摘 要： 在“雙碳”目標(biāo)的要求下，綠氨作為零碳燃料和氫能的載體，受到了重大關(guān)注。綠氨可用于發(fā)電、燃料電池、交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域，為能源供給的多元化和可持續(xù)性提供了新的途徑，然而綠氨發(fā)展現(xiàn)階段仍存在安全性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性等挑戰(zhàn)。文章綜合介紹了氨能的燃料特性、獨(dú)特優(yōu)勢以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，論述了氨能的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了氨能的主要挑戰(zhàn)，并對(duì)氨能的未來前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞： 綠氨；平準(zhǔn)化成本；雙碳目標(biāo)

中圖分類號(hào)：K91、TQ113.2" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " "DOI：10.13677/j.cnki.cn65-1285/c.2025.01.03

一、引言

2022年，國家發(fā)改委和國家能源局共同發(fā)布了《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，提出了要加快建設(shè)現(xiàn)代能源體系的重要任務(wù)。該規(guī)劃旨在通過實(shí)施能源雙控和非化石能源目標(biāo)制度，引領(lǐng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，并努力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)。中國的能源革命進(jìn)展順利，能源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，形成了多方面推動(dòng)的供應(yīng)體系。盡管可再生能源的發(fā)展位居世界前列，但仍面臨著發(fā)展不平衡不充分的挑戰(zhàn)1。

氫能因其清潔、高效、低碳和靈活等特點(diǎn)備受關(guān)注，被視為替代傳統(tǒng)化石能源、緩解氣候變化、構(gòu)建清潔低碳安全高效能源供給體系的重要戰(zhàn)略選擇，得到了大力發(fā)展。氨作為天然的儲(chǔ)氫介質(zhì)，具有高儲(chǔ)氫密度和便于安全運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，同時(shí)它也是一種零碳燃料，可作為氫能的高效清潔載體2。與氫氣相比，氨氣已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化工業(yè)利用3。發(fā)展氨作為儲(chǔ)氫介質(zhì)，可以有效解決高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)難題和氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸，構(gòu)建“清潔高效合成氨—經(jīng)濟(jì)安全氨能儲(chǔ)運(yùn)—無碳高效氨氫利用”的“零碳”循環(huán)技術(shù)路線4。這將推動(dòng)氫氨燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電和氫氨固體氧化物燃料電池系統(tǒng)等新型能源技術(shù)的發(fā)展，對(duì)保障國家能源環(huán)保安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義1。

二、氨能特性

（一）氨的物理特性與應(yīng)用體系

氨在常溫常壓下為化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的無色氣體，標(biāo)準(zhǔn)狀況下氨氣的密度為0.771 g/L，相對(duì)密度為0.5971，沸點(diǎn)為-33.5℃，熔點(diǎn)為-77.75℃，由于氨氣比空氣輕，同時(shí)具有強(qiáng)烈的刺激氣味，泄露后擴(kuò)散快，不會(huì)聚集，很容易發(fā)現(xiàn)行及時(shí)處理，因此具有較高的安全性，適合作為燃料使用。

氨作為富氫化合物，可作為良好的氫能載體，其重量載氫能力高達(dá)17.6%，體積載氫效率是氫氣的150%。與純氫相比，氨氣最大的優(yōu)點(diǎn)在于易液化、儲(chǔ)存和運(yùn)輸。常壓下-33℃或者常溫下9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓力就能夠?qū)崿F(xiàn)氨氣液化，并可直接使用普通液化氣鋼瓶儲(chǔ)存；而氫氣在常壓下則需要降至-283℃這一極低溫度才可實(shí)現(xiàn)液化，同時(shí)還必須使用價(jià)格昂貴的特殊材質(zhì)儲(chǔ)罐存儲(chǔ)。同質(zhì)量液氨的儲(chǔ)罐在成本上是液氫儲(chǔ)罐的0.2%—1%，而液氨的單位體積重量密度又是液氫的8.5倍，同時(shí)液氨的蒸發(fā)速度只有液氫的1/102。氨易于存儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)奶匦钥梢越鉀Q純氫難以大規(guī)模、長距離儲(chǔ)運(yùn)的難題。氨由于其優(yōu)異的物理特性越來越受到各國重視，并從化肥逐漸被應(yīng)用到綠色零碳能源載體。

