淺談可再生能源轉(zhuǎn)化為氨氫能源體系的耦合性

李志軍 劉京京 陳愛琴 薛曉金

上海舜華新能源系統(tǒng)有限公司

0 背景

經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)化石能源消耗逐漸提高，而化石燃料對(duì)外依存度很高，這不僅嚴(yán)重威脅著我國(guó)的能源安全戰(zhàn)略，同時(shí)化石能源的消耗也給環(huán)境帶來了破壞。國(guó)務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，明確要求到2025年，非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到20%左右，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2020年下降18%；到2030年，非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到25%左右，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降65%以上，重點(diǎn)實(shí)施能源綠色低碳轉(zhuǎn)型、交通運(yùn)輸綠色低碳等行動(dòng)。要大力發(fā)展新能源，到2030年，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億kW以上，積極探索“新能源+儲(chǔ)能”等模式，順利實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰目標(biāo)［1］。

可再生能源在解決當(dāng)今全球社會(huì)問題面臨的能源成本、能源安全和氣候變化等一些關(guān)鍵性挑戰(zhàn)方面發(fā)揮著越來越重要的作用。近年來我國(guó)新能源發(fā)展迅速，已經(jīng)走在世界前列，截至2020年，可再生能源發(fā)電裝機(jī)總規(guī)模達(dá)9．3億kW，其中風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)和核電在建規(guī)模已居世界第一?？稍偕茉矗ㄈ缢?、風(fēng)能、太陽(yáng)能）由于存在間歇性，不能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)、穩(wěn)定地輸出電能等特點(diǎn)，導(dǎo)致了大量棄風(fēng)、棄光、棄水現(xiàn)象發(fā)生，因此，尋找高效的、能量密度大的能源存儲(chǔ)介質(zhì)是未來可再生能源系統(tǒng)行之有效的解決途徑。

1 可再生能源和氫儲(chǔ)能的耦合性

我國(guó)可再生能源總量雖豐富，但發(fā)電與負(fù)荷的地理分布不均，遠(yuǎn)距離外送的技術(shù)制約，加上可再生能源發(fā)電所固有的隨機(jī)性、季節(jié)性和反調(diào)峰特性，進(jìn)一步增加了可再生能源調(diào)峰難度，對(duì)其并網(wǎng)帶來了一定困難，導(dǎo)致棄風(fēng)、棄水、棄光嚴(yán)重。2019年，我國(guó)棄風(fēng)、棄水、棄光電力合計(jì)約720億kWh，其中棄風(fēng)、棄光電量總和約為215億kWh［2］；2020年，我國(guó)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象主要集中在“三北”地區(qū)，其中甘肅棄風(fēng)率最高為13．8%，西藏棄光率最高為25．4%。因此，如何解決大規(guī)?？稍偕茉聪{成為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)必須解決的問題［2］。

目前，國(guó)內(nèi)外開展了多種儲(chǔ)能技術(shù)的研究與探索，常規(guī)的儲(chǔ)能技術(shù)有物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能三大類。在物理儲(chǔ)能中，抽水蓄能與壓縮空氣儲(chǔ)能的儲(chǔ)能規(guī)模大、技術(shù)相對(duì)成熟，但二者占地空間大，均對(duì)選址有一定的要求。前者受水文、地質(zhì)條件限制，后者則需要利用現(xiàn)有的礦井、洞穴。飛輪儲(chǔ)能具有響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，但是其能量密度低、自放電率高、投資成本高。儲(chǔ)冷、儲(chǔ)熱等熱儲(chǔ)能技術(shù)由于熱（冷）能不易長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)、不易長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)认拗?，多用于用戶?cè)儲(chǔ)能，以便就近消納。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛的儲(chǔ)能技術(shù)，具有容量大、成本低、模塊化等特點(diǎn)，其中以鋰離子電池為主，但是安全性、廢舊電池回收利用等問題是制約其發(fā)展的重要因素。超級(jí)電容、超導(dǎo)等電氣儲(chǔ)能則由于技術(shù)、容量等因素的限制，占比有限［3］。不同儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比和適用應(yīng)用場(chǎng)景見表1所示。

