李衛(wèi)東，李逸龍，滕霖，尹鵬博，黃鑫，李加慶，羅宇，江莉龍

（福州大學(xué)石油化工學(xué)院化肥催化劑國家工程研究中心清源創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350000）

根據(jù)《巴黎協(xié)定》，中國提出2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)；歐盟承諾到2030 年將溫室氣體排放水平至少降低40%，這個(gè)目標(biāo)最近被提議增加到2030 年至少減少55%[1]。鑒于這些目標(biāo)以及全球碳中和背景，各國正處于從化石燃料轉(zhuǎn)向可再生能源轉(zhuǎn)換的過渡階段。因此，氫作為一種清潔的可再生能源受到了廣泛的關(guān)注，各國紛紛對相關(guān)技術(shù)展開研究[2-4]。作為一種高效、安全、經(jīng)濟(jì)的氫能載體，日本在2021 年10 月發(fā)布的第6 版《能源戰(zhàn)略計(jì)劃》中，首次引入氨能產(chǎn)業(yè)布局，提出氨能概念。氨作為儲能和儲氫載體，其生產(chǎn)和應(yīng)用的技術(shù)選擇多種多樣[5]，并且氨作為無碳化合物，燃燒產(chǎn)物純凈無碳，因此可以作為清潔能源直接燃燒使用。氨最初被用于硝酸、制冷劑、氮肥等產(chǎn)品的化工原料，近幾年隨著氨能產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，其合成、儲運(yùn)以及新能源應(yīng)用范圍的相關(guān)研究也越來越廣泛。未來氨能的能源路線將圍繞綠色能源-合成氨能-裂解制氫能/直接氨能-終端場景能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行過渡發(fā)展并延續(xù)，催生出一系列的氨能產(chǎn)業(yè)鏈。

1 合成氨技術(shù)發(fā)展及經(jīng)濟(jì)性

滿足零碳需求“氨經(jīng)濟(jì)”的實(shí)現(xiàn)需要三代合成氨技術(shù)的開發(fā)和迭代（圖1）。第一代技術(shù)以“藍(lán)氫”為原料，以確保哈伯（H-B）制氨過程中的二氧化碳捕集與封存（CCS）；第二代技術(shù)以可再生能源生產(chǎn)“綠氫”為原料，通過哈伯法實(shí)現(xiàn)“綠氨”合成；第三代技術(shù)通過商業(yè)規(guī)模的氮電還原直接制氨，來避免產(chǎn)氫環(huán)節(jié)和哈伯工藝的使用。目前，第一代和第二代技術(shù)的主要障礙來源于碳排放和成本問題，第三代技術(shù)則主要受限于效率、成熟度、可行性等問題，但隨著全球“氨經(jīng)濟(jì)”路線與技術(shù)的快速發(fā)展，這些問題將有望得到有效解決[6]。

圖1 合成氨技術(shù)路線發(fā)展趨勢圖

1.1 第一代合成氨技術(shù)

1909 年，由Fritz Haber 和Carl Bosch 發(fā)明的哈伯工藝實(shí)現(xiàn)了全球96%以上的氨生產(chǎn)，成為了20世紀(jì)最主要的合成氨工藝[7]。該工藝通常以化石能源（煤、天然氣和燃料油等）為原料制備氫氣，將其與通過空氣低溫分離后制得的氮?dú)饨Y(jié)合，在鐵或釕催化劑的作用下，使氫氣和氮?dú)庠诟邷馗邏簵l件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)合成氨。目前，哈伯工藝仍被廣泛應(yīng)用于化肥生產(chǎn)，極大程度上解決了世界糧食問題，并通過對反應(yīng)催化劑的不斷改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了氨的高效合成。然而，維持高溫高壓狀態(tài)所需的巨額能量以及工藝過程排放的大量二氧化碳，也使得哈伯工藝合成氨成為了全球最大的能源消耗和溫室氣體排放對象之一，約占全球溫室氣體排放量的1.0%，二氧化碳排放量的1.8%[8]。在過去100 年里，氨生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展，但仍是全球溫室氣體排放的重要來源。由煤氣化轉(zhuǎn)向甲烷蒸汽重整（SMR）的氨生產(chǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了碳排放的降低以及熱損失和能源需求的減少，而CCS技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步緩解了工藝過程二氧化碳的排放，所制得的氨也被稱為“藍(lán)氨”[7]。國際能源署（IEA）對一系列CCS 技術(shù)應(yīng)用于甲烷蒸汽重整合成氨技術(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析得出，CCS可以減少SMR制氨過程中50%～90%的碳排放量，但工藝復(fù)雜性和成本呈現(xiàn)不同程度的增加[9]。

1.2 第二代合成氨技術(shù)

自哈伯工藝廣泛應(yīng)用以來，整體能源效率由36%提高到了62%～65%[7]，但生產(chǎn)過程仍主要依賴于化石燃料，環(huán)境友好性差。因此，以可再生氫源為原料的第二代合成氨技術(shù)出現(xiàn)，所制得的氨被定義為“綠氨”。可再生能源合成氨技術(shù)通過化石能源替代一定程度上解決了碳排放問題，其中電化學(xué)合成氨技術(shù)以其獨(dú)特優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注。該技術(shù)通過可再生電能實(shí)現(xiàn)氨合成，具有低壓低能耗、清潔無污染、零碳排放等優(yōu)點(diǎn)[6,10]，是極具潛力的常規(guī)氨合成替代方法[11]。目前，根據(jù)電解質(zhì)類型不同，電化學(xué)合成氨技術(shù)分為聚合物電解質(zhì)膜（PEM）水電解制氫合成氨、堿性水電解（AWE）制氫合成氨和固體氧化物電解（SOE）制氫合成氨3種類型。

（1）PEM 水電解制氫合成氨 1966 年，通用電氣開發(fā)了首套基于固體聚合物電解質(zhì)概念的水電解槽[12]，采用固體磺化聚苯乙烯膜作為電解質(zhì)[13]，形成了聚合物電介質(zhì)膜或質(zhì)子交換膜水電解概念。該技術(shù)通常采用Nafion膜在室溫下實(shí)現(xiàn)質(zhì)子的高效傳遞，用于結(jié)合氫原子產(chǎn)生氫氣[14]。Lan 等[15]在環(huán)境溫度和壓力下，以Nafion膜作為固態(tài)電解質(zhì)，氫氣和氮?dú)鉃榉磻?yīng)物，實(shí)現(xiàn)了法拉第效率高達(dá)90.4%的氨合成。Chen 等[16]通過改進(jìn)PEM 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)有效解決了氨穿透問題，同時(shí)抑制了陰極析氫反應(yīng)的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了PEM制氫合成氨技術(shù)的優(yōu)化。