（二）氨的化學(xué)特性

氨是一種可燃性富氫化合物（NH3），不含碳，可由空氣中的氮元素和水中的氫元素合成，完全反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生水和氮?dú)?，不產(chǎn)生污染物和溫室氣體二氧化碳（CO2）。與汽柴油相比，氨燃料燃燒時(shí)的空燃比較低，在相同進(jìn)氣量下可以釋放更多能量。盡管氨燃燒緩慢、燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱值低，但氨的高辛烷值意味著它能夠在高壓縮比下穩(wěn)定燃燒，同時(shí)氨燃燒的熱損失比也要遠(yuǎn)低于氫氣和汽柴油，是一種高功率的清潔燃料。

氨除了可直接作為燃料燃燒動(dòng)力外，還可以用于固體氧化物燃料電池、堿性燃料電池及堿性膜燃料電池中。液氨的能量密度可達(dá)液氫的1.5倍以上，約是鋰離子電池的9倍3。按照現(xiàn)有的燃料電池技術(shù)，相同溫度下氨燃料的功率密度與氫燃料接近，在未來可代替氫作為燃料電池的理想燃料。

（三）氨的應(yīng)用體系

合成氨作為世界第二大化學(xué)品，早在20世紀(jì)就實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，工業(yè)上通常采用傳統(tǒng)的哈伯法在高溫、高壓和催化劑作用下將氮?dú)夂蜌錃夂铣砂?，技術(shù)已經(jīng)非常成熟。新型合成氨技術(shù)包括綠氫合成氨、光催化、電催化等，可以逐漸實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)合成氨向綠氨的過渡。目前，氨的生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、供給等環(huán)節(jié)已成體系，具有完整的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)貿(mào)易體系，是農(nóng)業(yè)化肥和基本有機(jī)化工的原料，約有80%用于制備化肥原料，未來將逐漸在儲(chǔ)能和動(dòng)力系統(tǒng)得到應(yīng)用。中國作為世界上最大的合成氨生產(chǎn)國和消費(fèi)國，擁有良好的合成氨及氨利用基礎(chǔ)條件，為未來氨能的推廣提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，能夠滿足大規(guī)模氨能應(yīng)用的需求。

三、氨能應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用

氨具有高辛烷值（gt;130），同時(shí)抗震爆性好，可用作內(nèi)燃機(jī)燃料，通過提高壓縮比來獲得更好的輸出功率，熱效率高達(dá)50%，甚至接近60%1。此外，氨作為零碳燃料，其完全燃燒產(chǎn)物只有水和氮?dú)?，不污染環(huán)境。氨的燃燒特性存在著火界限狹窄、層流燃燒速度低、最小點(diǎn)火能量高等燃燒惰性，通常不單獨(dú)用作燃料使用，而是將氨與燃燒性能較好的燃料摻混來改善其燃燒特性，如“柴油+氨氣”或“氫氣+氨氣”等混合模式進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)。在實(shí)際燃燒過程中，氨由于燃燒速度慢，會(huì)導(dǎo)致燃燒不充分和氧化發(fā)生，氨燃料的氮元素會(huì)以大量NOX（氮氧化物）排放，相較于CO2會(huì)造成更嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。因此，在氨燃燒的過程中選擇合適的溫度、壓力，并采取尾氣處理措施對(duì)于提高氨能利用效率，降低氮氧化物排放至關(guān)重要，使用SCR（選擇性催化還原）或三元催化劑可以有效清除氨內(nèi)燃機(jī)的氮化物排放。

