新能源氢共产无碳燃料项目签约仪式在内蒙古包头九源工业园区举行。明拓集团有限公司、华鲁公司、水木明拓（包头）公司开展了此次合作。该项目重点建设国内首个以绿色氢气和空气捕氮为原料的120万吨绿色氨化工项目，推动形成绿色低碳化工产业链，实现冶金化工行业全面碳中和。
9. 远景集团
远景科技集团是全球领先的绿色科技公司，由智能风电储能技术公司远景能源、动力电池公司远景动力、智能物联网公司远景智能三大业务板块组成，共同打造能源转型整体解决方案，成为全球企业的“零碳技术合作伙伴”， 政府和机构。
今年3月28日，赤峰市人民政府与远景科技集团举行战略合作协议签约仪式，根据协议，远景科技集团将在赤峰市建设绿氢绿氨风光发电一体化示范项目，总投资约400亿元， 预计将于2028年完工并投入运营。其中，项目计划年产零碳工业气体产品152万吨，一期项目两年内投产，成为全球首个零碳氢氨项目。
同时，项目建成后，将依托零碳工业气体产品和先进储能空分技术优势，为赤峰经济技术开发区工业生产提供零碳氨、氢、氧、氮等工业气体产品，减少园区碳排放，将元宝山化工园打造成为零碳化工园区。