我國綠色氨能源技術(shù)與產(chǎn)業(yè)展望

張克金 馬亮 姜明慧 曹婷婷 邊海東 劉曉雪

（1.一汽解放商用車開發(fā)院，長春 130011；2.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

主題詞：氨能 氫能 氫燃料電池 氨氫融合 碳中和 新能源

縮略語

HICEV Hydrogen Internal Combustion Engine Vehicle

FCEV Fuel Cell Electric Vehicle

SMR Steam Methane Reforming

CTG Coal To Gas

POX Partial OXidation

SOFC Solid Oxide Fuel Cell

PEM Polymer Electrolyte Membrane

AFC Alkaline Fuel Cell

PM Particulate Matters

LHV Lower Heating Value

1 前言

當(dāng)前，中國汽車工業(yè)面臨環(huán)境保護(hù)和能源安全的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。2020—2060年之間，碳達(dá)峰和碳中和已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略，車企面臨減碳和無碳的壓力，新能源汽車取代傳統(tǒng)車成為主要的解決方案。自2018 年開始，中國的石油資源對外依存度超過70%，開辟能源新渠道，研發(fā)和使用本身不含碳的燃料是消除和緩解氣候變化的關(guān)鍵，氫能成為未來發(fā)展趨勢。

2021 年10 月，在中國汽車工程學(xué)會的年會上（SAECCE 2021），李駿院士圍繞《Autonomy 2.0 與Ammonia＝Hydrogen 2.0》主題，探討了中國汽車未來產(chǎn)業(yè)重大科技創(chuàng)新方向，并對如何防止新能源汽車產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)“長尾”效應(yīng)（Long Tail）進(jìn)行論述，提出未來我國運(yùn)輸裝備雙碳達(dá)標(biāo)的能源構(gòu)架，即未來的車用能源應(yīng)包括清潔燃油、氫能、氨能、天然氣及合成燃料和電能。Hydrogen 2.0 的重大意義在于綠色制氫，新能源劃時(shí)代的意義在于綠色能源，這也是新能源汽車綠色零碳、持續(xù)發(fā)展的基石。由于氨能產(chǎn)業(yè)在制氨、儲存、運(yùn)輸和應(yīng)用上形成了高度成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，國際上氨能產(chǎn)業(yè)在發(fā)展中正與氫能融合發(fā)展，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域零碳發(fā)展中可以扮演重要角色。

通過收集分析國內(nèi)外文獻(xiàn)，本文梳理分析了我國汽車產(chǎn)業(yè)能源現(xiàn)狀和低碳趨勢、鋰電在新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮的作用，氫能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的短板。研究了國內(nèi)外氫能和氨能最新研究進(jìn)展，從氨的化學(xué)、熱物理和燃燒特性提出氨作為運(yùn)輸裝備燃料的適應(yīng)性，分析了氨作為無碳燃料在氨制備、氨氫融合發(fā)展的儲運(yùn)和應(yīng)用的潛力和面臨的問題，提出了氨氫融合發(fā)展的建議。

2 汽車工業(yè)的能源未來

2.1 我國的能源現(xiàn)狀分析

中國每年需要大量進(jìn)口石油資源以滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，而相對豐富的煤炭資源，更多的應(yīng)用于火力發(fā)電，對環(huán)境的污染較為嚴(yán)重。積極發(fā)展基于零碳的新能源技術(shù)，一方面是為了紓困能源安全的難題，另一方面也可以在低碳的新賽道上，實(shí)現(xiàn)國家的汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級。

2.2 汽車的低碳化趨勢

C2ES 研究表明，全球溫室氣體的排放總量中二氧化碳排放占比已達(dá)到76%[1]，而且增加趨勢明顯。因此，全球氣候治理開啟新階段，1997年簽署的《京都議定書》和2016 年簽署的《巴黎協(xié)定》作為2 個(gè)有法律約束力的全球氣候協(xié)議，宣稱控制溫室氣體排放至關(guān)重要，對人類社會的未來將產(chǎn)生重大影響，主要發(fā)達(dá)國家和中國都是其簽署國。

歐盟致力于引領(lǐng)世界低碳能源技術(shù)的發(fā)展，其綠色技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先全球，是主要先進(jìn)能源技術(shù)應(yīng)用比較活躍的地區(qū)之一。德國在2020 年6 月發(fā)布了《國家氫能戰(zhàn)略》[2]，圍繞氫的研發(fā)和應(yīng)用推出了一系列舉措，德國政府資助總額超過87 億歐元，通過建立“綠氫國際未來試驗(yàn)室”，希望吸引國際頂尖人才，提供了80億歐元資助62 個(gè)大型氫能項(xiàng)目，包括氫能生產(chǎn)、運(yùn)輸和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。日本政府于2020 年12 月發(fā)布“日本綠色增長戰(zhàn)略”[3]，并制定了2021—2050“日本氨燃料路線圖”，推進(jìn)綠色氫能和氨能的融合戰(zhàn)略。美國能源部(DOE)推動低碳能源的研發(fā)，強(qiáng)調(diào)了氨能在未來能源中的不可替代作用，公布了氨能基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)劃，重點(diǎn)支持制氨、輸氨和用氨的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