氨燃料內(nèi)燃機(jī)主要分為車用和船用發(fā)動(dòng)機(jī)，適用于乘用車、公共汽車、重型卡車以及船舶等應(yīng)用場景，目前的研究主要熱點(diǎn)和發(fā)展方向是氨能船用內(nèi)燃機(jī)，許多國家和企業(yè)都已經(jīng)開始研究氨燃料在船舶動(dòng)力中的應(yīng)用。在氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，歐洲目前處于領(lǐng)先地位。德國船用發(fā)動(dòng)機(jī)廠商曼恩能源方案公司計(jì)劃于2024年推出面向大型船舶的氨動(dòng)力專用發(fā)動(dòng)機(jī)，芬蘭船用發(fā)動(dòng)機(jī)制造商瓦錫蘭正與挪威海工船東Eidesvik以及挪威國有能源公司Equinor聯(lián)合研發(fā)一艘以氨燃料電池為動(dòng)力、可完成遠(yuǎn)距離航行的零排放大型船舶，預(yù)計(jì)最早于2024年下水。2023年1月，日本郵船株式會(huì)社、日本船廠與日本IHI機(jī)構(gòu)聯(lián)手推出世界上第一艘氨氣浮式儲(chǔ)存再氣化駁船，并獲得日本船級(jí)社的原則性認(rèn)可。日本計(jì)劃在2025年完成純氨燃料船示范并積極推進(jìn)氨燃料船的商業(yè)化。韓國現(xiàn)代尾浦造船在2020年7月設(shè)計(jì)的載重量50 000噸氨動(dòng)力中程成品油船獲得了英國勞氏船級(jí)社原則性認(rèn)可證書，預(yù)計(jì)將于2025年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營。

我國同樣也積極投入氨燃料內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)研發(fā)和示范應(yīng)用中。2022年1月，大連理工大學(xué)隆武強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了我國首臺(tái)氨/柴油雙直噴二沖程內(nèi)燃機(jī)原理樣機(jī)，填補(bǔ)了我國在氨燃料低速機(jī)工程化應(yīng)用的空白。2023年6月，一汽解放氨氫融合直噴零碳內(nèi)燃機(jī)全球首發(fā)點(diǎn)火成功，這是氨能在重型商用車動(dòng)力領(lǐng)域的重要里程碑。此外，中國也積極推進(jìn)氨燃料船的示范，2020年10月，我國江南造船集團(tuán)研發(fā)的氨燃料動(dòng)力超大型液化氣體運(yùn)輸船獲得英國勞氏船級(jí)社頒發(fā)的原則性認(rèn)可證書。2022年3月，由中國船舶集團(tuán)有限公司旗下上海船舶研究設(shè)計(jì)院自主研發(fā)設(shè)計(jì)的中國首款7 000車位氨動(dòng)力汽車運(yùn)輸船正式獲得DNV頒發(fā)的原則性認(rèn)可（AiP）證書2，標(biāo)志著中國造船業(yè)在氨燃料動(dòng)力船領(lǐng)域的重要突破。

（二）SOFC應(yīng)用

燃料電池作為一種新興的能源形式，具有能量密度高、零排放、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來可持續(xù)能源的重要組成部分。在不同類型的燃料電池中，固體氧化物燃料電池（SOFC）具有發(fā)電效率高、燃料適應(yīng)性強(qiáng)、高溫余熱可回收等優(yōu)點(diǎn)，是一種高效綠色能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于大型發(fā)電、分布式發(fā)電及熱電聯(lián)供、交通運(yùn)輸及調(diào)峰儲(chǔ)能等領(lǐng)域。目前，以甲烷和天然氣為燃料的SOFC系統(tǒng)研究已經(jīng)較多，但由于存在碳排放問題，仍需要尋找合適的零碳燃料構(gòu)建SOFC系統(tǒng)。氨氣作為無碳富氫燃料，具有很高的氫密度，生產(chǎn)工藝成熟，同時(shí)又便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸，其作為固體氧化物燃料電池（SOFC）的燃料具有廣闊的應(yīng)用前景。以氨為燃料的SOFC 常以Ni陽極作為NH3分解的良好催化劑， 通常在高溫（800℃—1 000℃）下運(yùn)行，電池副產(chǎn)物僅為氮?dú)夂退淮嬖诜e碳問題1。已有研究表明，直接氨燃料電池（DA -SOFC）相對(duì)使用氫氣的 SOFC 具有更好的性能2。

