著述信息巨乳

“双碳”野心下的氨能本事与经济性扣问进展

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扣问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”野心下的氨能本事与经济性扣问进展[J]. 化工进展, 2023, 42(12): 6226-6238.

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

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纲目：

由于氨的高能量密度和零碳性格，其手脚氢能和可再生能源载体具有考究的未来市集。氨比氢更易储运且内容安全性强，有望成为推动能源翻新、社会跳动和国度发展的零碳能源发展路子之一。本文从氨能的全产业链角度开赴，先容了合成氨产业发展趋势以及各种合成氨本事的最新进展和成本经济性；列举了咫尺氨的主要储运神气、后果、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、氨燃气轮机等本事体系发展近况和燃料成本经济性，以及氨阐明制氢后果和出产成本上风。通过上述本事和经济性分析，探讨了氨能在能源系统中的重要作用，进一步梳理了氨能本事发展标的。

凭据《巴黎协定》，中国建议2030年前收场碳达峰和2060年前收场碳中庸的“双碳”野心；欧盟高兴到2030年将温室气体排放水平至少训斥40%，这个野心最近被提议加多到2030年至少减少55%。鉴于这些野心以及全球碳中庸配景，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，氢手脚一种清洁的可再生能源受到了等闲的关切，列国纷纷对有关本事伸开扣问。手脚一种高效、安全、经济的氢能载体，日本在2021年10月发布的第6版《能源计策辩论》中，初度引入氨能产业布局，建议氨能见识。氨手脚储能和储氢载体，其出产和应用的本事聘用多种各种，况且氨手脚无碳化合物，废弃产物纯洁无碳，因此不错手脚清洁能源奏凯废弃使用。氨最初被用于硝酸、制冷剂、氮肥等居品的化工原料，近几年跟着氨能产业的不休发展，其合成、储运以及新能源应用范围的有关扣问也越来越等闲。未来氨能的能源路子将围绕绿色能源-合成氨能-裂解制氢能/奏凯氨能-末端场景能源结构进行过渡发展并不竭，催生出一系列的氨能产业链。

1

合成氨本事发展及经济性

炫耀零碳需求“氨经济”的收场需要三代合成氨本事的开发和迭代（图1）。第一代本事以“蓝氢”为原料，以确保哈伯（H-B）制氨进程中的二氧化碳捕集与封存（CCS）；第二代本事以可再生能源出产“绿氢”为原料，通过哈伯法收场“绿氨”合成；第三代本事通过买卖领域的氮电规复奏凯制氨，来幸免产氢时局和哈伯工艺的使用。咫尺，第一代和第二代本事的主要阻止开端于碳排放和成本问题，第三代本事则主要受限于后果、老到度、可行性等问题，但跟着全球“氨经济”路子与本事的快速发展，这些问题将有望得到有用贬责。

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图1　合成氨本事路子发展趋势图

1.1

亚洲日韩

第一代合成氨本事

1909年，由Fritz Haber和Carl Bosch发明的哈伯工艺收场了全球96%以上的氨出产，成为了20世纪最主要的合成氨工艺。该工艺平常以化石能源（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勾搭，在铁或钌催化剂的作用下，使氢气和氮气在高温高压条款下发生化学反映合成氨。咫尺，哈伯工艺仍被等闲应用于化肥出产，极猛进度上贬责了宇宙食粮问题，并通过对反映催化剂的不休改进，收场了氨的高效合成。联系词，防守高温高压现象所需的多数能量以及工艺进程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浪掷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%。在畴前100年里，氨出产本事不休发展，但如故全球温室气体排放的重要开端。由煤气化转向甲烷蒸汽重整（SMR）的氨出产本事收场了碳排放的训斥以及热损成仇能源需求的减少，而CCS本事的应用进一步缓解了工艺进程二氧化碳的排放，所制得的氨也被称为“蓝氨”。国外能源署（IEA）对一系列CCS本事应用于甲烷蒸汽重整合成氨本事进行经济性分析得出，CCS不错减少SMR制氨进程中50%~90%的碳排放量，但工艺复杂性和成本呈现不同进度的加多。

