专访毛宗强教授：“氢基能源——氨”如何担当脱碳大任？

“碳达峰、碳中和”目标为世界能源行业发展提出巨大挑战，绿色能源的开发使用刻不容缓。

氢气被看作是化石燃料的替代品，甚至是“终极能源”（图片来自新浪汽车）

清华大学核能与新能源技术研究院教授毛宗强在接受汽车总站网采访中表示，达到碳中和需要多种能源的配合，氢能发展已成行业共识，与之关联的氢基化合物如果使用得当，也将大有所为，比如氨。

目前，氨的技术和应用，国内外已经做了了许多成功的尝试。

零碳排放：逐渐被认识的“氨”

氨化学式为NH3，可视作氢能载体。同氢相比，氨的储存和运输更加方便、安全且更经济，氨作为氢能载体，其重量载氢能力高达17.6%，体积载氢能力大于液氢。氨应用的安全性和储存运输的方便性能有效降低氢气的输运成本。

氨是一种以氢为基础的化合物。它是肥料的重要成分，也是现代工业的重要原料，医药、人造皮革、尼龙、塑料、氨基酸等有机化合物的合成都离不开它。

氨产量大、含氢量高。根据氨能源协会报告，目前氨每年大约生产2亿吨，是世界上产量第二大的化工商品。

同时，它能量密度大、易于储存运输，可以燃烧且不排放CO2，在绿色能源载体和燃料方面具有很大的潜能。

尤其在“双碳”背景下，作为氢的重要载体，氨正在引起越来越多的关注。

事实上，研究氨充当燃料的试验早已在全球展开。

最早尝试使用氨气开发发动机的科学家是德国的鲁道夫·迪塞尔（Rudolf Diesel），他发明了柴油发动机，是柴油机的发明人，被誉为柴油机之父。Diesel在19世纪后期对氨燃料发动机进行了7年的研究。

1914年，比利时的阿.马克（A.Macq） 提出将氨作为燃料应用于发动机，并将氨成功地应用到从轻型到重型的各种车辆上，其研究发现，在汽油机的压缩比下使用氨燃料应采用增压技术和废气燃料重整技术来满足发动机的动力性能要求。

1960年代，美国国家航空航天局就将氨燃料用在超音速喷射机上，也将一些汽车改装成由氨燃料驱动；

约70家日本国内外的资源能源企业、电力公司、商社、工程企业等与约10个日本国内外的国家和自治体的相关组织、研究机关等于2019年4月成立了以实施这些成果为目的的民间团体——绿氨财团，并已开始活动。

2020年沙特和美国空气产品公司达成了“投建巨型绿色制氢工厂”的合作，预计总投资达70亿美元。该工厂配有装机4吉瓦的太阳能、风能和储能发电系统，2025年投产后有望实现650吨/日的氢产量。为了便于运输和出口，该厂还将应用“氢氨转换技术”，届时还能生产120万吨/年的氨。

2021年,全球最大氨生产商挪威Yara国际公司与挪威可再生能源巨头Statkraft以及可再生能源投资公司Aker Horizons宣布要在挪威建立欧洲第一个大规模的绿色氨项目

此外，中国、澳大利亚、韩国等也都相继推出氨燃料研发项目。

这些国家当中，日本对氨燃料技术的研发与测试成绩比较突出。日本经济产业省所公布的2030年的发电用燃料中，氢和氨将各占10%，到2050年在全球建成1亿吨规模的氨供应链网络。

“中国合成氨产量世界第一，且有成熟的生产、运输和使用规范。”毛宗强表示，“但是将氨实际用作燃料时，也存在一些需要注意的问题。”

一是由于氨的着火温度高（651℃），火焰传播速度慢，氨燃烧的稳定性存疑；

二是由于氨在燃烧会生成氮氧化物，对空气的污染也不能忽视；

三是我国氨的生产目前还以煤炭为主要原料，不仅要消耗大量的能源，而且还排放大量二氧化碳。

如果想要广泛使用氨燃料，就要对可再生能源的“绿氨”技术进行持续研发，用绿氢代替目前氨工业中的煤制氢，即绿氢替代灰氢。

因为氨气有毒且有难闻气味，还需要制定严格的安全规定来防止泄漏。最后，还要对氨燃烧过程产生的有害的氮氧化物要通过可控硅催化转化等技术消除。

毛宗强认为：在烧煤，重油的锅炉中，掺烧一定比例的氨气，会有明显减排效果。因此氨有很多新的用处：①氨作为燃料用于船用内燃机，②氨作为燃料用于锅炉，③氨作为氢载体在目的地用氨制氢，④氨直接用于固体氧化物燃料电池（SOFC）。