全球汽車工業(yè)發(fā)展迅速，2020 年，全球道路交通裝備碳排放量幾乎占到全球總碳排放量的26%。2019 年，我國交通運(yùn)輸領(lǐng)域CO2排放約占我國全社會CO2總排放的11%[4]，2020 年受疫情影響，有所降低。

圍繞交通領(lǐng)域低碳使命和任務(wù)，中國正在積極地制定應(yīng)對戰(zhàn)略，即逐步推廣低碳技術(shù)，力求低碳技術(shù)路線的多樣化，最終實(shí)現(xiàn)零碳交通。在制定新能源汽車技術(shù)戰(zhàn)略時(shí)，多數(shù)主機(jī)廠所采用的技術(shù)路線包括鋰電池平臺、氫燃料電池平臺、氫燃料內(nèi)燃機(jī)、甲醇燃料內(nèi)燃機(jī)、生物質(zhì)燃料內(nèi)燃機(jī)、氨燃料內(nèi)燃機(jī)。

對于鋰電池、氫燃料電池、甲醇燃料內(nèi)燃機(jī)和生物質(zhì)燃料內(nèi)燃機(jī)已經(jīng)是接近成熟的工業(yè)產(chǎn)品，而氫燃料內(nèi)燃機(jī)和氨燃料內(nèi)燃機(jī)仍處于技術(shù)研發(fā)之中。

2.3 鋰電將在新能源領(lǐng)域發(fā)揮重要作用

按照《中國制造2025》[5]戰(zhàn)略以及各類新能源政策的指引，依據(jù)“三縱三橫”的部署[6]，近年來，中國新能源汽車正在快速發(fā)展，并走向了市場成熟期。

2020 年，新能源汽車保有量達(dá)到490 萬輛，2021年，新能源汽車保有量達(dá)到784 萬輛[7]，在全球市場份額已經(jīng)超過50%，并且涌現(xiàn)出像比亞迪和寧德時(shí)代等全球標(biāo)桿性的領(lǐng)軍整車和零部件企業(yè)。但是，當(dāng)前的鋰離子電池產(chǎn)品技術(shù)本身仍處于發(fā)展之中，影響續(xù)駛里程、充電和安全等的綜合性能有待進(jìn)一步提高。

作為車用動力，不論是磷酸鐵鋰或三元鋰電池，在其使用性能方面，都存在續(xù)駛里程低和充電時(shí)間長的固有缺點(diǎn)。在長江以北地區(qū)的冬季環(huán)境下，電池單元的啟動困難，汽車動力不足。另外，電池組的有效壽命為4～6 年，車用電池的回收與梯次利用是整個(gè)行業(yè)面臨的難題?，F(xiàn)階段的技術(shù)水平，難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和批量化的工業(yè)化回收，回收過程本身還會造成一定的環(huán)境污染，這將是鋰電池全面推廣應(yīng)用的最大障礙。未來，鋰電池的運(yùn)營場景有以下特點(diǎn)。

（1）鋰電池乘用車在長江以南區(qū)域?qū)@得全面的推廣應(yīng)用；

（2）鋰電池商用車僅僅在局部特定運(yùn)營場景進(jìn)行批量應(yīng)用，商用車全面鋰電化的推廣面臨巨大的挑戰(zhàn)；

（3）車用鋰電池的回收和梯次利用將會成為行業(yè)的瓶頸。

鋰電池未來應(yīng)用前景不是絕對不變的，國內(nèi)外正在積極開發(fā)下一代鋰電池。隨著鋰電池材料技術(shù)發(fā)明和電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的革新，未來全固態(tài)電池、鋰硫或鋰鈉電池的產(chǎn)品，在安全、壽命、快充、低溫性能和資源掌控方面取得重大突破，將會真正助推新能源鋰電池汽車的爆發(fā)式增長。

2.4 氫能源發(fā)展?jié)摿薮?/h3>

由于鋰電池面臨礦產(chǎn)資源和產(chǎn)品性能的限制，短期內(nèi)無法徹底解決，而且鋰電池的產(chǎn)業(yè)鏈循環(huán)也面臨較大的挑戰(zhàn)。因此，鋰電池不會是新能源汽車的唯一解決方案，氫能在汽車產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用正在成為汽車行業(yè)和學(xué)術(shù)界研發(fā)熱點(diǎn)。其中，氫內(nèi)燃機(jī)和氫燃料電池是主要方向，對燃料電池的期望值最高。