1.2

第二代合成氨本事

自哈伯工艺等闲应用以来，全体能源后果由36%提升到了62%~65%，但出产进程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本事出现，所制得的氨被界说为“绿氨”。可再生能源合成氨本事通过化石能源替代一定进度上贬责了碳排放问题，其中电化学合成氨本事以其私有上风受到等闲关切。该本事通过可再生电能收场氨合成，具有低压痴呆耗、清洁无混浊、零碳排放等优点，是极具后劲的惯例氨合成替代方法。咫尺，凭据电解质类型不同，电化学合成氨本事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见识的水电解槽，接纳固体磺化聚苯乙烯膜手脚电解质，形成了团员物电介质膜或质子交换膜水电解见识。该本事平常接纳Nafion膜在室温下收场质子的高效传递，用于勾搭氢原子产生氢气。Lan等在环境温度和压力下，以Nafion膜手脚固态电解质，氢气和氮气为反映物，收场了法拉第后果高达90.4%的氨合成。Chen等通过改进PEM反映器结构有用贬责了氨穿透问题，同期扼制了阴极析氢反映的发生，收场了PEM制氢合成氨本事的优化。

在应用层面，Proton Onsite等公司开发了具有75%高热值后果的兆瓦级PEM水电解槽系统，在电能充足或可有用将太阳能移动为电能情况下，收场了领域化的电化学合成氨出产。Ozturk等对土耳其某太阳能光伏氨出产厂进行评估，得到使用含PEM电解槽的制氢合成氨系统的最大能量和㶲后果区分为26.08%和30.17%。Adam等通过PEM水电解制氢，变压吸附空气分离装配制氮，勾搭哈伯反映器收场氨出产，以现场风力涡轮机产生电力为水电解和哈伯进程提供能源，每天可出产约30kg的氨。

（2）AWE制氢合成氨

PEM本事接纳的Nafion等酸性膜不错与弱碱性氨发生反映，导致质子传导率训斥。而碱性环境能有用训斥氨与膜的反映性，并允许使用低成本活性催化剂，因此AWE本事成为了PEM本事的有用替代之一。AWE制氢电解质平常为25%~30%浓度的KOH溶液，电解反映在碱性低温环境下进行。与PEM本事比拟，AWE本事腐蚀更容易限制，因此成为了工业出产首选。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造了多个容量高达165MW的碱性电解工场。

跟着可再生能源成本下跌，AWE制氢、合成氨本事受到等闲关切。Grundt等评估了1970年代的水力发电遐想，其中碱性水电解制氢在80℃下运行时的峰值后果大于60%。Bicer等扣问标明，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，电解槽运行后果为60%，算计出产每吨氨可产生0.12~0.53t的二氧化碳。相较于其他水电解本事，AWE电解槽相对低价，粗略收场元件成本训斥80%；相较于PEM本事，AWE电解槽系统治域更大，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本事的电解槽（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。与传统电解槽比拟，SOEC在电解制氢气方面具有超卓性能，能以更高的功率密度和后果（76%~81%）运行，尤其在高温废热环境下，水电解制氢进程收场了热量存储。材料的历久性和融会性是SOE制氢本事的重要挑战。Nayak-Luke等通过集成SOE电解槽出产氢气和氮气，再由哈伯工艺合成氨，充分哄骗废热可将系统总后果提升到70%以上。Cinti等将制氢用SOE与改进型哈伯反映器勾搭，以可再生能源电力合成绿氨，其高后果SOE将合成每千克氨的耗电量降至8.3kWh，同期收场了哈伯反映器热量回收。Harvego等开发了以核反映堆为能源的SOE制氢装配用于绿氨合成，总计这个词系统的能源后果为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出产应用。咫尺，托普索蚁集FIRST AMMONIA公司启动了全球最大的电解槽制氢合成氨方式，初度收场了工业领域的SOEC绿氨出产。

从本事层面来看，传统哈伯工艺后果高、成本低，但多量能耗和温室气体排放是该工艺的过失。PEM本事具有高功率密度、高电流密度、高纯度等上风，但存在催化剂材料价钱高、历久性差、寿命低等本事问题；AWE为最老到的电化学制氢合成氨本事，投资成本低，但存在电流密度低、功率密度低、电极结盐等过失；SOE本事后果高、成本低，也被以为是最具长进的绿氨出产方法，但本事老到度低，仍处于预买卖化阶段。因此，电化学合成氨本事还有很长的路要走。表1为电化学合成氨工艺与传统工艺成本对比情况（假定氨出产领域为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后果低，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，通过限制电价和可再生能源上风哄骗，其出产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本事。