目前最成熟的是通過電的形式儲(chǔ)存，但往往存在季節(jié)、容量、污染、二次回收等限制。但基于儲(chǔ)存容量、功率密度考慮，化學(xué)儲(chǔ)能是不受時(shí)長(zhǎng)和地理位置限制的可用于大規(guī)模存儲(chǔ)條件的最靈活的儲(chǔ)能方法之一。在眾多不同類型的化學(xué)儲(chǔ)能介質(zhì)中，氫能是一種理想的二次能源，與其他能源相比，熱值高，能量密度（140 MJ/kg）是固體燃料（50 MJ/kg）的兩倍多，且燃燒產(chǎn)物為水，是最環(huán)保的能源。既能以氣、液相的形式存儲(chǔ)在高壓罐中，也能以固相的形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)氫材料中，如金屬氫化物、配位氫化物、多孔材料等，還能以化學(xué)物的形式儲(chǔ)存在有機(jī)物或無機(jī)物中，如液氨、甲醇等。因此，氫能被認(rèn)為是最有希望取代傳統(tǒng)化石燃料的能源載體［4］。國(guó)內(nèi)外也開展了大量的儲(chǔ)氫材料、液氫、天然氣摻氫等技術(shù)研究，目前國(guó)際上提出以氨為氫載體的“氨氫能源體系”用于解決儲(chǔ)能問題，也能很好與可再生能源就近融合。

表1 不同儲(chǔ)能技術(shù)的比較

2 氨-氫體系的耦合性

氫儲(chǔ)能技術(shù)是通過電解水制氫，將電能轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存起來的儲(chǔ)能方式，包括電解水制氫、儲(chǔ)氫兩個(gè)環(huán)節(jié)。根據(jù)氫的物理特性與儲(chǔ)存行為特點(diǎn)，可將各類儲(chǔ)氫方式分為：壓縮氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、液氨/甲醇儲(chǔ)氫、吸附儲(chǔ)氫（氫化物/液體有機(jī)氫載體（LOHC））等。不同儲(chǔ)氫技術(shù)路線對(duì)比見表2所示。

現(xiàn)階段，我國(guó)普遍采用20 MPa氣態(tài)高壓儲(chǔ)氫與集束管車運(yùn)輸?shù)姆绞剑w積儲(chǔ)氫密度低、容器耐壓要求高，不能滿足大規(guī)模用氫。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫受制于液化過程的能耗較大，液化過程的成本占到整個(gè)液氫儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)的90%以上，國(guó)內(nèi)的應(yīng)用基本僅限于航空領(lǐng)域，民用領(lǐng)域尚未得到規(guī)模推廣。吸附儲(chǔ)氫是利用金屬合金、碳質(zhì)材料等對(duì)氫的吸附儲(chǔ)氫和釋放的可逆反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，受制于價(jià)格昂貴、壽命短或儲(chǔ)存、釋放苛刻條件等問題，大多數(shù)處于研發(fā)階段。液氨/甲醇的儲(chǔ)氫密度高、安全性較好、儲(chǔ)運(yùn)方便、技術(shù)成熟，同時(shí)也是相對(duì)廉價(jià)的零碳燃料，更加契合大規(guī)模氫氣儲(chǔ)運(yùn)。

氨具有高儲(chǔ)氫密度(17．6%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))、運(yùn)輸便利、無碳等優(yōu)點(diǎn)，在室溫（298 K）和較低壓力（1～2 MPa）下就能實(shí)現(xiàn)液化儲(chǔ)運(yùn)，與甲醇儲(chǔ)氫（12．5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、金屬儲(chǔ)氫等途徑相比具有很大潛力，無疑是一種可靠的化學(xué)儲(chǔ)氫介質(zhì)［5］。盡管氨具有一定毒性，但在安全濃度水平（25 ppm，即25 cm3NH3/m3Air）之下，即可檢測(cè)到氨的氣味。氨的燃爆范圍相對(duì)較窄（16%～25%），遠(yuǎn)小于H2的燃爆范圍（4%～75%），因此泄漏后幾乎不存在可燃風(fēng)險(xiǎn)［6-7］。通過氫與氮?dú)夂铣梢喊奔夹g(shù)成熟，每噸液氨含氫達(dá)到180 kg，而且氨運(yùn)輸體系成熟，與傳統(tǒng)的碳?xì)淙剂辖Y(jié)合使用（例如海洋運(yùn)輸）來降低排放。氨作為儲(chǔ)氫介質(zhì)，由于地區(qū)之間制氫成本差異很大，因此氫氣的長(zhǎng)途運(yùn)輸和國(guó)際貿(mào)易可能會(huì)很有吸引力，且國(guó)際海事組織禁止純氫運(yùn)輸。對(duì)于像日本或韓國(guó)這樣的國(guó)家來說尤其如此，這些國(guó)家預(yù)計(jì)會(huì)有大量的氫氣需求，通過“氨氫能源體系”建立國(guó)際能源貿(mào)易新體系。

