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 近年來，世界能源形勢正在發(fā)生深刻變革，全球迎來以清潔化、低碳化為主要特征的新一輪能源轉(zhuǎn)型。以氫能源和純電動為主的新能源交通出現(xiàn)替代傳統(tǒng)油氣交通能源的勢頭，并正在向燃?xì)獍l(fā)電、分布式供能、微電網(wǎng)、多能互補(bǔ)等方面快速滲透，帶動能源生產(chǎn)、運輸各環(huán)節(jié)的利用效率和環(huán)保的提升。
氫氣(H2)來源廣泛，具有高能量密度、高轉(zhuǎn)化效率和清潔性的優(yōu)點。氫能作為零碳能源，是典型的二次能源，能源屬性類似于電，在可儲存性方面優(yōu)于電。隨著社會和經(jīng)濟(jì)進(jìn)步，在人們對環(huán)保、效率、低碳能源的需求推動下，氫能有望成為未來能源的重要構(gòu)成，在低碳社會中發(fā)揮重要作用。我國在氣候變化巴黎大會上承諾，將于2030年左右使二氧化碳(CO2)排放達(dá)到峰值，并爭取盡早實現(xiàn)2030年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值 CO2排放比2005年下降60%~65%。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，離不開氫能的減排貢獻(xiàn)。根據(jù)國際氫能委員會預(yù)測，到2050年，氫能將減少 CO2排放60億噸，創(chuàng)造2.5萬億美元的市場價值，在全球能源中所占比重有望達(dá)到18%。與傳統(tǒng)石油燃料易運輸、可規(guī)模儲存的特點不同，目前氫儲運技術(shù)尚未解決能效性、安全性等問題，而且廣泛采用的高壓氣氫運輸存在儲氫密度低、壓縮能耗高等問題，無法大規(guī)模遠(yuǎn)距離運輸。目前正在研發(fā)的儲氫方式有液氫、固態(tài)儲氫、有機(jī)液體儲氫和氨/甲醇儲氫。


氨作為全球大量生產(chǎn)的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品，也非常適合用于 H2載體。氨具有易液化(－33℃)、體積能量密度大(液氨的體積能量比液氫高50%)、運輸儲存設(shè)施可與丙烷通用、制造成本低、本身可作為無碳燃料等優(yōu)點。氨除了可以分解為氫氣，也可以在大型燃?xì)廨啓C(jī)中直接燃燒，燃燒高效且不產(chǎn)生 CO2，是目前大型發(fā)電的研究熱點方向之一。主要儲氫載體的理化性質(zhì)見表1。

2020年全球氨產(chǎn)量約為1.83億噸，其中約1/4由中國生產(chǎn)，另外30%來自俄羅斯、美國和印度。在氨總產(chǎn)量中，72%來自天然氣，22%來自煤炭，5%來自石油，只有不到1%來自可再生能源。其全部產(chǎn)能的80%用于生產(chǎn)化肥，其余用于生產(chǎn)炸藥和化工品。由于傳統(tǒng)合成氨的制氫單元需要消耗大量的化石能源，會產(chǎn)生大量 CO2，因此通過電解水生產(chǎn)綠氫，并通過H-B工藝將其合成氨，被認(rèn)為是低碳合成氨路線，所生產(chǎn)的氨被定義為“綠氨”，是綠氫載體。但將氫轉(zhuǎn)化為氨需要的能量相當(dāng)于氫所含能量7%~18%，如果氨需要在目的地重新轉(zhuǎn)化為氫氣，在有催化劑的條件下需要500~550℃的熱源，又會造成一部分能量損失。



目前綠氫主要通過可再生電源電解水獲得。電解水的主要設(shè)備是電解槽，目前主流的電解槽是堿性電解槽和PEM電解槽。雖然堿性電解槽成本低廉，但由于其電流密度低、體積大，在大規(guī)模制氫條件下不具備優(yōu)勢。PEM電解槽因高效率、長壽命、高電流密度而被認(rèn)為更適用于大規(guī)模氫氣生產(chǎn)。一般來說，電解槽需要的理論最小值為21.18 GJ/噸氨。然而，在工業(yè)規(guī)模上，電解槽的運行效率為60%~70%，至少需要30.3~35.3GJ/噸氨。此外，當(dāng)前通過空氣分離裝置生產(chǎn)氮氣消耗約2.7 GJ/噸氨。因此在理想條件下，通過該途徑生產(chǎn)的氨能耗為33.0~38.0GJ/噸氨，整體動力燃料(PTF)效率為55.7%~64.3%（表2）。相比之下，液氫由于在壓縮和液化過程中需要36.0~48.0 GJ/噸H2能量，液氫的PTF（Power to Fuel Cell）效率為49.3%~57.9%，低于氨。此外，由于蒸發(fā)損失和壓縮存儲的能耗較高，液氫的運輸效率約為84%，低于氨（90%）。