在應(yīng)用層面，Proton Onsite 等公司開發(fā)了具有75%高熱值效率的兆瓦級PEM水電解槽系統(tǒng)[17]，在電能充足或可有效將太陽能轉(zhuǎn)化為電能情況下，實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化的電化學(xué)合成氨生產(chǎn)。Ozturk 等[18]對土耳其某太陽能光伏氨生產(chǎn)廠進(jìn)行評估，得到使用含PEM 電解槽的制氫合成氨系統(tǒng)的最大能量和?效率分別為26.08%和30.17%。Adam等[19]通過PEM水電解制氫，變壓吸附空氣分離裝置制氮，結(jié)合哈伯反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)氨生產(chǎn)，以現(xiàn)場風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生電力為水電解和哈伯過程提供動力，每天可生產(chǎn)約30kg的氨。

（2） AWE 制 氫 合 成 氨 PEM 技 術(shù) 采 用 的Nafion等酸性膜可以與弱堿性氨發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致質(zhì)子傳導(dǎo)率降低[20]。而堿性環(huán)境能有效降低氨與膜的反應(yīng)性，并允許使用低成本活性催化劑，因此AWE技術(shù)成為了PEM技術(shù)的有效替代之一。AWE制氫電解質(zhì)通常為25%～30%濃度的KOH溶液，電解反應(yīng)在堿性低溫環(huán)境下進(jìn)行。與PEM技術(shù)相比，AWE 技術(shù)腐蝕更容易控制，因此成為了工業(yè)生產(chǎn)首選。1951 年，Lurgiai 開發(fā)了第一臺商用高壓（30bar，1bar=105Pa）堿性電解槽[21]。20 世紀(jì)，加拿大、埃及、印度、挪威等擁有大型水電資源國家建立了多個(gè)容量高達(dá)165MW的堿性電解工廠[22]。

隨著可再生能源成本下降，AWE 制氫、合成氨技術(shù)受到廣泛關(guān)注。Grundt等[23]評估了1970年代的水力發(fā)電設(shè)計(jì)，其中堿性水電解制氫在80℃下運(yùn)行時(shí)的峰值效率大于60%。Bicer等[24]研究表明，通過水力發(fā)電驅(qū)動的堿性水電解制氫合成氨可將每噸氨合成的二氧化碳排放量從1.5t 減少到0.38t。風(fēng)力驅(qū)動的AWE 制氫合成氨工藝中，電解槽運(yùn)行效率為60%，估計(jì)生產(chǎn)每噸氨可產(chǎn)生0.12～0.53t 的二氧化碳[7]。相較于其他水電解技術(shù)，AWE 電解槽相對廉價(jià)，能夠?qū)崿F(xiàn)元件成本降低80%；相較于PEM 技術(shù)，AWE 電解槽系統(tǒng)規(guī)模更大，最高可達(dá)5000kW，每小時(shí)內(nèi)可制得氫氣760m3（20℃，101.325kPa），且成本（1061～1273USD/kW）低于基于PEM技術(shù)的電解槽（2017～2122USD/kW）[25]。

（3） SOE 制氫合成氨 固體氧化物電解槽（SOEC）開發(fā)于1970年代，由于在800～1000℃高溫范圍內(nèi)運(yùn)行，也被稱為高溫水電解槽[26]。與傳統(tǒng)電解槽相比，SOEC 在電解制氫氣方面具有卓越性能，能以更高的功率密度和效率（76%～81%）運(yùn)行，尤其在高溫廢熱環(huán)境下，水電解制氫過程實(shí)現(xiàn)了熱量存儲[27]。材料的耐久性和穩(wěn)定性是SOE制氫技術(shù)的重要挑戰(zhàn)[28]。Nayak-Luke 等[8]通過集成SOE電解槽生產(chǎn)氫氣和氮?dú)猓儆晒に嚭铣砂?，充分利用廢熱可將系統(tǒng)總效率提高到70%以上。Cinti 等[29]將制氫用SOE 與改進(jìn)型哈伯反應(yīng)器結(jié)合，以可再生能源電力合成綠氨，其高效率SOE 將合成每千克氨的耗電量降至8.3kWh，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了哈伯反應(yīng)器熱量回收。Harvego 等[30]開發(fā)了以核反應(yīng)堆為動力的SOE制氫裝置用于綠氨合成，整個(gè)系統(tǒng)的能源效率為47.1%。SOE 系統(tǒng)也適用于以風(fēng)能和太陽能光伏為動力的可再生氫和氨的生產(chǎn)應(yīng)用[31]。目前，托普索聯(lián)合FIRST AMMONIA 公司啟動了全球最大的電解槽制氫合成氨項(xiàng)目，首次實(shí)現(xiàn)了工業(yè)規(guī)模的SOEC綠氨生產(chǎn)[32]。

從技術(shù)層面來看，傳統(tǒng)哈伯工藝效率高、成本低，但大量能耗和溫室氣體排放是該工藝的缺點(diǎn)。PEM 技術(shù)具有高功率密度、高電流密度、高純度等優(yōu)勢，但存在催化劑材料價(jià)格高、耐久性差、壽命低等技術(shù)問題[31]；AWE 為最成熟的電化學(xué)制氫合成氨技術(shù)，投資成本低，但存在電流密度低、功率密度低、電極結(jié)鹽等缺點(diǎn)[33]；SOE 技術(shù)效率高、成本低，也被認(rèn)為是最具前途的綠氨生產(chǎn)方法[34]，但技術(shù)成熟度低，仍處于預(yù)商業(yè)化階段。因此，電化學(xué)合成氨技術(shù)還有很長的路要走[35]。表1為電化學(xué)合成氨工藝與傳統(tǒng)工藝成本對比情況（假設(shè)氨生產(chǎn)規(guī)模為2000t/d，電價(jià)為0.33CNY/kWh）。從經(jīng)濟(jì)層面來看，電化學(xué)合成氨工藝因電流效率低，其成本高于傳統(tǒng)H-B 工藝。電價(jià)是影響電化學(xué)合成氨成本的主要因素，通過控制電價(jià)和可再生能源優(yōu)勢利用，其生產(chǎn)成本將有望優(yōu)于傳統(tǒng)工藝[36]。隨可再生能源成本下降，電化學(xué)合成氨可能成為一種極具潛力的應(yīng)用技術(shù)[37]。