表2 不同儲(chǔ)氫技術(shù)的比較

氨分解法制氫則以氫氣純度高、占地小、操作簡(jiǎn)單、投資少、成本低、無副產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn)受到人們的普遍關(guān)注，特別是對(duì)需要?dú)涞旌蠚饣驅(qū)?、氮?dú)獠恍枰蛛x時(shí)，更顯其優(yōu)越性。氨裂解制取的氫氮混合氣在冶金、化工、電子等行業(yè)被廣泛用作還原氣或保護(hù)氣。氨分解變壓吸附制氫因其投資成本低、原料采購(gòu)運(yùn)輸較容易、氫氣純度高，在中小企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，特別在日加注1 000 kg加氫站更加具有商業(yè)價(jià)值，氨裂解制氫規(guī)模500 Nm3/h就滿足加氫要求，設(shè)備投資在350萬(wàn)～400萬(wàn)元，低于同樣規(guī)模的電解水制氫系統(tǒng)設(shè)備（需要投資500萬(wàn)元以上）。同時(shí)在電以0．8元/kWh計(jì)，每方氫氣需0．8 kg液氨，耗電量為2 kWh，成本約4．2元。電解水成本計(jì)算為：每方氫氣需1 kg純水，耗電量為5．5 kWh，成本約5元，故也有運(yùn)營(yíng)成本優(yōu)勢(shì)。因此以氨儲(chǔ)氫、供氫、代氫是氫能的發(fā)展趨勢(shì)之一，分布式氨分解制氫技術(shù)與灌裝母站集成被科技部立項(xiàng)為2022年度“氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)。

3 可再生能源與氨氫能源體系的耦合性

全球每年總共需要約4×109t氫氣應(yīng)用于氨的生產(chǎn)、有機(jī)物的加氫、石油精煉、金屬冶煉、電子制造、產(chǎn)生高溫火焰以及冷卻熱發(fā)電機(jī)等方面，其中合成氨需要?dú)錃庹嫉?%以上。合成氨工業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有非常重要的地位，氨不僅是生產(chǎn)硫酸銨、硝酸銨、氯化銨和尿素等化學(xué)肥料的主要原料，也是冶金、醫(yī)藥、有機(jī)合成、石油化工等工業(yè)領(lǐng)域中必不可少的重要原料。目前全球產(chǎn)能超過1．8億t/a（3%年增長(zhǎng)），仍然以煤或天然氣為氨的主要原料，每生產(chǎn)1 t氨會(huì)排放約2．5 tCO2。我國(guó)作為世界上最大的氨生產(chǎn)國(guó)（36．7%）和消費(fèi)國(guó)，2019年的產(chǎn)能為6 620萬(wàn)t，其中無煙煤、非無煙煤占比高達(dá)74%，天然氣占比21%，焦?fàn)t煤氣占比5%，故合成氨產(chǎn)業(yè)折算每年CO2排放量達(dá)到16 550萬(wàn)t。合理利用可再生資源，特別是“棄水、棄風(fēng)、棄光”資源，經(jīng)過可再生能源-氫-氨耦合生產(chǎn)液氨，可再生能源與氨氫能源體系路線圖如圖1所示。與傳統(tǒng)的碳能源體系相比既可以減少碳排放，也可以消耗富余能源，讓資源均衡利用，具有良好的環(huán)保效應(yīng)；同時(shí)部分液氨可直接銷售，有良好經(jīng)濟(jì)效益；也能作為氫的載體，解決氫能產(chǎn)業(yè)對(duì)氫源的需求。按棄風(fēng)、棄水、棄光電力合計(jì)約720億kWh，我國(guó)棄掉的可再生能源電力電解水制氫的潛力約為128．2萬(wàn)t/a，其中棄風(fēng)、棄光電力電解水制氫潛力約為38．3萬(wàn)t/a。如果把棄掉的可再生能源轉(zhuǎn)化成“綠氨”儲(chǔ)存或利用，可以合成“綠氨”近600萬(wàn)t，能解決1 500萬(wàn)tCO2排放，使我國(guó)碳排放降低0．2%左右。