交通先行：海运“脱碳”氨燃料或大有可为

正如氢能大面积推广先从交通领域开始一样，对氨燃料的使用，交通领域也可以成为先行“试验田”。

不过与氢燃料电池主要聚焦在汽车领域不同，目前对氨燃料的使用，全球不约而同地选择了远洋航运。

之所以没有在汽车上大面积推广氨燃料，毛宗强认为主要原因是基础设施建设问题，几乎不可想象在已有的汽柴油加注体系之外，再建一套氨加注站系统 (以前在交通系统推进LPG,二甲醚燃料没能成功，缺乏庞大的加注系统是重要原因），次要原因是氨气的强烈刺激性气味也使其难以在汽车上大面积推广。

当然，与汽车有关的一个例也不是没有，韩国能源研究所制造的氨引擎将液化石油气和汽油均转换为汽油。这是一种由70％的氨和30％的汽油混合而成的燃料，研究人员在装有这种发动机的汽车中以60至80 km /h的速度完成了测试。

但毛宗强认为，同样在交通领域，氨燃料在航运业或将大有可为。

一个不争的事实是，减少碳排放已成全球共识，世界各国对低碳航运的需求日益旺盛。

为减少船舶温室气体排放，国际海事组织提出了相应的目标。即，与2008年相比，到2030年，国际航运碳强度要降低40%，到2050年要减半船舶温室气体排放。船舶行业对低碳替代燃料的需求迎来强劲增长。

与汽车相比，船用动力机特别是远洋船舶，需要较大的功率输出。船用动力系统目前主要以燃油为主，会排放大量的二氧化碳是燃油燃料的致命缺憾，据报道：海运产生的二氧化碳排放量占全球二氧化碳排放量的3%至4%，不容忽视；虽然也有采用电力推动的船舶，但其电力来源还是主要来自于柴油发电机组。

相比于其他燃料，氨燃料既能满足船舶大功率运输需求，又具有零碳排放的特性，适合作为船舶燃料。

液氨的密度与汽油相近，虽然其燃烧值仅约为汽油的一半，但辛烷值却远高于汽油，只要增加内燃机压缩比，完全可以提高输出功率。氨内燃机的热效率可达到50%甚至近60%，为通常汽油内燃机的两倍以上。因此，液氨可以成为可取代汽油的燃料，应用在内燃机中。

近年来全球各国都在积极布局氨燃料船舶的研发。2021年1月，韩国船级社发布了关于氨燃料动力船舶的研究报告，该报告从氨的生产和使用、经济效益，氨燃料电池和内燃机等方面对氨的相关特性进行了阐述。

2021年4月，在第二届世界内燃机大会上，中船711（上海船用柴油机研究所）所长董建福表示，业界会开展船用内燃机低碳零碳技术研究，如氨燃料发动机以及氢发动机的关键技术研究，从低碳内燃机逐步过渡到零碳内燃机。

同时，氨燃料在船舶上的使用项目正在全球逐步展开。

2019年底，中国船舶工业集团下属事业单位上海船舶研究设计院18万吨氨燃料散货船，取得了英国劳式船级社的原则性认可(AIP)。该船型全程采用氨燃料推进，满足主机零碳排放要求。

2020年初，马来西亚国际船运有限公司、韩国三星重工、英国劳埃德船级社和德国船机制造商曼恩能源解决方案达成合作意向，将在未来3—4年进行内氨燃料油轮联合开发项目。

现代Mipo造船公司也收到了英国劳埃德船级社要求开发氨燃料船的请求，并计划在未来五年内将氨推进船商业化。

芬兰船用发动机制造商瓦锡兰、挪威海工船东Eidesvik以及挪威国有能源公司Equinor正在合作研发一艘以氨燃料电池为动力的零排放大型船舶，预计最早将于2024年下水，在2030年实现商业化

德国大众旗下MAN ES公司计划2024年完成MAN B&W ME-LGIP样机试验。首台氨燃料发动机试验计划2021年在哥本哈根研究中心开始。2019年已经成功地进行了氨燃烧性初步研究，2020年初，MAN ES公司开始其MAN B&W ME-LGIP二冲程发动机氨燃料变型开发项目。