表1 制氨工藝成本對比

1.3 第三代合成氨技術(shù)

第三代技術(shù)通過直接或介導(dǎo)方式，以可再生綠色能源為電力供應(yīng)，驅(qū)動氮電還原合成氨。該技術(shù)不再需要哈伯工藝，原料無碳無毒害且獲取途徑廣泛，以H2O 替代H2作為氫源，避免了化石能源的使用[6]。電化學(xué)氮還原反應(yīng)（NRR）過程中，電催化劑直接將電子和質(zhì)子添加到N2分子來產(chǎn)生氨分子，能量消耗比哈伯工藝更少，且反應(yīng)過程簡單安全，大大增加了氨制備的靈活性和可協(xié)調(diào)性。

技術(shù)研究方面，Mcenaney等[38]通過改變電極結(jié)構(gòu)對NRR 工藝進(jìn)行優(yōu)化，研發(fā)了電化學(xué)鋰介導(dǎo)的氮還原反應(yīng)。該方法對合成氨具有主要選擇性，除使用鋰金屬作為反應(yīng)物質(zhì)外，還采用乙醇作為犧牲質(zhì)子供體，引入鹽作為質(zhì)子穿梭機(jī)，在擁有接近工業(yè)水平的電解電流密度同時(shí)，得到了88.5%的高電流效率，提高了氨的產(chǎn)率[39]（圖2）。2017年，Zhou等[40]對另一項(xiàng)合成氨工藝進(jìn)行研究，通過結(jié)合疏水、高氮溶解度離子液體（IL）電解質(zhì)和納米結(jié)構(gòu)鐵基電催化劑，以高N2溶解度離子液體為電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫度和壓力條件下高達(dá)60%法拉第效率的NRR 制氨過程。不僅如此，Wang 等[41]在2018 年又通過三電極系統(tǒng)進(jìn)行了釕納米顆粒（Ru-NP）的電化學(xué)NRR 研究，以鹽酸作為電解質(zhì)，Pt和Ag/AgCl 分別作為對電極和參比電極，驗(yàn)證了Ru-NP 能夠在鹽酸水溶液中以高能量效率實(shí)現(xiàn)NRR 過程。除NRR 工藝外，Giddey 等[42]開發(fā)了一種低壓膜法氨合成工藝（圖3），氫通過分壓差穿過滲透膜，在催化劑作用下與另一端的氮發(fā)生反應(yīng)合成氨。該工藝氨合成速率高達(dá)10-6mol/（cm2·s），壓力遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)哈伯反應(yīng)器，可以減少25%以上的能量消耗，降低了總系統(tǒng)成本。

圖2 電化學(xué)氮還原合成氨示意圖

圖3 低壓膜法合成氨示意圖

從本質(zhì)上看，NRR 制氨工藝比第二代水電解制氫合成氨工藝更經(jīng)濟(jì)，其不僅體現(xiàn)在合成氨理論所需能量少（約7.5%），更重要的是避免了哈伯工藝工廠的高能源消耗和資金投入。即使在NRR 工藝60%的能源效率基準(zhǔn)上，考慮到其對哈伯工藝的能源成本和資本成本的節(jié)省，也明顯比電解水工藝80%的能源效率更經(jīng)濟(jì)。同樣，NRR 工藝的主要生產(chǎn)成本受電價(jià)影響。目前，NRR 制氨技術(shù)遠(yuǎn)未達(dá)到生產(chǎn)和儲能層面上的經(jīng)濟(jì)可行性，開發(fā)高效的NRR制氨技術(shù)將獲得巨大的潛在回報(bào)[43]。

2 氨能儲運(yùn)技術(shù)現(xiàn)狀及經(jīng)濟(jì)性

2.1 氨能儲存

當(dāng)氨維持在8.58bar 壓力時(shí)，可以在20℃環(huán)境溫度下進(jìn)行液態(tài)儲存，通常氨儲存容器在17bar 壓力下運(yùn)行，以保持液體狀態(tài)[44]。而氫氣儲罐的最大工作壓力為200bar[45]，儲存同等能量時(shí)，氫不僅需要比氨大4.65 倍的體積，還需要更高承壓的儲罐，增加了存儲成本。與氫氣儲存系統(tǒng)相比，氨儲存系統(tǒng)消耗能源更少、運(yùn)行效率更高、成本更低。其中，氨儲存系統(tǒng)的效率為93.6%，而氫氣儲存系統(tǒng)的效率為76.9%[46]。基于成本考慮，氨和氫的大規(guī)模儲存通常采用低溫方式，足夠低溫度的氨（-33℃）和氫（-253℃）均可以在常壓下液態(tài)儲存。Bartels[47]對比低溫氨和氫儲存系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，儲存182 天時(shí)，氨儲存所需能量大約為氫的五分之一；若電力成本為0.08USD/kWh，忽略投資成本情況下，氨和氫的低溫儲存成本分別為0.03USD/kg H2和0.95USD/kg H2，氨比氫的存儲設(shè)施更經(jīng)濟(jì)；若將能源成本與投資成本相結(jié)合，氨和氫的總儲存成本分別為0.54USD/kg H2和14.95USD/kg H2，氨的總儲存成本比氫低近30倍；若儲存時(shí)間縮短到15天，氨和氫的儲存成本分別為0.06USD/kg H2和1.97USD/kg H2，成本差異仍然約是30 倍。Rouwenhorst 等[48]研究發(fā)現(xiàn)，氫儲存成本隨著儲存時(shí)間增加而顯著增加，而氨儲存成本則隨存儲時(shí)間基本保持不變。Palys等[49]對氨可再生能源存儲系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電潛力大或季節(jié)性發(fā)電需求差異較大的城市使用氨儲能比氫儲能的成本低0.12USD/kWh，若將氨與氫技術(shù)結(jié)合，儲能成本為0.17～0.28USD/kWh，證實(shí)了可再生能源綠氨投資的可行性，甚至能與某些化石能源策略相競爭。