氫內(nèi)燃機(jī)車輛（Hydrogen Internal Combustion Engine Vehicle，HICEV）通過燃燒氫氣及空氣中的氧產(chǎn)生動力。這種車輛的缺點(diǎn)是相對氫燃料消耗速度快、能效較低、續(xù)駛里程短，燃燒中也不可避免的產(chǎn)生氮氧化物，需要后處理系統(tǒng)進(jìn)行尾氣凈化，氫脆的問題也會影響關(guān)鍵零部件強(qiáng)度和壽命。總體來看，HICEV技術(shù)對汽車產(chǎn)業(yè)升級的意義重大，但需要解決的行業(yè)難題較多。

氫燃料電池系統(tǒng)車輛（Fuel Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV）利用氫及空氣中的氧，借助燃料電池電堆產(chǎn)生電力，通過電機(jī)驅(qū)動汽車。相比之下，這種氫能源車的應(yīng)用場景更為廣泛，也更有效，對汽車產(chǎn)業(yè)升級更有意義。

1839 年，Robert Grove 發(fā)明了世界上第一個(gè)氫燃料電池原型機(jī)，經(jīng)過100多年的技術(shù)發(fā)展和演變，采用氫氣發(fā)電，實(shí)現(xiàn)零排放的氫燃料電池汽車技術(shù)在全球范圍內(nèi)形成了產(chǎn)業(yè)研發(fā)新熱點(diǎn)，以豐田的第1 代和第2代Mirai燃料電池系統(tǒng)，及巴拉德的9SSL和LCS的電堆為代表，全球大部分車企都投入燃料電池開發(fā)業(yè)務(wù)，近年來已經(jīng)開始形成產(chǎn)業(yè)鏈，氫燃料電池汽車產(chǎn)品已經(jīng)開始進(jìn)入傳統(tǒng)汽車市場。

當(dāng)前，我國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)已經(jīng)達(dá)到500 家以上，尤其是在《中國制造2025》[5]以及《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》[8]技術(shù)路線圖的指引下，氫能應(yīng)用于汽車行業(yè)有了更加明確的戰(zhàn)略規(guī)劃和發(fā)展方向，預(yù)測2025 年將實(shí)現(xiàn)50 000 輛的應(yīng)用規(guī)模，2030 年將實(shí)現(xiàn)1 000 000 輛的應(yīng)用規(guī)模，特別是2021年公布的“十城千輛”燃料電池產(chǎn)業(yè)促進(jìn)方案[9]，第1輪勝出的長三角、珠三角和京津冀3大產(chǎn)業(yè)鏈集群區(qū)域，代表了當(dāng)前中國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的水平，其中，尤以長三角區(qū)域的產(chǎn)業(yè)集群最具氫燃料電池產(chǎn)業(yè)示范作用（表1）。

表1 我國第1批燃料電池“十城千輛”示范城市群[9]

2.5 氫燃料電池汽車技術(shù)短板

基于氫能的燃料電池被認(rèn)為是汽車工業(yè)零碳發(fā)展的終極目標(biāo)，但在當(dāng)前和未來一段時(shí)間內(nèi)氫燃料電池汽車技術(shù)仍存在的某些短板。

2.5.1 能量密度低

采用高壓氫和液氫是提高氫能量密度的主要方法，但是面臨儲氫過程能耗高以及相關(guān)設(shè)備制作成本高的核心問題。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氫的密度是0.089 9 g/L，為水的密度的1/11 236，加壓到35 MPa 狀況下，氫的密度達(dá)到24.08 g/L；加壓到70 MPa 狀況下，氫的密度達(dá)到40.01 g/L；更極端的做法是繼續(xù)加壓，并在-252.7 ℃時(shí)，氫氣可變?yōu)橐后w，液氫的密度可增加打到70.8 g/L。使用液氫，車載儲氫系統(tǒng)將變得非常復(fù)雜，并且無法獲得很成熟的傳統(tǒng)燃油車?yán)m(xù)駛里程和經(jīng)濟(jì)性[10]。

2.5.2 安全性低

氫原子半徑小，氫氣能穿過大部分肉眼看不到的微孔。在高溫和高壓下，氫氣甚至可以穿過儲罐慢慢地釋放。此外，氫氣非常活潑，穩(wěn)定性差，泄露后易發(fā)生燃燒和爆炸，氫氣的爆炸極限范圍（氫氣的體積占混合氣總體積比為4.0%～74.2%），超高壓氫氣流從微孔泄露出來，在靜電條件下，形成無色的微火焰，可以設(shè)想大量的氫燃料電池乘用車停在地下車庫的極端場景和可能引發(fā)的后果，這就是國家不鼓勵乘用車采用燃料電池作為動力的一個(gè)主要原因。