表1　制氨工艺成本对比

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1.3

第三代合成氨本事巨乳

第三代本事通过奏凯或介导神气，以可再生绿色能源为电力供应，驱动氮电规复合成氨。该本事不再需要哈伯工艺，原料无碳无残害且获取途径等闲，以H2O替代H2手脚氢源，幸免了化石能源的使用。电化学氮规复反映（NRR）进程中，电催化剂奏凯将电子和质子添加到N2分子来产生氨分子，能量浪掷比哈伯工艺更少，且反映进程肤浅安全，大大加多了氨制备的无邪性和可合作性。

本事扣问方面，Mcenaney等通过改造电极结构对NRR工艺进行优化，研发了电化学锂介导的氮规复反映。该方法对合成氨具有主要聘用性，除使用锂金属手脚反映物资外，还接纳酒精手脚糟跶质子供体，引入鏻

盐手脚质子穿梭机，在领有接近工业水平的电解电流密度同期，得到了88.5%的高电流后果，提升了氨的产率（图2）。2017年，Zhou等对另一项合成氨工艺进行扣问，通过勾搭疏水、高氮溶化度离子液体（IL）电解质和纳米结构铁基电催化剂，以高N2溶化度离子液体为电解质，收场了环境温度和压力条款下高达60%法拉第后果的NRR制氨进程。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扣问，以盐酸手脚电解质，Pt和Ag/AgCl区分手脚对电极和参比电极，考据了Ru-NP粗略在盐酸水溶液中以高能量后果收场NRR进程。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反映合成氨。该工艺氨合成速率高达10-6mol/（cm2·s），压力远低于传统哈伯反映器，不错减少25%以上的能量浪掷，训斥了总系统成本。

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图2　电化学氮规复合成氨暗示图

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图3　低压膜法合成氨暗示图

从内容上看，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%），更重要的是幸免了哈伯工艺工场的高能源浪掷和资金插足。即使在NRR工艺60%的能源后果基准上，商量到其对哈伯工艺的能源成本和老本成本的检朴，也显著比电解水工艺80%的能源后果更经济。相同，NRR工艺的主要出产成本受电价影响。咫尺，NRR制氨本事远未达到出产和储能层面上的经济可行性，开发高效的NRR制氨本事将赢得广宽的潜在答复。

2

氨能储运本事近况及经济性

2.1

氨能储存

当氨防守在8.58bar压力时，不错在20℃环境温度下进行液态储存，平常氨储存容器在17bar压力下运行，以保抓液体现象。而氢气储罐的最大职责压力为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，加多了存储成本。与氢气储存系统比拟，氨储存系统浪掷能源更少、运行后果更高、成本更低。其中，氨储存系统的后果为93.6%，而氢气储存系统的后果为76.9%。基于成本商量，氨和氢的大领域储存平常接纳低温神气，满盈低温度的氨（-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，氨储存所需能量梗概为氢的五分之一；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分内别为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勾搭，氨和氢的总储存成分内别为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，氨和氢的储存成分内别为0.06USD/kg H2和1.97USD/kg H2，成本各异仍然约是30倍。Rouwenhorst等扣问发现，氢储存成本跟着储存时候加多而显赫加多，而氨储存成本则随存储时候基本保抓不变。Palys等对氨可再生能源存储系统的本事经济性进行分析，发咫尺风力发电后劲大或季节性发电需求各异较大的城市使用氨储能比氢储能的成本低0.12USD/kWh，若将氨与氢本事勾搭，储能成本为0.17~0.28USD/kWh，阐明了可再生能源绿氨投资的可行性，以致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，氨产量随东说念主口增长而快速加多，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，氨的主要出产国为中国、印度、俄罗斯和好意思国，并在全球范围内进行交往。由于地舆位置很是性，日本、特立尼达、多巴哥等氨相差口商主要通过海运进行贸易。海运手脚最具成本效益和能源后果的散装货色运送类型，在全球氨贸易市集占据主导地位，卓越10%的氨接纳海运进行贸易。氨的远洋运送不错接纳加压或低温储罐，现存远洋船舶粗略收场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，氨的蒸发气亏空极小且无碳，是一种优质高效的远洋能源运送载体。咫尺，凭据距离和燃料成本，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行，该运送成本将呈现显赫下跌。