2.2 遠(yuǎn)洋運(yùn)輸

自20 世紀(jì)以來，氨產(chǎn)量隨人口增長而快速增加，到2019年氨產(chǎn)量約2.4億噸，預(yù)計(jì)2030年產(chǎn)量將增至約3 億噸[50]。其中，氨的主要生產(chǎn)國為中國、印度、俄羅斯和美國，并在全球范圍內(nèi)進(jìn)行交易[51]。由于地理位置特殊性，日本、特立尼達(dá)、多巴哥等氨進(jìn)出口商主要通過海運(yùn)進(jìn)行貿(mào)易。海運(yùn)作為最具成本效益和能源效率的散裝貨物運(yùn)輸類型，在全球氨貿(mào)易市場占據(jù)主導(dǎo)地位，超過10%的氨采用海運(yùn)進(jìn)行貿(mào)易[51-52]。氨的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸可以采用加壓或低溫儲罐，現(xiàn)有遠(yuǎn)洋船舶能夠?qū)崿F(xiàn)5萬噸的低溫液氨儲存運(yùn)輸。Al-Breiki 等[44]對液化天然氣、液氨和甲醇3種能源載體的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸進(jìn)行能量和?分析后發(fā)現(xiàn)，氨的蒸發(fā)氣損失極小且無碳，是一種優(yōu)質(zhì)高效的遠(yuǎn)洋能源運(yùn)輸載體。目前，根據(jù)距離和燃料成本，以重質(zhì)燃料油為燃料的遠(yuǎn)洋運(yùn)氨成本為30～100USD/t，隨著氨燃料運(yùn)輸船的應(yīng)用推廣，該運(yùn)輸成本將呈現(xiàn)顯著下降[53]。

2.3 陸上運(yùn)輸

按照交通工具不同，氨的陸上運(yùn)輸方式主要分為管道、公路、鐵路、水路4 種[54]。其中，液氨管道是一種低風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)施完善且成本效益高的運(yùn)輸方式[55]，在長距離輸送中更具優(yōu)勢。長輸液氨管道在全球范圍內(nèi)超過6000km，如美國海灣中央液氨管道長度為3200km，每年輸送290 萬噸氨，俄羅斯托利亞蒂-敖德薩液氨管道長度為2400km，每年可輸送300 萬噸氨[56]，這些管道每噸氨的運(yùn)輸成本約為0.07USD/km[22]。Bartels[47]對氨和氫管道的運(yùn)輸成本進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析得出，運(yùn)輸距離為1610km 時(shí)，氫管道的運(yùn)輸成本為0.51～3.22USD/kg H2，而氨管道的運(yùn)輸成本為0.194USD/kg H2（0.0344USD/kg NH3），可見管道每噸氨的運(yùn)輸成本為0.02～0.07USD/km，氫的管道運(yùn)輸成本幾乎是氨的三倍甚至多了一個(gè)數(shù)量級；在不考慮氨合成的情況下，氨管道的運(yùn)輸效率為99.2%，而氫管道的運(yùn)輸效率為86.9%。公路罐車運(yùn)輸方面，氨的高能量密度以及較低的鋼材要求相較于氫具有顯著優(yōu)勢。氫氣運(yùn)輸采用的高壓長管拖車運(yùn)載能力被限制在340kg H2（48GJ能量），將氫氣液化可將運(yùn)載能力提高至3900kg H2（553GJ 能量），而液氨罐車可運(yùn)載26600kg NH3（600GJ 能量）。此外，氫氣液化是一個(gè)能源密集型過程，液氫運(yùn)輸比氨運(yùn)輸需要更多的能量[47]。公路液氨罐車由于高轉(zhuǎn)換成本和路程損失率，是目前較為昂貴的氨運(yùn)輸選擇，但在短距離運(yùn)輸方面具有競爭力。氨的鐵路運(yùn)輸與公路運(yùn)輸類似，采用容量為126.81m3、壓力為15.5bar 的加壓罐，能夠運(yùn)輸77.5t 氨（1746GJ 能量）[57]。當(dāng)運(yùn)輸距離超過2000～3000km 時(shí)，與公路罐車相比，鐵路或海運(yùn)是成本效益更高的氨運(yùn)輸方式[58]。

2.4 氨能儲運(yùn)安全

雖然危險(xiǎn)性遠(yuǎn)低于氫，但氨具有較強(qiáng)的腐蝕性、揮發(fā)性和刺激性，其安全性是氨運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性的保障。液氨管道一般應(yīng)用于長距離輸送，其安全問題包括液氨汽化或氣塞導(dǎo)致的管道膨脹變形[59]、人為破壞造成的疲勞開裂或泄漏問題[60]以及埋地管道腐蝕問題等。2004 年，美國內(nèi)布拉斯加州麥哲倫管道的97t液氨泄漏事故曾造成一人住院，1000多條魚死亡。公路適用于運(yùn)量低、短距離的液氨輸送，液氨容器與儲罐間裝卸過程的頻繁連接與斷開是其主要安全問題。液氨公路運(yùn)輸一般途經(jīng)人口密集區(qū)域，因此短時(shí)間內(nèi)的有效應(yīng)對措施也可能對周圍造成嚴(yán)重危害。2007 年，四川內(nèi)江一食品加工廠內(nèi)液氨儲罐與槽罐車轉(zhuǎn)存過程中管道破裂引起的液氨泄漏，曾造成2 人當(dāng)場遇難，1 人緊急搶救以及附近部分居民中毒。鐵路為液氨長距離、高輸量運(yùn)輸?shù)某Ｒ姺绞?，通常需穿過人口密集地區(qū)，由于鐵路交通引起的液氨安全問題很少提示周圍居民采取有效行動，其事故造成的后果一般是災(zāi)難性的。2002 年，美國北達(dá)科他州鐵路液氨罐車脫軌事故導(dǎo)致約560t液氨泄漏，對附近11600多名居民的眼睛和肺部造成了不同程度損傷。水路通過內(nèi)陸河流實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域長航線的液氨運(yùn)輸，一般遠(yuǎn)離人口密集區(qū)域，且容易吸收泄漏液氨，但會對周圍生態(tài)環(huán)境造成不可逆影響。

