新能源 | 氨能离产业化还有多远
这种无色燃料燃烧时不会排放二氧化碳。它储量丰富且常见，可由可再生电力、水和空气制成。它既可用于燃料电池，也可用于内燃机。与氢气不同，它不需要储存在高压罐或低温杜瓦瓶中。它的能量密度是锂离子电池的 10 倍。
1. 氨的优点
首先，氨 (NH3) 比氢更容易运输和储存。氨的可燃性比氢低，因此在这方面它是一种更安全的燃料。此外，NH3 的沸点为 33.36°C，而 H2 的沸点为 -252.9°C。NH3 更容易液化，因此氨的储存和运输所需的能量较少。最重要的是，氨具有独特的气味，可以提前警告其潜在的致命泄漏，而纯氢则没有这种特征。
其次，液氨是一种比液氢更高效、能量密度更高的氢气载体。NH3 是由一个氮原子与三个氢原子结合而成，与 H2 相比，一升液氨中的氢气含量比一升液氢中的氢气含量要多，因此可以在相同体积的储存容器中输送更多的能量。
第三，NH3是世界上最重要的化工商品之一，也是产量最大的化学品之一。其运输法规和运输基础设施（包括装卸）已在世界各地广泛部署。一般情况下，氨气以中压罐运输和储存，这意味着它可以快速应用于需要它的能源系统的特定部分。
目前氢能利用和商业化进展缓慢，氢气运输困难且成本高昂，但目前已存在广泛的氨输送系统，氨相关设施成本低于氢气。若用绿色氢气生产氨，则不会产生二氧化碳排放。同时，将绿色氨液化后再进行大规模运输，或许是未来氢气储存和运输的最佳方式之一。另外，氨燃烧后的产物为水和氮气，不会造成碳排放。氢能产业正向氨的方向发展。
但如果直接使用氨作为燃料，则需要克服氨不易燃烧的缺陷，氨的燃烧速度比氢气低，热值比氢气和天然气低，因此很难点燃并实现持续稳定的燃烧。
为了早日实现碳中和的目标，各国政府对氨能源的发展越来越重视。
2. 氨能源技术发展现状
2.1 合成氨技术
2.1.1 绿色氢-Haber-Bosch电化学体系制备绿色氨
目前国际上制备绿色氨的大部分方法为：基于哈伯-博施电化学体系，以绿色氢气和氮气为原料合成绿色氨。绿色氢气由电解槽生产，电解槽工作在碱性水介质或质子交换膜或固体氧化物介质中，这些电解槽利用太阳能、风能、潮汐能等可再生能源产生的电能来生产绿色氢气。合成氨的反应仍在高压环境下的合成塔中完成。氮气和氢气混合、压缩后从塔上部进入合成塔，经过合成塔底部的换热器后混合气体温度升高，进入放置催化剂的接触室。在接触室中，部分氮气和氢气发生反应合成氨，氮、氢、氨混合的混合气体经换热器离开合成塔。 混合气体必须经过冷凝器，使氨液化，从而分离出氨，而氮氢混合气体则经压缩后再次送往合成塔，形成循环利用，节省原料。
2.1.2 四烷基膦酸酯电化学方法
一种全新的电化学生产氨的方法可以显著减少与当前哈伯-博施法相关的温室气体排放。该方法是一种使用与锂电池类似的电解质来生产氨的电池。利用可再生能源的电解将氮气从空气中分离出来，将其还原为氮化锂，并将氢气从水中分离出来，然后将其电还原以产生氨。这意味着氨可以完全“绿色”。乙醇被四烷基膦酸酯取代。该阳离子可以稳定地进行去质子化-再质子化循环，并提高介质的离子电导率。
2.1.3 低温低压合成绿色氨
与当今世界普遍使用的传统氨生产工艺相比，在极低的温度和压力下直接用水生产绿色氨。基于零排放碱性电池和绿色氨能源技术的电力解决方案可实现不间断电力，帮助世界从柴油发电转向清洁能源发电。
2.2 氨脱氢技术
2.2.1 传统氨分解制氢法
传统的氨分解变压吸附制氢工艺流程分为氨分解和变压吸附净化两部分，液氨经预热器蒸发成气态氨，然后在一定温度下经过装有催化剂的氨分解炉，氨分解成含75%氢气和25%氮气的氢氨混合气体。
2.2.2 氨脱氢电化学电池
氨遇到催化剂分解成氮和氢。氢立即转化为质子，然后由电驱动质子穿过电化学电池中的质子传导膜。该反应由氢的连续提取驱动。氨裂解产生的氢可用于燃料电池。
2.2.3 低温氨分解制氢新方法
氨分解制氢催化剂及其制备方法和在电极中的应用。该催化剂包括活性组分和载体，活性组分为钌和/或镍，载体为钡基钙钛矿、氧化锆基稀土金属氧化物、氧化铈基稀土金属氧化物、镓酸镧基钙钛矿、氧化铝中的至少一种。该催化剂可以使催化剂的热膨胀系数接近电极材料的热膨胀系数，解决了催化剂和电极受热容易分层的问题；将钌和/或镍活性组分负载在载体上制备的催化剂催化效果好，氨分解效率高。
3.世界主要国家合成氨能源发展情况
3.1日本大力发展氨燃烧
2020年底，日本公布“绿色增长战略”行动计划，氨能成为重点发展方向。2021年4月，日本政府规划，到2050年，氢氨发电将占日本总能源产量的10%左右；到2023年，突破燃煤电厂混合氨燃烧技术；到2025年，氨含量20%的燃料可投入实用；到2040年，实现100%氨燃烧火力发电技术的发展。
3.2 欧洲增加绿色氨产量
2020年11月24日，第四届欧盟氢能网络会议提到要不断增加绿色氨的产量。
3.3 韩国氨燃烧发电提上日程
2020年12月7日，在韩国产业通商资源部主办的“第二次氢氨发电推进”会议上，韩国政府宣布2022年为氢氨发电元年，制定发展规划和路线图，力争成为世界第一氢氨发电大国。会议宣布，政府将投资400亿韩元用于相关基础设施建设，并在2023年前制定《氢氨发电指南》。
3.4 中国加大氨储能研发力度
2021年5月26日至28日，上海举办首届“2021氨燃料电池动力系统产业发展上海国际高峰论坛”，来自国内外的能源制造商、设备供应商、配套厂商等齐聚一堂，交流氨能源发展新机遇，反响热烈。应行业要求，主办方时隔半年举办“第二届上海氨工业及氨燃料动力系统国际论坛”，共同探讨氨工业及氨燃料动力系统在航运、船舶、内燃机、飞机、汽车、市政、电力、工程、港口等清洁新能源市场的机遇与发展趋势。
2022年1月29日，国家发展改革委、国家能源局发布关于印发“十四五”新型储能发展实施方案的通知提到，要加大关键技术装备研发力度，推动多元化技术发展，开展包括氨储能在内的储能环节关键核心技术、装备和集成优化设计研究。
3.5澳大利亚继续推进氨能源发展
2020年9月，澳大利亚氨能协会（AEA）举办了第二届“氨=氢能2.0大会”，会上提出加强政府与产业的伙伴关系；为氨动力船舶征税，开设安全培训课程；由产业界与政府共同出资建立氨生产技术研发中心；与日本、新加坡等国家建立绿色氨相关的能源安全合作等。
云南省能源研究所：
云南省能源研究所