世界范圍內(nèi)，固體氧化物燃料電池已進(jìn)入商業(yè)示范應(yīng)用階段，主要應(yīng)用在便攜式電源、燃料電池汽車、分散式供電供暖等領(lǐng)域。日本、歐美和韓國等國家和地區(qū)都在積極研發(fā)氨能SOFC技術(shù)，其中日本是氨能SOFC技術(shù)的引領(lǐng)者，IHI株式會(huì)社開發(fā)了一個(gè)1kW級(jí)NH3燃料SOFC系統(tǒng)，并在繼續(xù)開發(fā)更大的商用NH3燃料SOFC系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)SOFC的分布式零碳發(fā)電。2023年1月，總部位于挪威的清潔能源解決方案提供商Alma Clean Power設(shè)計(jì)研發(fā)的1MW氨燃料船用固體氧化物燃料電池系統(tǒng)正式獲得船級(jí)社頒發(fā)的原則性認(rèn)可（AiP）證書。由Eidesvik擁有和運(yùn)營的“Viking Energy”號(hào)將被改造成世界上第一艘氨動(dòng)力固體氧化物燃料電池船舶，其將擁有總功率為2MW的燃料電池模塊，并與現(xiàn)有的雙燃料發(fā)電機(jī)組和電池組集成，以允許船舶僅使用無排放的綠色氨作為船舶動(dòng)力，以證明氨動(dòng)力燃料電池系統(tǒng)遠(yuǎn)距離零排放航行和海上運(yùn)營的可行性。

與全球領(lǐng)先國家相比，我國燃料電池產(chǎn)業(yè)起步較晚，但進(jìn)步明顯，追趕較快。2022年，福州大學(xué)化肥催化劑國家工程研究中心研發(fā)團(tuán)隊(duì)，首創(chuàng)常壓低溫氨分解催化劑，并開發(fā)出“氨-氫”燃料電池系統(tǒng)，解決了“氨-氫”能源轉(zhuǎn)換過程中關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)難題。2022年1月，由福大紫金和廈門金龍共同打造的全國首輛氨氫燃料電池客車在福州大學(xué)啟動(dòng)；同年2月，由福大紫金開發(fā)的3千瓦級(jí)氨-氫燃料電池發(fā)電站正式交付并投入使用，以氨為燃料實(shí)現(xiàn)了清潔無碳發(fā)電。

（三）燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用

相較于內(nèi)燃機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)通常燃燒氣體燃料，且燃燒室體積不受限，以連續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械，是一種旋轉(zhuǎn)葉輪式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。早在20世紀(jì)60年代就已有將氨用于燃?xì)廨啓C(jī)的相關(guān)研究，但受技術(shù)限制及成本問題進(jìn)展較慢?，F(xiàn)階段將氨應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的研究已經(jīng)較為廣泛，可分為混燒和純燒兩種技術(shù)路線，混燒是指在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的燃料中混入氨進(jìn)行燃燒，而純燒則是僅使用氨作為燃料，目前在氨發(fā)電中混燒的技術(shù)更為先進(jìn)。由于氨本身存在的燃燒缺陷，其作為燃?xì)廨啓C(jī)燃料仍存在一定的問題，較慢的動(dòng)力學(xué)和較低的燃燒溫度使得氨作為燃料的燃燒效率較低，目前仍以初級(jí)的應(yīng)用研發(fā)和工程示范為主，氨燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒穩(wěn)定性和氮氧化物處理仍需要深入研究和探索。

以日本為代表的部分國家正在積極探索以氨為燃料的清潔火力發(fā)電技術(shù)，以加快電力部門的脫碳進(jìn)程。日本最早在50千瓦微型燃?xì)廨啓C(jī)上實(shí)現(xiàn)了氨能和甲烷的雙燃料發(fā)電，燃燒效率可達(dá)90%1。2021年3月，日本成功實(shí)現(xiàn)了70%的液氨在2 兆瓦級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中的穩(wěn)定燃燒，并能同時(shí)抑制氮氧化物產(chǎn)生2。豐田能源解決方案株式會(huì)社成功開發(fā)了50千瓦級(jí)和300千瓦級(jí)的氨專燒微型燃?xì)廨啓C(jī)。目前日本三菱重工正在開發(fā)100%氨氣發(fā)電的40兆瓦氨燃?xì)廨啓C(jī)，并計(jì)劃在2025年以后實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。美國GE發(fā)電公司也于2021年6月宣布與日本石川島株式會(huì)社IHI簽署諒解備忘錄，共同制訂氨燃?xì)廨啓C(jī)路線圖。

國內(nèi)有關(guān)氨能在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電領(lǐng)域的研究及應(yīng)用相對(duì)較少，主要偏向于理論和基礎(chǔ)研究。我國氫氨燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)與天然氣燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)相比，仍有較大差距，示范性應(yīng)用較少。