Lippmann[61]基于以往液氨運(yùn)輸事故調(diào)研，分別通過事故發(fā)生的可能性、嚴(yán)重程度以及風(fēng)險(xiǎn)等級對陸上液氨運(yùn)輸方式的安全性進(jìn)行了分析（表2）。分析表明，所有交通運(yùn)輸方式均發(fā)生過事故，但都不具備極端危險(xiǎn)性，其中管道運(yùn)輸被評定為低風(fēng)險(xiǎn)，駁船運(yùn)輸被認(rèn)為是中等風(fēng)險(xiǎn)，而鐵路和公路運(yùn)輸被視為高風(fēng)險(xiǎn)。

表2 不同運(yùn)輸方式風(fēng)險(xiǎn)評估

3 氨能新能源應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性

3.1 氨能源燃料

氨作為一種潛力巨大的新能源燃料，可應(yīng)用于稍加改造的各類型內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和燃燒器，并可直接用于燃料電池，有利于推動公路、海運(yùn)、航空等交通領(lǐng)域的低碳環(huán)保。氨的燃料應(yīng)用最早可追溯到第二次世界大戰(zhàn)期間，比利時(shí)在20 世紀(jì)40 年代將氨用作公交車的燃料。迄今為止，諸多學(xué)者以氨燃料為背景，開展了燃燒裝置、混合燃燒、發(fā)動機(jī)等方面的廣泛研究，并實(shí)施了多項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用，證明了氨作為燃料的實(shí)用性[62-68]。

Zamfirescu 等[67-68]詳細(xì)分析了零碳燃料氨應(yīng)用于公路、海洋、航空運(yùn)輸行業(yè)的環(huán)境可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性，通過與常見化石燃料和清潔燃料的碳排放、能耗、成本以及毒害性等參數(shù)全面評估，證實(shí)了氨燃料顯著的成本和環(huán)境效益。本文以公路交通為例，對氨作為新能源燃料的低碳經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行說明。低碳性能方面，氨作為除氫以外的唯一無碳燃料，其燃燒產(chǎn)物在空氣中的捕集比碳更加容易、高效且經(jīng)濟(jì)，直接氮捕集的成本為0.0424USD/kg，而直接二氧化碳捕集的成本為0.2～0.5USD/kg?？紤]燃料的整個(gè)生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用周期，柴油燃料汽車可排放約0.22kg/km 的溫室氣體，而可再生能源氨燃料汽車排放量降低至約0.07kg/km，碳?xì)浠衔锪呀獍比剂掀囈部蓪⑴欧帕拷档椭良s0.15kg/km。經(jīng)濟(jì)性方面，各類燃料車的成本經(jīng)濟(jì)性對比說明如圖4 所示[67]。圖4(a)表明，與甲醇、氫氣、汽油和液化石油氣等相比，氨是車輛單位能量儲存成本最有效的燃料；圖4(b)表明，在考慮燃料市場價(jià)格情況下，與其他化石燃料和新能源燃料相比，氨是最低成本的行駛?cè)剂希?00km范圍內(nèi)的行駛成本約為3.1USD。同時(shí)，氨作為制冷副產(chǎn)品，有利于進(jìn)一步降低車輛運(yùn)行期間的成本和維護(hù)，配合商業(yè)可行性高、全球供銷體系成熟、易于處理等優(yōu)勢，促使其成為了一種極具潛力的運(yùn)輸燃料。下文將對氨燃料體系密切相關(guān)的燃料電池、內(nèi)燃機(jī)、蒸汽輪機(jī)等核心技術(shù)進(jìn)展和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行全面闡述。

圖4 各類燃料車的能源成本和行駛成本對比

3.1.1 氨燃料電池

氨作為一種高能量密度、低成本的間接儲氫介質(zhì)，是理想的燃料電池技術(shù)無碳燃料。根據(jù)氨自身或氨熱分解產(chǎn)生氫氣提供燃料方式的不同，氨燃料電池分為直接氨燃料電池（DAFC）和間接氨燃料電池（IAFC）兩大類[46]。DAFC 電池研究最早開始于1906 年，Cairns 等[69]提出了第一個(gè)以KOH 溶液為電解質(zhì)的直接氨堿性燃料電池。DAFC電池能有效利用氨中儲存的化學(xué)能，直接氨固體氧化物燃料電池（SO-DAFC）和直接氨堿性陰離子交換膜燃料電池（AEM-DAFC）為目前DAFC 電池研究熱點(diǎn)，且都處于產(chǎn)業(yè)化開發(fā)初期階段[70]。SO-DAFC電池的高溫運(yùn)行環(huán)境提供了在陽極內(nèi)裂解氨或直接用氨的靈活性，因此在大型集中供電以及作為船舶動力電源、交通車輛動力電源等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[71]。目前，日本處于SO-DAFC 電池研發(fā)領(lǐng)先地位，對該技術(shù)涉及的反應(yīng)器催化劑[72]、電極[73]、電解質(zhì)等方面的優(yōu)化和性能評估展開了廣泛研究[74]，國內(nèi)也對SO-DAFC 電池的基本反應(yīng)動力學(xué)模型[75]、實(shí)驗(yàn)測量與多物理場模擬方法[76]進(jìn)行了初步研究。AEM-DAFC 電池以其低溫、低成本、高能量密度等特點(diǎn)，成為未來汽車應(yīng)用的理想選擇之一，近年來受到格外關(guān)注。Li等[77]研制了一種氨氧化反應(yīng)催化劑用于提高AEM-DAFC 電池性能，Liu 等[78]則開發(fā)了陽極和陰極分別由PtRu/C 和Pd/C催化劑構(gòu)成的較高性能AEM-DAFC 電池，方輝煌等[79]對氨氧化催化劑AEM-DAFC 電池反應(yīng)機(jī)理、性能以及發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)。IAFC 電池研究可追溯到20 世紀(jì)80 年代，Ross[80]開發(fā)了最早的堿性IAFC 電池并對其系統(tǒng)性能進(jìn)行了評估。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）因其高效率、經(jīng)濟(jì)性、應(yīng)用廣等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最具潛力的發(fā)電設(shè)備，也是IAFC 電池的理想選擇和研究熱點(diǎn)[81]。Lin 等[82]開發(fā)了間接氨氣PEMFC 系統(tǒng)物理化學(xué)模型，并對其進(jìn)行了全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。香港理工大學(xué)的Eric Cheng和Molly Li[83]開發(fā)和制造了世界上第一輛氨動力燃料電池汽車，證明了間接氨燃料電池的可行性，并且比傳統(tǒng)電動汽車更高效、更安全。