2.5.3 加氫站資源不夠

依據(jù)測算，建立1 座日加氫能力為1 000 kg 的氫氣站，投資約為1 500～2 000 萬元。預(yù)計(jì)我國2025 年前建成1 000 座，未來將建成10 000 座以上，以便于氫燃料電池汽車使用，同時(shí)同步需要配備管束車或氫氣管道輸送能力，氫的運(yùn)輸成本基本在20～40 元/kg，據(jù)此，氫網(wǎng)絡(luò)能力建設(shè)方面的投入2 000～3 000 億元，運(yùn)費(fèi)也將居高不下。因此，氫能行業(yè)存在一定的投資風(fēng)險(xiǎn)，短期內(nèi)加氫網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與實(shí)際需求不匹配將成為制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸之一，影響產(chǎn)業(yè)的快速、健康發(fā)展，很容易演變?yōu)椤伴L尾”效應(yīng)。

2.5.4 缺乏高效的制氫模式

為滿足氫燃料電池車大規(guī)模上量的需求，氫氣的來源必須解決。當(dāng)前，氫氣制取渠道多種多樣，氫氣可以從煤炭、天然氣、甲醇、電解水、氨和副產(chǎn)氫中獲取氫資源，在工業(yè)上規(guī)模制氫技術(shù)已經(jīng)成熟。

（1）煤炭制氫：煤炭理論含氫量最高達(dá)11%，采用成熟的水熱重整工藝，使用堿金屬催化劑，操作溫度在900～1 000 ℃，氫氣純度達(dá)99.9%～99.99%，消耗的能量轉(zhuǎn)化成氫氣的能量效率為60%～65%，缺點(diǎn)是需要脫硫凈化。

（2）天然氣制氫：天然氣中以甲烷計(jì)算理論含氫量為25%，采用成熟的水熱重整（Steam Methane Reforming，SMR）工藝，使用堿土金屬/稀土催化劑，操作溫度在700～900 ℃，氫氣純度可達(dá)99.9%～99.99%，消耗的能量轉(zhuǎn)化成氫氣的能量效率為80%～85%，缺點(diǎn)是性價(jià)比稍差。

（3）電解水制氫：超純水理論含氫量達(dá)11%，采用成熟的PEM 工藝，貴金屬催化劑，操作溫度在70～90 ℃，氫氣純度可達(dá)99.999%，消耗的能量轉(zhuǎn)化成氫氣的能量效率為70%～80%,缺點(diǎn)是產(chǎn)能低。

（4）甲醇制氫：工業(yè)副產(chǎn)品甲醇理論含氫量為12.5%，采用成熟的POX 工藝，使用堿土金屬/稀土催化劑，或貴金屬催化劑，操作溫度為250～500 ℃，氫氣純度達(dá)99.9%～99.999%，消耗的能量轉(zhuǎn)化成氫氣的能量效率為70%～80%，缺點(diǎn)是工業(yè)副產(chǎn)品甲醇的來源有限。

（5）氨裂解制氫：液氨理論含氫量為17.6%，使用堿土金屬/稀土催化劑，或貴金屬催化劑，采用成熟的AQ 工藝，操作溫度在500～800 ℃，氫氣純度可達(dá)99.9%～99.999%，消耗的能量轉(zhuǎn)化成氫氣的能量效率為70%～80%，缺點(diǎn)是氨是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，短期內(nèi)存在資源限制。

2.6 打造氨能源產(chǎn)業(yè)

氨作為制氫的前驅(qū)體，氨分子中含氫量17.6%，碳含量為0。理論上，它是氫能的最理想的無碳載體之一。我國氨的產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的30%，當(dāng)前市場需求疲軟，氨的產(chǎn)能過剩約為30%，氨的生產(chǎn)工藝成熟可靠，又可以快速的提高產(chǎn)能，所以，采用氨作為燃料電池的氫源是雙贏的戰(zhàn)略。但是，按照國家的《危險(xiǎn)化學(xué)品安全管理?xiàng)l例》[11]規(guī)定的內(nèi)容（表2），氨被列為危險(xiǎn)化學(xué)品序列，在生產(chǎn)運(yùn)輸和使用環(huán)節(jié)需要有關(guān)部門進(jìn)行重點(diǎn)的監(jiān)管。為此，以氨為抓手打造氨能產(chǎn)業(yè)，需要科學(xué)的規(guī)劃。

表2 氨的屬性和分類[12]