2.3

陆上运送

按照交通用具不同，氨的陆上运送神气主要分为管说念、公路、铁路、水路4种。其中，液氨管说念是一种低风险、设施完善且成本效益高的运送神气，在长距离输送中更具上风。长输液氨管说念在全球范围内卓越6000km，如好意思国海湾中央液氨管说念长度为3200km，每年输送290万吨氨，俄罗斯托利亚蒂-敖德萨液氨管说念长度为2400km，每年可输送300万吨氨，这些管说念每吨氨的运送成本约为0.07USD/km。Bartels对氨和氢管说念的运送成本进行经济性分析得出，运送距离为1610km时，氢管说念的运送成本为0.51~3.22USD/kg H2，而氨管说念的运送成本为0.194USD/kg H2（0.0344USD/kg NH3），可见管说念每吨氨的运送成本为0.02~0.07USD/km，氢的管说念运送成本果真是氨的三倍以致多了一个数目级；在不商量氨合成的情况下，氨管说念的运送后果为99.2%，而氢管说念的运送后果为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赫上风。氢庆幸输接纳的高压长管拖车运送才气被截止在340kg H2（48GJ能量），将氢气液化可将运送才气提升至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进程，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亏空率，是咫尺较为不菲的氨运送聘用，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，接纳容量为126.81m3、压力为15.5bar的加压罐，粗略运送77.5t氨（1746GJ能量）。当运送距离卓越2000~3000km时，与公路罐车比拟，铁路或海运是成本效益更高的氨运送神气。

2.4

氨能储运安全

自然危急性远低于氢，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。液氨管说念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说念彭胀变形、东说念主为阻拦形成的疲钝开裂或露馅问题以及埋地管说念腐蚀问题等。2004年，好意思国内布拉斯加州麦哲伦管说念的97t液氨露馅事故曾形成一东说念主入院，1000多条鱼牺牲。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进程的时时相连与断开是其主要安全问题。液氨公路运送一般路过东说念主口密集区域，因此短时候内的有用嘱托瓜代也可能对周围形成严重危害。2007年，四川内江一食物加工场内液氨储罐与槽罐车转存进程中管说念闹翻引起的液氨露馅，曾形成2东说念主迅速遭难，1东说念主要紧抢救以及近邻部分住户中毒。铁路为液氨长距离、高输量运送的常见神气，平常需穿过东说念主口密集地区，由于铁路交通引起的液氨安全问题很少领导周围住户采选有用行为，其事故形成的后果一般是恶运性的。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，对近邻11600多名住户的眼睛和肺部形成了不同进度毁伤。水路通过内陆河流收场跨区域长航路的液氨运送，一般隔离东说念主口密集区域，且容易继承露馅液氨，但会对周围生态环境形成弗成逆影响。

Lippmann基于以往液氨运送事故调研，区分通过事故发生的可能性、严重进度以及风险品级对陆上液氨运送神气的安全性进行了分析（表2）。分析标明，总计交通运送神气均发生过事故，但齐不具备极点危急性，其中管说念运送被评定为低风险，驳船运送被以为是中等风险，而铁路和公路运送被视为高风险。

表2　不同运送神气风险评估

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3

氨能新能源应用及经济性

3.1

氨能源燃料

氨手脚一种后劲广宽的新能源燃料，可应用于稍加校正的各种型内燃机、燃气轮机和废弃器，并可奏凯用于燃料电板，故意于推动公路、海运、航空等交通领域的低碳环保。氨的燃料应用最早可雅致到第二次宇宙大战时间，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配景，开展了废弃装配、夹杂废弃、发动机等方面的等闲扣问，并实施了多项本事应用，讲明了氨手脚燃料的实用性。