由于系統(tǒng)、燃料和應(yīng)用場景存在明顯差異，目前難以對不同類型燃料電池的直接成本和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。因此，部分學(xué)者主要從燃料成本角度對新型氨燃料電池的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。Afif等[84]對直接氨燃料SOFC電池的技術(shù)體系與優(yōu)勢展開詳細(xì)研究，并通過以天然氣為制氨原料的燃料電池成本估算后發(fā)現(xiàn)，雖然滿載燃料電池系統(tǒng)成本（700USD/kW）目前高于柴油發(fā)電機(jī)組（300～600USD/kW），但燃料電池總成本（設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)等）隨技術(shù)發(fā)展正處于快速下降階段，且燃料電池系統(tǒng)的平準(zhǔn)化能源成本（0.09～0.11USD/kWh）顯著低于柴油發(fā)電機(jī)組（0.28USD/kWh）。Lin等[82]通過不同電力系統(tǒng)燃料成本分析得出，近兩年氨原料價(jià)格下的IA-PEMFC系統(tǒng)發(fā)電和車用燃料成本分別為0.13USD/kWh 和0.024USD/km，均明顯低于傳統(tǒng)汽柴油內(nèi)燃機(jī)；未來以可再生能源進(jìn)行原料制備情況下的IA-PEMFC系統(tǒng)發(fā)電和車用燃料成本分別為0.23USD/kWh 和0.043USD/km，比間接氫和甲醇PEMFC系統(tǒng)的燃料成本低約25%。

3.1.2 氨內(nèi)燃機(jī)

早在1822 年，Goldsworthy Gumey 就制造了歷史上第一臺驅(qū)動小型機(jī)車的氨發(fā)動機(jī)，為后續(xù)氨內(nèi)燃機(jī)的研究和改進(jìn)奠定了理論基礎(chǔ)。由于石油供應(yīng)限制，氨內(nèi)燃機(jī)在二戰(zhàn)時(shí)期短暫興起，Casala首次實(shí)現(xiàn)了氨內(nèi)燃機(jī)的工業(yè)規(guī)模應(yīng)用，Norsk Hydro 和Gazamo則相繼開發(fā)了氨燃料皮卡車和公共汽車[85-86]。近年來，受國際油價(jià)和環(huán)保政策影響，以氨替代化石燃料的內(nèi)燃機(jī)（ICE）研究再次引起廣泛關(guān)注，多家公司在汽車領(lǐng)域開展了氨燃料ICE 的改進(jìn)與研發(fā)。

氨燃料ICE 系統(tǒng)按照點(diǎn)火類型分為火花點(diǎn)火（SI）和壓縮點(diǎn)火（CI）兩種。其中，SI 借助火花塞點(diǎn)燃空氣燃料混合物，通常為汽油發(fā)動機(jī)；CI通過汽缸內(nèi)機(jī)械壓縮熱量點(diǎn)燃噴射燃料，通常為柴油發(fā)動機(jī)。由表3氨與其他碳?xì)淙剂系娜紵匦詫Ρ瓤芍m然液氨的能量密度低于汽油和柴油，但液氨的高辛烷值產(chǎn)生的高抗爆性使得SI 發(fā)動機(jī)有更高的壓縮比，且比液氫高得多。通用汽車于1965 年最早開始了氨燃料SI 發(fā)動機(jī)的研究測試，給定了其部分性能優(yōu)于汽油發(fā)動機(jī)的壓縮比；氫氣具有燃燒速度快、擴(kuò)散性好、點(diǎn)火能量低等特點(diǎn)，十分適合與氨混合燃燒，在氨中添加燃燒性能較好的氫氣能有效改善氨燃料的燃燒，提高燃燒速度及拓寬可燃性極限，而且氨氫混合燃燒同樣不會產(chǎn)生二氧化碳[87-88]，然而純氨和氨氫混合燃料SI發(fā)動機(jī)熱效率仍低于汽油發(fā)動機(jī)[86,89]。目前，添加含氧燃料被認(rèn)為是提高氨SI 發(fā)動機(jī)性能的有效方法，Haputhanthri[90]提出了以甲醇和乙醇為乳化劑的氨-汽油混合燃料，并給定了各燃料的最優(yōu)混合比。近期，韓國能源研究所通過添加控制系統(tǒng)和去除易腐蝕金屬配件，將LPG-汽油裝置改造為氨（70%）-汽油（30%）裝置，該系統(tǒng)若在韓國20%的車輛中安裝，將減少1000 萬噸/年的二氧化碳排放量[91]。CI發(fā)動機(jī)方面，氨的高汽化潛熱、低火焰速度以及窄可燃性極限（表3）導(dǎo)致純氨CI發(fā)動機(jī)需要高工作溫度和壓力以及極高壓縮比[92]，因此需要高十六烷值燃料與氨配合使用。柴油是雙燃料CI發(fā)動機(jī)的主要混合燃料，Gray等[93]于1966年首次實(shí)現(xiàn)了柴油-氨雙燃料CI發(fā)動機(jī)的運(yùn)行。Reiter等[65]和Lasocki等[94]研究表明，柴油-氨混合雙燃料CI發(fā)動機(jī)比純柴油發(fā)動機(jī)熱效率高約10%且CO排放量低。Hogerwaard 等[95]研究發(fā)現(xiàn)，氫輔助柴油-氨CI發(fā)動機(jī)的能量和效率略高于純柴油CI 發(fā)動機(jī)。近期，美國開發(fā)一種柴油-氨混合驅(qū)動雙燃料CI發(fā)動機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)氨燃料固定發(fā)電[96]。2022年10月，上海交大輪機(jī)工程團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了柴油-氨雙燃料發(fā)動機(jī)首型試驗(yàn)機(jī)點(diǎn)火，為我國第一艘氨燃料動力船研制提供了理論與試驗(yàn)基礎(chǔ)。

表3 氨與其他燃料的燃燒特性對比[97]