3 氨作為汽車工業(yè)能源的適用性分析

氨燃燒時(shí)得到水、氮?dú)庖约拔⒘康牡趸?，裂解時(shí)得到氫氣和氮?dú)猓邆涑Ｒ?guī)燃料所需的廉價(jià)、易得、易揮發(fā)、便儲存和高熱值的優(yōu)點(diǎn)，作為化石燃料的潛在替代品，未來有可能伴隨氫能經(jīng)濟(jì)而誕生氫氨融合產(chǎn)業(yè)。

氨已經(jīng)被美國能源部（DOE）和日本氫能協(xié)會（JH2A）列為未來全球最具潛力的無碳能源，它已在船舶運(yùn)輸、發(fā)電、分布式儲能（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）領(lǐng)域進(jìn)行了積極的嘗試，如果能夠保證大規(guī)模生產(chǎn)供應(yīng)，理論上，氨可以取代很大一部分石油燃料消耗。

3.1 氨的理化特性

氨的存在形態(tài)有氣態(tài)氨和液態(tài)氨，在一定的物理?xiàng)l件下可以實(shí)現(xiàn)相態(tài)轉(zhuǎn)換。

氨主要缺點(diǎn)包括：腐蝕性和強(qiáng)揮發(fā)性（表3、圖1）。液氨揮發(fā)成氨氣所帶來的刺激性氣味，操作者是直接受害。因其高揮發(fā)性并伴有刺激性氣體，氨的泄漏非常容易被覺察和控制，不易引發(fā)惡性事故，與氫氣的無色、無味以及燃燒時(shí)無色火焰，形成鮮明的對比[13]。

表3 高純液氨的理化指標(biāo)

圖1 氨的蒸氣壓曲線（揮發(fā)性與溫度關(guān)系）[14]

3.2 氨的熱物理特性

液氨儲運(yùn)網(wǎng)絡(luò)健全，儲運(yùn)條件要求不高，不像高壓氫氣和液氫那樣苛刻。氨的流動性與汽油相近，計(jì)量控制比照汽柴油（高熱值為47.3 MJ/kg），其高熱值（22.5 MJ/kg）約為汽油的50%，與甲醇相當(dāng)，氨和其它燃料的熱物理特性見表4。

表4 氨和其它燃料的熱物理特性

3.3 氨能源的技術(shù)優(yōu)勢

零碳是氨作為能源的最大潛力和優(yōu)勢（圖2）。此外，相對于甲醇、乙醇、天然氣和煤炭等其它含氫燃料，氨裂解過程中的能量消耗較低，也是因?yàn)榘辈缓迹虼丝梢院喕绷呀庵茪洵h(huán)節(jié)的碳捕集和一氧化碳凈化工序，整體上保證氨能的成本和技術(shù)優(yōu)勢[15]。

圖2 常規(guī)的含氫前驅(qū)體的能量分析

3.4 氨作為能源的應(yīng)用場景分析

3.4.1 氨資源和經(jīng)濟(jì)性分析

氨的合成制備是依據(jù)Haber-Bosch 工藝進(jìn)行，當(dāng)前已經(jīng)發(fā)展到第3 代工藝技術(shù)，大規(guī)模生產(chǎn)很成熟[16]。目前，汽油價(jià)格大約在7元/kg，而高純液氨的價(jià)格為3～3.5 元/kg。假如對國內(nèi)的氨產(chǎn)業(yè)重新進(jìn)行規(guī)劃，提升產(chǎn)能，穩(wěn)定氨的市場價(jià)格，把氨定義成一種燃料和儲氫材料在經(jīng)濟(jì)上是科學(xué)合理的。此外，構(gòu)建一個(gè)全新的氨能產(chǎn)業(yè)鏈，既能緩解一些能源緊張局面，也能促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新[17]。

3.4.2 氨直接燃燒

氨作為燃料直接燃燒已相對成熟。它可以無障礙的用于船舶、電站和鐵路內(nèi)燃機(jī)，無需摻混，直接燃燒輸出動力，在船舶上有較多的應(yīng)用實(shí)例。歐洲和美國也在積極建設(shè)大型的固定式氨能發(fā)電站。此外，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）將啟動“綠色創(chuàng)新基金”，投入320 億日元開發(fā)“下一代船舶”項(xiàng)目，整合多家日本企業(yè)，推進(jìn)以氨或氫/氨復(fù)合的能源模式，為先進(jìn)船舶內(nèi)燃機(jī)提供燃料和動力技術(shù)，項(xiàng)目實(shí)施周期為2021—2030 年。當(dāng)前，氨作為燃料直接供給內(nèi)燃機(jī)燃燒，還存在問題，例如，車載液氨，而噴射到燃燒室之前必須是氣態(tài)氨，由于液氨的汽化潛熱高達(dá)1 370 kJ/kg，明顯的高于汽油的汽化潛熱（348.7 kJ/kg），這樣，液氨的氣化就需要消耗較多的熱量，明顯的降低了缸內(nèi)溫度。另一項(xiàng)問題是氨的燃燒熱值為18.8 MJ/kg，又明顯的低于汽油的燃燒熱值（43.4 MJ/kg），為彌補(bǔ)這方面的不足，就需要額外的噴射更多的氨，更降低了燃燒室的溫度，影響幅度高達(dá)100℃左右，燃燒性能會惡化。