Zamfirescu等详确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抓续性和经济性，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，阐明了氨燃料显赫的成本和环境效益。本文以公路交通为例，对氨手脚新能源燃料的低碳经济性进行说明。低碳性能方面，氨手脚除氢除外的独一无碳燃料，其废弃产物在空气中的捕集比碳愈加容易、高效且经济，奏凯氮捕集的成本为0.0424USD/kg，而奏凯二氧化碳捕集的成本为0.2~0.5USD/kg。商量燃料的总计这个词出产、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训斥至约0.07kg/km，碳氢化合物裂解氨燃料汽车也可将排放量训斥至约0.15kg/km。经济性方面，各种燃料车的成本经济性对比说明如图4所示。图4(a)标明，与甲醇、氢气、汽油和液化石油气等比拟，氨是车辆单元能量储存成本最有用的燃料；图4(b)标明，在商量燃料市集价钱情况下，与其他化石燃料和新能源燃料比拟，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，氨手脚制冷副居品，故意于进一步训斥车辆运行时间的成本和珍惜，配合买卖可行性高、全球供销体系老到、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有关的燃料电板、内燃机、蒸汽轮机等中枢本事进展和经济性进行全面叙述。

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图4　各种燃料车的能源成本和

行驶成本对比

3.1.1

氨燃料电板

氨手脚一种高能量密度、低成本的曲折储氢介质，是理思的燃料电板本事无碳燃料。凭据氨自己或氨热阐明产生氢气提供燃料神气的不同，氨燃料电板分为奏凯氨燃料电板（DAFC）和曲折氨燃料电板（IAFC）两大类。DAFC电板扣问最早启动于1906年，Cairns等建议了第一个以KOH溶液为电解质的奏凯氨碱性燃料电板。DAFC电板能有用哄骗氨中储存的化学能，奏凯氨固体氧化物燃料电板（SO-DAFC）和奏凯氨碱性阴离子交换膜燃料电板（AEM-DAFC）为咫尺DAFC电板扣问热门，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奏凯用氨的无邪性，因此在大型蚁集供电以及手脚船舶能源电源、交通车辆能源电源等方面具有广大的应用远景。咫尺，日本处于SO-DAFC电板研发最初地位，对该本事触及的反映器催化剂、电极、电解质等方面的优化和性能评估伸开了等闲扣问，国内也对SO-DAFC电板的基本反映能源学模子、实验测量与多物理场模拟方法进行了初步扣问。AEM-DAFC电板以其低温、低成本、高能量密度等特质，成为未来汽车应用的理思聘用之一，频年来受到格外关切。Li等研制了一种氨氧化反映催化剂用于提升AEM-DAFC电板性能，Liu等则开发了阳极和阴极区分由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电板反映机理、性能以及发展标的进行了转头。IAFC电板扣问可雅致到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）因其高后果、经济性、应用广等特质，被以为是最具后劲的发电开辟，亦然IAFC电板的理思聘用和扣问热门。Lin等开发了曲折氨气PEMFC系统物理化学模子，并对其进行了全面的本事经济分析。香港理工大学的Eric Cheng和Molly Li开发和制造了宇宙上第一辆氨能源燃料电板汽车，讲明了曲折氨燃料电板的可行性，况且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显著各异，咫尺难以对不同类型燃料电板的奏凯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等对奏凯氨燃料SOFC电板的本事体系与上风伸开详确扣问，并通过以自然气为制氨原料的燃料电板成本估算后发现，自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（遐想、安装、珍惜等）随本事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）显赫低于柴油发电机组（0.28USD/kWh）。Lin等通过不同电力系统燃料成分内析得出，近两年氨原料价钱下的IA-PEMFC系统发电和车用燃料成分内别为0.13USD/kWh和0.024USD/km，均显著低于传统汽柴油内燃机；未来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分内别为0.23USD/kWh和0.043USD/km，比曲折氢和甲醇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袖珍机车的氨发动机，为后续氨内燃机的扣问和改进奠定了表面基础。由于石油供应截止，氨内燃机在二战时期一忽儿兴起，Casala初度收场了氨内燃机的工业领域应用，Norsk Hydro和Gazamo则接踵开发了氨燃料皮卡车和众人汽车。频年来，受国外油价和环保政策影响，以氨替代化石燃料的内燃机（ICE）扣问再次引起等闲关切，多家公司在汽车领域开展了氨燃料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借助火花塞点火空气燃料夹杂物，平常为汽油发动机；CI通过汽缸内机械压缩热量点火喷射燃料，平常为柴油发动机。由表3氨与其他碳氢燃料的废弃性格对比可知，自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年最早启动了氨燃料SI发动机的扣问测试，给定了其部分性能优于汽油发动机的压缩比；氢气具有废弃速率快、扩散性好、点火能量低等特质，十分稳健与氨夹杂废弃，在氨中添加废弃性能较好的氢气能有用改善氨燃料的废弃，提升废弃速率及拓宽可燃性极限，而且氨氢夹杂废弃相同不会产生二氧化碳，联系词纯氨和氨氢夹杂燃料SI发动机热后果仍低于汽油发动机。咫尺，添加含氧燃料被以为是提升氨SI发动机性能的有用方法，Haputhanthri建议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，韩国能源扣问所通过添加限制系统和去除易腐蚀金属配件，将LPG-汽油装配校正为氨（70%）‍-汽油（30%）装配，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发动机需要高职责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岁首度收场了柴油-氨双燃料CI发动机的运行。Reiter等和Lasocki等扣问标明，柴油-氨夹杂双燃料CI发动机比纯柴油发动机热后果高约10%且CO排放量低。Hogerwaard等扣问发现，氢赞助柴油-氨CI发动机的能量和用后果略高于纯柴油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检会机点火，为我国第一艘氨燃料能源船研制提供了表面与检会基础。