圖1 可再生能源-氨氫能源路徑

可再生能源耦合轉(zhuǎn)換成“綠氨”能源系統(tǒng)由水力發(fā)電系統(tǒng)或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)或太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、電解水制氫裝置、氫能儲(chǔ)存、變壓吸附空分氮裝置、合成氨系統(tǒng)和氨裂解制氫組成，這個(gè)過程核心是可再生能源耦合發(fā)電制氫技術(shù)。技術(shù)路線圖如圖2所示。近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者開始針對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)耦合發(fā)電制氫技術(shù)展開了研究，并開始探索更多可再生能源實(shí)現(xiàn)多能耦合制氫系統(tǒng)的可行性［2］。2019年，陳建明等人分析了應(yīng)用氫儲(chǔ)能技術(shù)來解決能源發(fā)展中棄風(fēng)棄光問題的可行性，提出可再生能源制氫儲(chǔ)能技術(shù)可最大程度避免能源浪費(fèi)，風(fēng)光互補(bǔ)制氫系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)研究對(duì)我國(guó)能源清潔化轉(zhuǎn)型及脫碳減排進(jìn)程具有極大促進(jìn)作用［8-9］。眾多研究案例表明，在發(fā)電機(jī)組容量相同時(shí)，風(fēng)、光或水互補(bǔ)發(fā)電制氫儲(chǔ)能系統(tǒng)相較于單一可再生能源可以獲得比較穩(wěn)定的輸出，系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)可大大減少儲(chǔ)能蓄電池的容量，很少或基本不用啟動(dòng)備用電源如柴油發(fā)電機(jī)組等，可獲得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，符合脫碳減排理念。因此，建立氨氫能源體系是實(shí)現(xiàn)多種可再生能源相互耦合的重要手段。

圖2 可再生能源—氨氫能源體系

近年來，能源資本開始大舉進(jìn)入“綠氨”行業(yè)。2020年，世界上最大的化肥生產(chǎn)商之一CF工業(yè)公司宣布將把路易斯安那州Donaldsonville的工廠部分裝置改造為“綠氨”，計(jì)劃年生產(chǎn)2萬(wàn)t。2021年，全球最大氨生產(chǎn)商挪威Yara國(guó)際公司與挪威可再生能源巨頭Statkraft及可再生能源投資公司Aker Horizons宣布在挪威建立歐洲第一個(gè)大規(guī)模的“綠氨”項(xiàng)目。日本也高度重視氨燃料產(chǎn)業(yè)鏈布局，規(guī)劃到2030年，日本的發(fā)電用燃料中氫和氨將各占到10%，到2050年，將在全球建成1億t規(guī)模的氨供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)。而我國(guó)四川省涼山州雷波縣擬建30萬(wàn)t/a可再生能源制氫合成氨項(xiàng)目，建立“西氫東送”的高地。

4 總結(jié)

氫能是當(dāng)下被高度關(guān)注的清潔能源，是解決“棄水棄風(fēng)棄光”問題的有效方式之一，但氫氣儲(chǔ)運(yùn)仍面臨諸多挑戰(zhàn)?！熬G氨”既可以作為儲(chǔ)氫介質(zhì)，同時(shí)也是相對(duì)廉價(jià)的零碳燃料，能量密度高，是液氫的1．5倍，同時(shí)易液化、易運(yùn)輸，且合成工藝成熟，因此以氨儲(chǔ)氫、供氫、代氫是氫能的發(fā)展趨勢(shì)之一。

建立多能互補(bǔ)可再生能源合成氨氫系統(tǒng)，是以清潔且資源量豐富的可再生能源為動(dòng)力進(jìn)行氨的合成，不僅解決了傳統(tǒng)合成氨工業(yè)高能耗、高排放的問題，同時(shí)通過氨的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，采用分布式供氫或點(diǎn)供，能解決氫能社會(huì)的氫能源供應(yīng)體系，真正建立可再生能源儲(chǔ)存體系，促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程。