3.4.3 氨的摻燒

國內(nèi)外學(xué)者對氨在內(nèi)燃機(jī)中的摻燒進(jìn)行了很多研究，例如，使用40%～60%比例的氨替代部分柴油應(yīng)用于壓燃式發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)不需要大的改動，只需完成燃料供給系統(tǒng)的匹配、性能測試以及排放污染物的特性標(biāo)定，就可以進(jìn)行產(chǎn)品應(yīng)用。這些研究結(jié)果表明，經(jīng)過重新匹配標(biāo)定后，氨摻燒的發(fā)動機(jī)性能完全可以滿足應(yīng)用目標(biāo)要求。但氨活潑性很強(qiáng)，高溫下與氧氣發(fā)生部分氧化反應(yīng)，會生成氮氧化物，以及氨可能存在瞬時(shí)逃逸。此外，游離的氨可以輕易地與尾氣中的酸性氣體反應(yīng)生成銨鹽，使顆粒物(PM)排放惡化。因此，這類氨摻燒發(fā)動機(jī)研究積累方面，還存在若干的空白點(diǎn)，需要精細(xì)的燃燒和排放后處理系統(tǒng)閉環(huán)控制。在GDI PSA 發(fā)動機(jī)上也進(jìn)行了氨的摻燒研究，在以H2的當(dāng)量體積比為10%，計(jì)量氨的摻入比例，工況下燃燒平穩(wěn)，排放污染物中的氮氧化物可以減少40%[18]。另外，在進(jìn)行氨氣摻燒天然氣的測試中，出現(xiàn)新的問題，例如，傳統(tǒng)的后處理系統(tǒng)，是依靠CO 來促進(jìn)NO 轉(zhuǎn)化，氨摻燒后，在某些工況下NO 排放增加幅度明顯，并出現(xiàn)一定的NH3逃逸，從式（8）～式（10）可看出這種問題。在國內(nèi)外已有的研究中，沒有對氨燃料其它使用中的問題進(jìn)行分析，例如，由于燃料和氨燃燒中產(chǎn)生水，停機(jī)后，氨分子將生成銨離子（NH4+），發(fā)動機(jī)內(nèi)部裸露部件將處于氣相腐蝕的環(huán)境，而互相嚙合的部件之間將處于液相腐蝕的環(huán)境，因此，發(fā)動機(jī)內(nèi)部較大可能會存在電化學(xué)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，銹蝕也不可避免。此外，發(fā)動機(jī)潤滑油添加劑中一般都會應(yīng)用石油磺酸鈣/鎂鹽或高分子胺鹽作為清凈分散劑，游離的氨與這些化合物具有高度的親和性和相容性，從而使氨在潤滑油中產(chǎn)生累計(jì)，改變總堿值，促使?jié)櫥腿榛?/p>

3.4.4 直接應(yīng)用于SOFC

SOFC 是一種將燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的全固態(tài)電化學(xué)發(fā)電裝置，能量轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)到60%左右。假如對產(chǎn)生的熱進(jìn)行采集，熱電聯(lián)供效率可達(dá)到80%以上，是目前最為前沿的一代燃料電池技術(shù)。在固體氧化物燃料電池的陽極一側(cè)通入氨氣，通過陽極的多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陽極與電解質(zhì)的界面，在陰極一側(cè)通入氧氣或空氣，陰陽極聯(lián)合反應(yīng)發(fā)電，同時(shí)產(chǎn)生熱量[19-20]。很多國家普遍把SOFC 作為一種戰(zhàn)略儲備技術(shù)，如美國的Bloom Energy公司，日本3菱和日立公司，德國博世公司，以及中國濰柴動力公司。

3.4.5 固定站內(nèi)的氨制氫

根據(jù)GB 50516《加氫站技術(shù)規(guī)范》（GB 50516 住建部已修改）[21]，為氫燃料汽車而建立的加氫站，出于安全和消防的考慮，一般選址在遠(yuǎn)離居民區(qū)的空曠區(qū)域，不具備汽柴油加油站區(qū)位的方便性，采用固定式的站內(nèi)氨制氫，就可以消除高壓氣氫和液氫的運(yùn)輸、卸氣、存儲、加氣環(huán)節(jié)的環(huán)境安全隱患。氨制氫包括氨直接裂解制氫和氨水的電解制氫2種方式，前提是必須開發(fā)安全可靠、小型化、模塊化、自動化的小型制氫裝置，具備標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下300～1 000 m3/h的工業(yè)級制氫能力。