表3　氨与其他燃料的废弃性格对比

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氨燃料ICE系统成本方面，扣问标明ICE系统中奏凯使用氨的成本为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

氨燃气轮机扣问始于20世纪60年代，但由于本事不及和成本问题导致早期有关扣问甚少。频年来，跟着零碳排放需求提升，氨燃气轮机再次进入群众视线，其废弃后果、融会性和NOx排放等问题再次成为扣问热门。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，收场了卓越25kW的发电量。通过将原型废弃器替换为尺度废弃器，Iki等提升了氨废弃后果（96%），得到了掺氨比影响下的NOx排放划定，收场了100%氨和氨/甲烷夹杂物的废弃发电，考据了氨手脚发电燃料的本事可行性。日本产业本事概括扣问所初度接纳50kWe级微型燃气轮机开发出了低NOx的氨-空气废弃发电本事，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。日本石川岛重工初度收场了掺烧比高达70%的2MW级燃气轮机掺氨混烧，同期截止了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%氨废弃并细密于运行时间的高后果和低NOx排放。欧洲多国扣问机构正在鞭策一项氨燃气轮机方式，旨在接纳氨氢双燃料体系贬责氨的高NOx排放和不充分废弃问题。

3.2

氨阐明制氢加氢

制氢本事方面，甲烷蒸汽重整是咫尺最为老到且占据全球最大制氢量的传统工业制氢本事，该本事需对CO水汽调度进程出产的温室气体进行处理，粗略达到70%~80%的能效和48%的移动率，现实能量成本为2.0~2.5kWh/m3（尺度）。频年来，甲醇以高质料储氢密度（质料分数12.5%）被以为是一种优质制氢化学品，传统甲醇水重整制氢反映温度高（>200℃）且会产生高浓度的CO，形成氧化进程的碳排放。Lian等建议的等离子体甲醇阐明制氢收场了74%的能效、0.45kWh/m3（尺度）的能量成本和88%的甲醇移动率。商量能源后果和环境友好性，氨具有储氢密度高（质料分数17.6%）、阐明产物无碳、易于储运等上风，因此成为了极具后劲的清洁能源制氢本事。下文将对氨阐明制氢本事发展近况和经济性进行详确叙述。