氨燃料ICE 系統(tǒng)成本方面，研究表明ICE 系統(tǒng)中直接使用氨的成本為1.45～3.33USD/100km[68]，比汽油、液化石油氣、甲醇[98]的6.06USD/100km、5.10USD/100km和2.00～3.70USD/100km更具經(jīng)濟(jì)性和競爭力。若將氫ICE 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為氨燃料，氨ICE的行駛成本為3.2USD/100km，比氫ICE 的8.4USD/100km更經(jīng)濟(jì)，且氨燃料車輛行駛里程更高[67]。

3.1.3 氨燃?xì)廨啓C(jī)

氨燃?xì)廨啓C(jī)研究始于20 世紀(jì)60 年代，但由于技術(shù)不足和成本問題導(dǎo)致早期相關(guān)研究甚少。近年來，隨著零碳排放需求提高，氨燃?xì)廨啓C(jī)再次進(jìn)入大眾視野，其燃燒效率、穩(wěn)定性和NOx排放等問題再次成為研究熱點(diǎn)。Iki等[99]開發(fā)了一種50kWe級的微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，以氨和煤油為燃料供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了超過25kW的發(fā)電量。通過將原型燃燒器替換為標(biāo)準(zhǔn)燃燒器，Iki等[62]提高了氨燃燒效率（96%），得到了摻氨比影響下的NOx排放規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了100%氨和氨/甲烷混合物的燃燒發(fā)電[100]，驗(yàn)證了氨作為發(fā)電燃料的技術(shù)可行性。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所首次采用50kWe級微型燃?xì)廨啓C(jī)開發(fā)出了低NOx的氨-空氣燃燒發(fā)電技術(shù)[101]，將實(shí)際運(yùn)行NOx排放量降至原系統(tǒng)的三分之一，展現(xiàn)了低NOx、單一氨燃料燃?xì)廨啓C(jī)的開發(fā)潛力。日本石川島重工首次實(shí)現(xiàn)了摻燒比高達(dá)70%的2MW 級燃?xì)廨啓C(jī)摻氨混燒，同時(shí)限制了NOx的排放。三菱重工和萬隆理工學(xué)院將共同研發(fā)40MW 級氨燃?xì)廨啓C(jī)[102]，實(shí)現(xiàn)100%氨燃燒并著重于運(yùn)行期間的高效率和低NOx排放。歐洲多國研究機(jī)構(gòu)正在推進(jìn)一項(xiàng)氨燃?xì)廨啓C(jī)項(xiàng)目[103]，旨在采用氨氫雙燃料體系解決氨的高NOx排放和不充分燃燒問題。

3.2 氨分解制氫加氫

制氫技術(shù)方面，甲烷蒸汽重整是目前最為成熟且占據(jù)全球最大制氫量的傳統(tǒng)工業(yè)制氫技術(shù)，該技術(shù)需對CO 水汽轉(zhuǎn)換過程生產(chǎn)的溫室氣體進(jìn)行處理，能夠達(dá)到70%～80%的能效和48%的轉(zhuǎn)化率，實(shí)際能量成本為2.0～2.5kWh/m3（標(biāo)準(zhǔn)）[104]。近年來，甲醇以高質(zhì)量儲氫密度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.5%）被認(rèn)為是一種優(yōu)質(zhì)制氫化學(xué)品，傳統(tǒng)甲醇水重整制氫反應(yīng)溫度高（＞200℃）且會產(chǎn)生高濃度的CO，造成氧化過程的碳排放。Lian等[105]提出的等離子體甲醇分解制氫實(shí)現(xiàn)了74%的能效、0.45kWh/m3（標(biāo)準(zhǔn)）的能量成本和88%的甲醇轉(zhuǎn)化率。考慮能源效率和環(huán)境友好性，氨具有儲氫密度高（質(zhì)量分?jǐn)?shù)17.6%）、分解產(chǎn)物無碳、易于儲運(yùn)等優(yōu)勢，因此成為了極具潛力的清潔能源制氫技術(shù)[106]。下文將對氨分解制氫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行詳細(xì)闡述。

諸多學(xué)者開展了不同催化劑以及純化工藝下的實(shí)驗(yàn)和反應(yīng)機(jī)制研究，用于提高氨分解制氫性能[107-114]。Dasireddy等[115]對Cu/Al2O3和Cu/Zn/Al2O3催化劑進(jìn)行比較，分別得到了73%和93%的氨分解制氫轉(zhuǎn)化率。Hajduk 等[116]采用高銅催化劑使得氨轉(zhuǎn)化率高達(dá)92%。Sato等[117]通過鎂鋁原子比為6∶1的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了氨分解反應(yīng)過程98%的氨轉(zhuǎn)化率。Engelbrecht等[118]通過氨分解制氫自熱微通道反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)評估，得到了99.8%的氨轉(zhuǎn)化率。近期，隨著氨分解制氫技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展，部分學(xué)者開展了相應(yīng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析。Giddey等[119]對氨利用的往返效率進(jìn)行敏感性分析，并預(yù)測電解水氨分解制氫的平準(zhǔn)化成本會隨著光伏或風(fēng)力發(fā)電的電力價(jià)格下降而降至5～6USD/kg H2。Lee 等[120]基于韓國生產(chǎn)能力為30m3/h 的氨分解加氫站進(jìn)行過程模擬經(jīng)濟(jì)性分析，得出氨分解制氫的生產(chǎn)成本為6.27USD/kg H2。Lin 等[121]開發(fā)了一種變壓吸附膜分離回收系統(tǒng)用于氨分解現(xiàn)場制氫加氫站，實(shí)現(xiàn)了大于95%的H2回收率，并通過成本分析發(fā)現(xiàn)，氨分解制氫成本（4.78USD/kg H2）比基于CCS的甲烷蒸氣重整制氫成本略高，比其他無碳能源制氫路線，如太陽能熱電解（5.1～10USD/kg H2）、風(fēng)能電解（6.1USD/kg H2）、太陽能熱解（7.8～8.5USD/kg H2）和光電解（9.7USD/kg H2）成本低15%。

4 氨能全產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)濟(jì)性

從氨合成、氨儲運(yùn)、氨應(yīng)用3個(gè)關(guān)鍵階段對氨能綠色能源路線以及氨能技術(shù)全產(chǎn)業(yè)鏈的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比分析。