（四）蒸汽輪機(jī)應(yīng)用

火電機(jī)組混燒或純燒液氨等低碳燃料是電力部門低碳化改造的重要技術(shù)路線。在燃煤火力發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用氨混燒時(shí)，基本不需要改變現(xiàn)有設(shè)備，花費(fèi)較少的成本即可實(shí)現(xiàn)CO2減排效果。由于氨的燃燒速度較慢，燃燒穩(wěn)定性差，以及目前可再生能源生產(chǎn)氨的能力有限，現(xiàn)階段純氨仍無法完全代替燃煤用于發(fā)電3，更經(jīng)濟(jì)可行的選擇是與煤炭混燒，將氨和煤按比例混合，作為鍋爐燃料，既實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，又達(dá)到低碳排放，之后再提高混合比例，最終實(shí)現(xiàn)100%使用氨燃燒技術(shù)進(jìn)行發(fā)電。

現(xiàn)階段氨燃料用于蒸汽輪機(jī)發(fā)電的研究仍然處于起步階段，2021年6月，日本最大火力發(fā)電公司JERA開始在其愛知縣的100萬KW級(jí)碧南火力發(fā)電站開展20%氨混燒實(shí)證試驗(yàn)。日本IHI公司也已建成10MW的摻氨燃燒示范裝置，并在推進(jìn)實(shí)施1 000MW規(guī)模的電廠摻氨實(shí)驗(yàn)。韓國也在積極推動(dòng)液氨發(fā)電及氨氫混合發(fā)電技術(shù)聯(lián)合研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，斗山重工、現(xiàn)代重工和樂天精密化學(xué)等企業(yè)也將聯(lián)合開發(fā)一種“雙燃料綠色氨”的新型發(fā)電模式。

2022年1月，國家能源集團(tuán)宣布，世界首個(gè)燃煤鍋爐混氨燃燒技術(shù)工業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目在山東煙臺(tái)成功投運(yùn)，并順利通過中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)與中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的技術(shù)評(píng)審，在國際上首次實(shí)現(xiàn)40兆瓦等級(jí)燃煤鍋爐氨混燃比例為35%的中試驗(yàn)證，驗(yàn)證了燃煤鍋爐混氨燃燒的可行性。2023年4月，合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院和皖能集團(tuán)聯(lián)合研發(fā)的大型煤電機(jī)組大比例摻氨燃燒技術(shù)，在300MW燃煤機(jī)組實(shí)現(xiàn)多工況負(fù)荷下?lián)桨?0%—35%平穩(wěn)運(yùn)行，在國際上率先實(shí)現(xiàn)了目前最高摻氨比的燃煤發(fā)電機(jī)組清潔高效燃燒，標(biāo)志著我國摻氨燃燒降碳技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，率先進(jìn)入工業(yè)級(jí)應(yīng)用階段。

四、氨能發(fā)展挑戰(zhàn)及前景

氨能作為重要的氫基燃料，發(fā)展前景樂觀，但是（如表1所示），氨能發(fā)展現(xiàn)階段仍存在安全性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性等挑戰(zhàn)。

（一）安全性

氨的燃點(diǎn)是 651℃，在液化狀態(tài)下不易燃燒，但若泄漏在室外條件下，可馬上形成氣態(tài)氨，可與空氣混合后形成爆炸性混合物，當(dāng)氨氣在空氣混合物中濃度達(dá)到16%—25%時(shí)，遇明火就會(huì)引起爆炸，在《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中氨氣被劃分為乙類火災(zāi)危險(xiǎn)氣體。由于液氨極易氣化，液氨儲(chǔ)罐存在一定的物理爆炸風(fēng)險(xiǎn)，需要尤為注意在氨的制取及儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)發(fā)生泄露。

氨有強(qiáng)烈的刺激性和腐蝕性，且極易溶于水，在常溫常壓下，1體積水能溶解約700體積的氨，在《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)》中氨氣被劃分為IV類輕度危害氣體。由于高氣化潛熱的特性，人體直接接觸液氨會(huì)引起嚴(yán)重的化學(xué)燒傷，被腐蝕部位呈膠狀并發(fā)軟，可發(fā)生深度組織破壞，難以治愈。吸入通常是接觸氨氣的主要途徑，會(huì)對(duì)人的呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生刺激，并對(duì)眼睛和皮膚粘膜迅速造成損傷，引發(fā)流淚畏光、視物模糊、發(fā)炎水腫甚至急性輕度中毒，嚴(yán)重者會(huì)出現(xiàn)失明甚至死亡。