诸多学者开展了不同催化剂以及纯化工艺下的实验和反映机制扣问，用于提升氨阐明制氢性能。Dasireddy等对Cu/Al2O3和Cu/Zn/Al2O3催化剂进行比较，区分得到了73%和93%的氨阐明制氢移动率。Hajduk等接纳高铜催化剂使得氨移动率高达92%。Sato等通过镁铝原子比为6∶1的实验优化，收场了氨阐明反映进程98%的氨移动率。Engelbrecht等通过氨阐明制氢自热微通说念反映器的实验评估，得到了99.8%的氨移动率。近期，跟着氨阐明制氢本事产业化的快速发展，部分学者开展了相应的本事经济性分析。Giddey等对氨哄骗的来往后果进行明锐性分析，并预测电解水氨阐明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等基于韩国出产才气为30m3/h的氨阐明加氢站进行进程模拟经济性分析，得出氨阐明制氢的出产成本为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阐明现场制氢加氢站，收场了大于95%的H2回收率，并通过成分内析发现，氨阐明制氢成本（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路子，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个关键阶段对氨能绿色能源路子以及氨能本事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本事的成本经济性。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限制在0.15~0.22CNY/kWh才能与传统氨合成经济相竞争。未来跟着电改的不休潜入，在太阳能、风能等可再生能源发电本事的鼎力实行以及政策予以补贴扶抓的配景下，当可再生电力价钱为0.1CNY/kWh时，富足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比好意思。

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，概括扣问得出运送距离为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）成分内别为16.93CNY/kg H2、26.09CNY/kg H2和17.10CNY/kg H2，因此液氨船运具有显赫经济上风。在陆上运送方面，液氨罐车的运送才气相较于氢气长管拖车更强，载氢量更高，况且在运送经济上，运氨成本[0.1CNY/（kg·km）]也比运氢成本[2.0~10.0CNY/（kg·km）]更便宜；在不商量氨合成的情况下，氨管说念的运送后果为99.2%，比氢管说念的运送后果（86.9%）更高，且氨管说念的运送成本相当于氢管说念的1/3以致在数目级上呈现显赫的训斥，淌若商量将老到的油气管说念系统校正为液氨输送，其经济效益会更显赫。

氨应用分为奏凯应用本事和阐明应用本事。其中氨奏凯应用本事平常以氨为燃料伸开，包括各种型内燃机和燃气轮机，并可奏凯用于燃料电板。以氨内燃机为例，奏凯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，况且在车辆行驶里程上，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曲折氨质子交换膜燃料电板系统比曲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。氨阐明应用本当事者要指氨阐明制氢本事。传统氨阐明制氢耗能较大且性能较低，新式低温氨阐明制氢本事成本比基于CCS的甲烷蒸气重整制氢成本略高，比其他无碳能源制氢路子，如太阳能热电解、风能电解和光电解制氢成本低15%。

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结语

本文从氨的合成、储运和新能源应用角度开赴，探讨了“双碳”配景下收场“氨经济”的全产业链本事近况和发展趋势，对各项本事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本事通过可再生能源粗略炫耀零碳“氨经济”的需求，所触及的“绿氨”合成工艺粗略收场碳排放量大幅训斥，并对第一代传统制氨工艺成本产生冲击，是一种极具买卖远景的合成氨本事。第三代氮规复合成氨本事在可行性方面还未能达到出产层面需求，但在内容上比以往本事愈加经济、后果，跟着该类本事的日趋老到，将有望成为最稳健“氨经济”路子的关键本事。

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。氨比拟于氢的陆上运送更具上风，氨管说念的运送成本显著低于氢管说念且运送后果高，氨的公路和铁路运送才气（能量）显著高于氢气或液氢。液氨管说念在长距离运送方面成本效益更高，且事故可能性和风险品级更低；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品级高。氨比氢的常蔼然低和气储后果更高、成本更低。

氨能应用方面，氨手脚能源燃料具有显赫的成本和环境效应。其中，氨燃料电板是一种理思的无碳燃料电板本事，未来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、电动汽车以偏执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从容发展奠定了氨在能源驱动和废弃发电方面的本事可行性，为打造零碳经济性需求的氨能源汽车和船舶作念出了紧要孝顺；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，为适合日益壮大的全球化氨能源产业发展和市集需求，我国应制定完善且健全的氨能经济本事路子，合理布局氨的合成、储运和应用全产业链本事，发扬氨能在国度能源计策体系中的作用。

作家简介●●

第一作家：李卫东，博士，副解释巨乳，扣问标的为新能源储运。

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