3.4.6 車載直接氫燃料電池

如前所述，氨在催化劑作用下，可以分解出氫氣，滿足質(zhì)子交換膜的燃料電池的用氫需求[9]；在此方面，國內(nèi)外已經(jīng)有較多的嘗試。廈門大學(xué)研制出了隨車的氨制氫裝置，采用的技術(shù)方式包括氨熱裂解和氨水電解2種，采用緩沖罐來代替高壓儲氫瓶，可以提高車輛的續(xù)駛里程[22]。直接的車用氨燃料電池僅處于樣機(jī)階段，耐氨的燃料電池材料體系和單電池的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作仍處于空白，驗(yàn)證較少，真正的走向?qū)嵱没?，仍面臨多方面的技術(shù)壁壘。

4 氨能源推廣技術(shù)路線圖設(shè)計(jì)

4.1 以煤炭為基礎(chǔ)，優(yōu)化制氨和碳捕集

中國的自然資源是缺油、少氣，而煤炭儲量相對豐富。從圖3 中可以看出，我國的天然氣價(jià)格波動較大，而煤炭價(jià)格相對平穩(wěn)，如果把煤炭作為實(shí)施綠色氨氫能源的抓手，就可以把我國的氨氫能源之路與Iowa Energy Center 描述的圖4 中的能源演變的3 個(gè)階段有機(jī)結(jié)合[23]。當(dāng)前，解決好化石燃料的高效、低污染利用，做好氨氫能源1.0 基礎(chǔ)工作，大力發(fā)展綠色可再生氨氫能源，謀劃氨氫能源2.0藍(lán)途。

圖3 歷年來我國的煤炭以及天然氣價(jià)格走勢

4.2 打造氨氫融合1.0的產(chǎn)業(yè)鏈

2022—2035 年我國處于能源結(jié)構(gòu)3 個(gè)階段中從化石能源向綠色可再生能源過度期，做好戰(zhàn)略規(guī)劃，積極開展傳統(tǒng)化石燃料的高效利用，積極促成碳捕集技術(shù)落地，積極開展綠色能源技術(shù)開發(fā)與轉(zhuǎn)化成為當(dāng)務(wù)之急（圖4）。按照圖5 的模式，氨氫融合1.0 的產(chǎn)業(yè)鏈以氨為抓手，減少灰氨和灰氫使用，逐步增加綠氨和綠氫，架設(shè)從氨到氫的能源橋梁，較好契合國家的2035年碳達(dá)峰路線圖。

圖4 能源發(fā)展的3個(gè)階段[23]

圖5 在2035年前氨能技術(shù)模式

4.3 規(guī)劃氨氫融合2.0的產(chǎn)業(yè)鏈

如圖4 所示，規(guī)劃好從2022—2035 年的戰(zhàn)略規(guī)劃與產(chǎn)業(yè)落地工作，積極開展傳統(tǒng)化石燃料的高效利用，促成碳捕集技術(shù)落地，積極開展綠色能源技術(shù)開發(fā)與轉(zhuǎn)化（圖6）氨氫融合2.0 的產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)且园睘樾碌淖ナ?，打通從氨到氫的能源橋梁，完全?shí)現(xiàn)綠色氫能的全覆蓋，較好契合國家的2060年碳中和路線圖。

圖6 在2060年前氨能技術(shù)模式

4.4 氨氫融合推進(jìn)整體思路

美國能源部（DOE）預(yù)測到2030 年美國的能源架構(gòu)是：氨能占19.4%、氫能占17.8%、電力占15%、天然氣占15%和生物燃料占15%。未來的能源多樣化戰(zhàn)略中，我國汽車產(chǎn)業(yè)對氫會有很大需求，但是，氫能存在的幾個(gè)瓶頸問題短期內(nèi)難以徹底解決。因此，氨能源會扮演重要的角色。采用已有的技術(shù)積極發(fā)展和完善氫能，打通環(huán)節(jié)，借助氨的生產(chǎn)資源和輸送網(wǎng)絡(luò)能力，促進(jìn)氫能和綠色能源快速起步，建立氨能源體系[24]（圖7）。氨和氫協(xié)同發(fā)展（圖8），打造綠氨能源新體系解決單一氫能源存在的長尾難題，氨將在未來能源體系中起到承載氫能的橋梁作用，市場前景廣闊。

圖7 氨能源體系架構(gòu)

圖8 氨氫融合推進(jìn)中的3個(gè)產(chǎn)業(yè)階段劃分

4.5 車用氨能源的安全使用規(guī)范

4.5.1 生產(chǎn)和儲運(yùn)端

已經(jīng)有成熟的管理規(guī)范和輸送網(wǎng)絡(luò)，雖然有偶發(fā)性的氨泄漏事故，但這方面的管理較成熟，風(fēng)險(xiǎn)較小。