2020年8月，丹麦Hafnia邮轮公司、瑞典阿法拉伐（Alfa Laval）、丹麦托普索公司（Haldor Topsoe）和维斯塔斯和西门子歌美飒共同发布白皮书，认为到2050年，氨燃料可为30%的商船船队提供动力。氨作为往复发动机的一种潜在燃料。

英国政府投资2.4亿英镑发起氢燃料革命（图片来自新浪汽车）

不止于燃料：破解氢储运难题，液氨储运受关注

除了作为燃料外，氨作为氢基化合物，还有一个被广泛赞誉的功能就是储氢和制氢。

氢气的远距离运输始终是行业的一个难点。“氨作为氢气的载体，不论是氢气合成氨还是氨分解为氢气、氮气，当前国内的技术已十分成熟。这就为利用氨进行氢的运输提供了良好的条件。”毛宗强表示。

因氨转换氢气成本低廉、氨气供应充足等优势，液氨或将成为媲美液氢的新兴储运方式。

据了解，常温常压下氨为气态,增加压力或降低温度,氨都很容易液化；氨气不能在空气中直接燃烧，安全性更高。

液氨在标准大气压下-33℃就能够实现液化，而直接运输液氢温度则需要降至 -253℃左右，液氨运输难度相对更低。除车载船运外,液氨还可利用现有输气管输送。

研究数据显示，液氨储氢中体积储氢密度相对液氢可高1.7倍，这个数据也远高于当前主流的高压长管拖车储运氢气的方式。

在制氢方面，氨也有较为明显的优势。氨分解制氢属于含氢化合物高温热分解制氢，价格低廉、安全性好、附加值低、产物不含CO杂质。

同时，氨分解制氢体系的理论质量储氢量是17.6%,高于电解水(11.1%)、甲醇-水蒸气重整(12%)等制氢体系。

在技术方面，2015年，一家以色列新能源企业GenCell对外宣称研发出了新一代“液氢和氨基燃料电池”，并在很多城市的关键点作能源备用，例如电信塔、通信基站、军队远程控制中心、蓄电池房、医院、公共设施以及安防等领域。

2017年以色列推出一项极低能耗率的零污染储备电源的液氨氢燃料电池合作项目，该产品通过其专利的氨分解器,能以极低的能耗率和效费比将液氨分解为氢,继而作为氢燃料电池工作(1000L液氨可转化为2000KW·H)，且不产生二氧化碳。

通常裂解氨来生产氢燃料需要非常高的温度才能实现，2020年，东京工业大学(Tokyo Tech)的科学家通过采用常见的脱水剂氢化钙并向其中添加氟化物,首次成功开发出可以在低于50°C的温度下从氢气和氮气中合成氨的催化剂，让研究人员向可持续制氢迈出重要的一步。

在产业应用方面，2021年7月。日本山口县的德山（Tokuyama）港口将改造为氨转运港口，用来接收中东、澳洲、北美的氨。德山港口原来主要用于石油的转运。这是2021年日本规划改造的第二个氨转运港，第一个是小名滨港口，由煤港改造为氨港。

中国企业也已经有了已经布局海外蓝氢制氨的规划。

作为中国最大的多晶硅生产商、太阳能产品制造商之一，协鑫集团近些年积极进军氢能产业，2021年8月，该公司宣布在埃塞俄比亚建立一家工厂，利用其与当地政府达成的协议开发油田生产的天然气生产氨。此外协鑫还将在吉布提建立一座年产400万吨的氨工厂，并将建立能将氨转化为约250万吨液氢的设施。

结语

氢基化合物和氢能一样，可助力零碳目标的达成。包括氨在内，氢基化合物不仅有助于减碳脱碳，对氢能产业的发展也具有积极的促进作用。

目前，日本、阿联酋、澳大利亚等国已将“氨”纳入能源战略之中，但中国还没有相关的政策。

究其原因，毛宗强认为可能是因为液氨本身具有较强的腐蚀性，不论是将氢气、氮气合成氨气还是将氨气转换为氢气，都将有一定的损耗，转换效率也有待提高。

毛宗强表示，多样化的绿色能源使用对“双碳”目标的实现至关重要。在氢能战略大前提下，整个氢能行业要利用氢能在交通领域的优势，对包括氨在内的氢基化合物提供更多的测试机会，得出科学的结论，进行大面积推广，为实现碳达峰碳中和寻找多样的路径与技术。

责任编辑：Yaodl