通過對比傳統(tǒng)氨合成工藝來分析綠氨合成技術(shù)的成本經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)煤炭價(jià)格為1000～1200CNY/t時(shí)，傳統(tǒng)氨合成經(jīng)濟(jì)成本為3000～3500CNY/t，綠氨合成經(jīng)濟(jì)所需電價(jià)應(yīng)控制在0.15～0.22CNY/kWh 才能與傳統(tǒng)氨合成經(jīng)濟(jì)相競爭[122]。未來隨著電改的不斷深入，在太陽能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電技術(shù)的大力推廣以及政策給予補(bǔ)貼扶持的背景下，當(dāng)可再生電力價(jià)格為0.1CNY/kWh 時(shí)，富裕且低廉的電力使綠氨合成經(jīng)濟(jì)成本足以與傳統(tǒng)氨合成經(jīng)濟(jì)成本相媲美[123]。

氨儲運(yùn)的成本經(jīng)濟(jì)性將從遠(yuǎn)洋運(yùn)輸和陸上運(yùn)輸兩部分進(jìn)行分析。在遠(yuǎn)洋運(yùn)輸方面，綜合研究得出運(yùn)輸距離為10000km的液氨、液氫和液體有機(jī)氫化物（LOHC）船運(yùn)全鏈條（含氨合成、氨儲運(yùn)、氨應(yīng)用）成本分別為16.93CNY/kg H2、26.09CNY/kg H2和17.10CNY/kg H2，因此液氨船運(yùn)具有顯著經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢[124]。在陸上運(yùn)輸方面，液氨罐車的運(yùn)載能力相較于氫氣長管拖車更強(qiáng)，載氫量更高，并且在運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)上，運(yùn)氨成本[0.1CNY/（kg·km）]也比運(yùn)氫成本[2.0～10.0CNY/（kg·km）]更低廉[125]；在不考慮氨合成的情況下，氨管道的運(yùn)輸效率為99.2%，比氫管道的運(yùn)輸效率（86.9%）更高，且氨管道的運(yùn)輸成本相當(dāng)于氫管道的1/3甚至在數(shù)量級上呈現(xiàn)顯著的降低，如果考慮將成熟的油氣管道系統(tǒng)改造為液氨輸送，其經(jīng)濟(jì)效益會更顯著。

氨應(yīng)用分為直接應(yīng)用技術(shù)和分解應(yīng)用技術(shù)。其中氨直接應(yīng)用技術(shù)通常以氨為燃料展開，包括各類型內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)，并可直接用于燃料電池。以氨內(nèi)燃機(jī)為例，直接使用氨內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的成本（1.45～3.33USD/100km）比其他燃料如汽油、液化石油氣、甲醇和氫更經(jīng)濟(jì)，并且在車輛行駛里程上，氨燃料內(nèi)燃機(jī)較其他內(nèi)燃機(jī)更有優(yōu)勢。以氨燃料電池為例，福州大學(xué)江莉龍團(tuán)隊(duì)研發(fā)的間接氨質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)比間接氫和甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的燃料成本低約25%，使電燃料經(jīng)濟(jì)成本低至0.88CNY/kWh，汽車燃料經(jīng)濟(jì)成本低至0.16CNY/km，更加經(jīng)濟(jì)高效[121]。氨分解應(yīng)用技術(shù)主要指氨分解制氫技術(shù)。傳統(tǒng)氨分解制氫耗能較大且性能較低，新型低溫氨分解制氫技術(shù)成本比基于CCS的甲烷蒸氣重整制氫成本略高，比其他無碳能源制氫路線，如太陽能熱電解、風(fēng)能電解和光電解制氫成本低15%。

5 結(jié)語

本文從氨的合成、儲運(yùn)和新能源應(yīng)用角度出發(fā)，探討了“雙碳”背景下實(shí)現(xiàn)“氨經(jīng)濟(jì)”的全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對各項(xiàng)技術(shù)的碳排放和成本經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對比分析，并得到以下結(jié)論。

氨合成方面，第二代電化學(xué)合成氨技術(shù)通過可再生能源能夠滿足零碳“氨經(jīng)濟(jì)”的需求，所涉及的“綠氨”合成工藝能夠?qū)崿F(xiàn)碳排放量大幅降低，并對第一代傳統(tǒng)制氨工藝成本產(chǎn)生沖擊，是一種極具商業(yè)前景的合成氨技術(shù)。第三代氮還原合成氨技術(shù)在可行性方面還未能達(dá)到生產(chǎn)層面需求，但在本質(zhì)上比以往技術(shù)更加經(jīng)濟(jì)、效率，隨著該類技術(shù)的日趨成熟，將有望成為最符合“氨經(jīng)濟(jì)”路線的關(guān)鍵技術(shù)。

氨能儲運(yùn)方面，氨的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸成本處于可控范圍且發(fā)展?jié)摿Ω?。氨相比于氫的陸上運(yùn)輸更具優(yōu)勢，氨管道的運(yùn)輸成本明顯低于氫管道且運(yùn)輸效率高，氨的公路和鐵路運(yùn)載能力（能量）明顯高于氫氣或液氫。液氨管道在長距離運(yùn)輸方面成本效益更高，且事故可能性和風(fēng)險(xiǎn)等級更低；公路罐車在短距離運(yùn)輸方面更具優(yōu)勢，但事故可能性和風(fēng)險(xiǎn)等級高。氨比氫的常溫和低溫存儲效率更高、成本更低。

氨能應(yīng)用方面，氨作為能源燃料具有顯著的成本和環(huán)境效應(yīng)。其中，氨燃料電池是一種理想的無碳燃料電池技術(shù)，未來以可再生能源為原料的氨燃料電池汽車將比傳統(tǒng)汽柴油車、電動汽車以及其他新能源汽車更加高效安全，且成本更低；氨內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的逐步發(fā)展奠定了氨在動力驅(qū)動和燃燒發(fā)電方面的技術(shù)可行性，為打造零碳經(jīng)濟(jì)性需求的氨動力汽車和船舶做出了重大貢獻(xiàn)；隨著電力成本下降，氨現(xiàn)場制氫站的氫氣成本比其他無碳能源制氫成本更低。

綜上所述，為適應(yīng)日益壯大的全球化氨能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展和市場需求，我國應(yīng)制定完善且健全的氨能經(jīng)濟(jì)技術(shù)路線，合理布局氨的合成、儲運(yùn)和應(yīng)用全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)，發(fā)揮氨能在國家能源戰(zhàn)略體系中的作用。