4.5.2 加注端

把氨引入并應(yīng)用于運(yùn)輸行業(yè)的能源領(lǐng)域，總體上，它的安全性優(yōu)于液化石油氣，與汽油相當(dāng)[25]。要強(qiáng)調(diào)的是，一方面，涉及到應(yīng)用端的加注環(huán)節(jié)，氨的揮發(fā)性和危害性遠(yuǎn)高于汽油，傳統(tǒng)燃油的加注流程和加油槍不適合液氨的加注，傳統(tǒng)的車載碳罐也不適合加注液氨過程的氨氣回收；另一方面，把氨能鏈條再延伸到制氫端，并推廣開來，仍缺乏大規(guī)模工業(yè)化實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累。此外，氨雖然不是溫室氣體，但是它可以與環(huán)境中的氮氧化物和碳氧化物反應(yīng)生成微粒，間接促進(jìn)了空氣中霧霾的生成，也應(yīng)該引起足夠的重視。

4.5.3 使用端

目前，汽柴油的加油站在空氣中彌散微量的油蒸汽，人們可尚且可以適應(yīng)。但如若氨在使用環(huán)節(jié)有微量的溢出，人們便會感受到不適，長此以往將導(dǎo)致皮膚、眼睛和呼吸道等器官遭受侵害。氨泄漏進(jìn)入水體，也會對水生物產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的危害。當(dāng)前，業(yè)界還沒有這方面的研究積累。此外，氨能燃料的汽車與《中華人民共和國道路交通安全法》[26]以及《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評價(jià)指南》[27]的某些條款規(guī)定不能夠相適應(yīng)。因此，車載液氨系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍面臨不少難題。一個(gè)切實(shí)可行的技術(shù)措施是采用車載固體氨技術(shù)，即采用無機(jī)氯化物，實(shí)現(xiàn)氨的吸附儲存，儲氨量可以達(dá)到液氨當(dāng)量的92%，安全可靠，可以無障礙應(yīng)用。

5 結(jié)論和建議

（1）成立國家級的氨能源推進(jìn)組織

能源體系是國家的大戰(zhàn)略，能源技術(shù)是國家的大舉措，預(yù)計(jì)氨能將在我國未來的能源版圖上占據(jù)主要的位置；鑒于此，應(yīng)設(shè)立國家級的氨能源推進(jìn)組織機(jī)構(gòu)，聯(lián)合院校、車企、鐵路、船舶、農(nóng)機(jī)、礦山、行業(yè)協(xié)會/學(xué)會、氨廠、社會資本等力量，開辟能源新賽道，更好地服務(wù)于國家的減碳戰(zhàn)略。

（2）組織制定氨能源1.0技術(shù)路線圖

按照科學(xué)發(fā)展觀，一切發(fā)展規(guī)劃都要結(jié)合中國的國情，氨能具備無碳化的特征，氨能源將在未來的綠色能源發(fā)揮更大的作用。相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)組織制定中國氨能1.0技術(shù)路線圖，并盡快向國內(nèi)外發(fā)布。

（3）加快推進(jìn)相關(guān)氨能源的技術(shù)開發(fā)

針對2022—2035年第一階段，采用國家資助的方式，聯(lián)合國內(nèi)外分布式科研資源，要優(yōu)先解決好以下關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)：

a.煤炭高效制氫技術(shù)和裝置；

b.多維度碳捕集技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用；

c.綠氨制備工藝技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用；

d.智能小型化站內(nèi)氨裂解制氫技術(shù)和裝備；

e.智能小型化站內(nèi)氨水電解制氫技術(shù)和裝備；

f.氨燃料燃燒學(xué)；

g.氨燃料內(nèi)燃機(jī)的后處理技術(shù)；

h.氨燃料電池技術(shù)和產(chǎn)品化平臺。

（4）適時(shí)組織批量示范

在1.0 的攻關(guān)階段，適時(shí)的組織院校進(jìn)行原型機(jī)的演示和應(yīng)用示范；組織車企進(jìn)行氨能內(nèi)燃機(jī)/氨能車輛的演示和應(yīng)用示范；組織鐵路機(jī)車的演示和應(yīng)用示范；組織船舶動力的演示和應(yīng)用示范；組織農(nóng)業(yè)機(jī)械的演示和應(yīng)用示范；組織礦山對煤炭制氫新技術(shù)的演示和應(yīng)用示范，組織氨生產(chǎn)企業(yè)對綠氨生產(chǎn)技術(shù)和裝備的演示和應(yīng)用示范；組織社會資本對氨燃料電池的產(chǎn)品演示和應(yīng)用示范。