將氨應(yīng)用于燃料電池有兩條路徑。一是將氨催化裂化以產(chǎn)生用于燃料電池的氫氣。由于直接車載裂解需要提高車載系統(tǒng)的復(fù)雜度和集成度，抬高了成本，被認(rèn)為不切實際，因此該路線未來可能主要用于加氫站，即加氫站通過氨在線裂解制氫（圖1）。裂解過程需要>500°C的高溫才能生產(chǎn)高純度氫氣（>99.97%，特別是用于汽車），這需要4.2 GJ/噸氨（包括 H2損失）能量輸入。由于PEMFC極易受到微量氨的影響（<0.1×10-6)，因此氨轉(zhuǎn)化的氫氣必須通過高效的純化和分離系統(tǒng)進(jìn)行精華提純，這將額外消耗0.5 GJ/噸氨。因此，氨分解氫氣的純化過程不可避免地產(chǎn)生大量成本。同時，整個過程還可能導(dǎo)致1.7 GJ/噸氨的總熱損失。此外，氨分解后，還需要2.0~4.3GJ/噸氨的額外電能將氫氣壓縮，以重新填充燃料電池汽車(FCEV)700bar的儲氫瓶。通說上述計算，氨的總轉(zhuǎn)化效率為61.0%~68.5%。此外，裂化反應(yīng)器與氫氣壓縮系統(tǒng)的集成可能會使燃料加注和填充過程復(fù)雜化。由于裂化系統(tǒng)的復(fù)雜性，以及在雜質(zhì)存在下催化劑的性能和壽命，可能會進(jìn)一步限制氨的應(yīng)用。

另一途徑是直接利用氨，不再需要中間過程將氨轉(zhuǎn)化為氫氣。未來可以利用SOFC內(nèi)部的高溫將氨裂解。然而，SOFC的高運行溫度(550~900°C)可能僅適用于無需頻繁開關(guān)的連續(xù)固定應(yīng)用。因此，SOFC可應(yīng)用于重型載具，例如用于航空、航運、卡車運輸?shù)?。此外，?fù)責(zé)將氨催化分解為氫氣的SOFC陽極材料在連續(xù)運行過程中應(yīng)該具備穩(wěn)定、耐用和耐高溫特性，但目前陽極材料的退化仍然是SOFC商業(yè)化的主要障礙。最近，Minutillo等人提出了一種基于以氨為燃料的SOFC技術(shù)的新型工廠配置，用于在加氫站現(xiàn)場制氫時同步生產(chǎn)電力。進(jìn)一步改進(jìn)SOFC和氨分解技術(shù)對于實現(xiàn)這樣的概念是必要的。氨內(nèi)燃機(jī)雖然不需要從氨中還原氫氣，但除了會產(chǎn)生NOx排放外，還可能導(dǎo)致諸如點火困難、火焰速度低、壓縮率更高等其他問題。

雖然以上討論基于理想的燃料生產(chǎn)效率和實際運輸分析，但氨作為可行的氫儲能材料確實具有巨大潛力。但與液氫相比，使用氨作為氫載體的運輸體系在整體的電-燃料-電(PFP)效率方面沒有明顯優(yōu)勢（表 2）。另外，裂解過程對大量能量的需求限制了其未來的應(yīng)用。此外，凈化和壓縮后的氫氣用于供應(yīng)燃料電池汽車的財務(wù)和能源成本都很高，其中投入的電能和熱能成本難以通過其他方面的收益回收。除了其技術(shù)挑戰(zhàn)外，氨的毒性（OSHA暴露限值為50 ×10-6）、親水性和腐蝕性也需要大量基礎(chǔ)設(shè)施，以避免意外泄露和設(shè)備腐蝕。一般認(rèn)為，氨可以作為固定發(fā)電的燃料，使用SOFC為偏遠(yuǎn)地區(qū)供電。但作為氫載體，雖然其能量密度高，但還原氫氣需要大量的能量以裂解和壓縮，限制了它的應(yīng)用。從應(yīng)對氣候變化的角度看，采用以綠氫為原料來合成氨，替代傳統(tǒng)以化石能源為原料的合成氨工藝，是比采用氨作為氫載體更為有效的方法。

原標(biāo)題：氨作為氫載體，在氫能交通領(lǐng)域具有哪些優(yōu)勢與劣勢？