雖然氨的危險(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。所有運(yùn)輸氨的交通方式均發(fā)生過事故，但都不具備極端危險(xiǎn)性（如表2所示），其中管道運(yùn)輸被評(píng)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)1。

（二）環(huán)保性

氨具有一定的環(huán)境污染性，排放到大自然中會(huì)危害自然界氮循環(huán)，從而危及生態(tài)環(huán)境和人類健康。氨作為PM2.5的重要前體物之一，其在污染形成過程中起到關(guān)鍵作用，極易與二氧化硫、二氧化氮發(fā)生大氣化學(xué)反應(yīng)生成硫酸銨、硝酸銨等二次無機(jī)顆粒物，生成細(xì)顆粒物（PM2.5），加速了大氣霧霾的形成2。已有研究表明，化肥施用與畜禽養(yǎng)殖是我國大氣氨排放的主要組成部分，兩者排放之和占比達(dá)到80%以上3，現(xiàn)階段迫切需要減少農(nóng)業(yè)氨的排放。

氨燃料的沸點(diǎn)、汽化潛熱以及自燃溫度高，需要較高的點(diǎn)燃能量，通常需要使用引燃劑，同時(shí)，燃燒速度慢、燃燒范圍窄、燃燒溫度性差，目前仍較難應(yīng)用于“快響應(yīng)”場景。在排放方面，氨作為燃料使用的相關(guān)技術(shù)還不成熟，若氨燃燒不充分，會(huì)產(chǎn)生大量的氮氧化物（NOx），誘發(fā)多種呼吸道疾病從而影響人體健康，并產(chǎn)生酸雨、臭氧層破壞、光化學(xué)污染等一系列問題。未燃燒的氨氣也容易泄露，從而造成嚴(yán)重的環(huán)境問題。

（三）經(jīng)濟(jì)性

現(xiàn)階段我國95%以上的合成氨由化石能源制得，合成氨中超過80%是由煤氣化產(chǎn)氫再加工合成，即所謂的“灰氨”，其生產(chǎn)制備過程中會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳。綠氨以可再生能源電解水制備的氫氣與氮?dú)鉃樵线M(jìn)行合成，可實(shí)現(xiàn)全生命周期下的“零碳”排放，但當(dāng)前占比極少。在節(jié)能減排的要求及氨能應(yīng)用逐漸趨于成熟的大背景下，未來合成氨市場將進(jìn)一步由傳統(tǒng)合成氨向綠氨轉(zhuǎn)移，綠氨的市場規(guī)模將逐漸得到釋放，不過，綠氨的經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)較差。

根據(jù)文獻(xiàn)1研究所得（如圖1、圖2所示）為面向不同應(yīng)用場景的中國氨能全產(chǎn)業(yè)鏈平準(zhǔn)化成本結(jié)果，由于電解水制氫+HB合成氨及電化學(xué)合成氨路線較多，此處只是列舉堿性電解液電解水技術(shù)（AE）電解水制氫+HB合成氨制儲(chǔ)運(yùn)應(yīng)用結(jié)果。

圖1為加氫站應(yīng)用場景下中國氨能全產(chǎn)業(yè)鏈平準(zhǔn)化成本結(jié)果2。該應(yīng)用場景下氫能全產(chǎn)業(yè)鏈平準(zhǔn)化成本在3.19—14.03元/千克之間。其中，煤制氫-氣氨-管道輸送路線平準(zhǔn)化成本最低，為3.19元/kg，光伏PEM電解水制氫-液氨-液氨廂車路線平準(zhǔn)化成本最高，為14.03元/千克。其余各種制取儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)路線的全產(chǎn)業(yè)鏈成本中，天然氣重整制“氫+HB”合成氨路線全產(chǎn)業(yè)鏈平準(zhǔn)化成本在4.36—4.91元/千克，其余電解水制氫+HB合成氨路線中，核電和水電電解水路線平準(zhǔn)成本較低，主要與其年運(yùn)行時(shí)間、產(chǎn)氨量較高有關(guān)。從氨能全產(chǎn)業(yè)鏈不同環(huán)節(jié)的平準(zhǔn)化成本看，所有技術(shù)路線在制氨環(huán)節(jié)的平準(zhǔn)化成本最高，應(yīng)用環(huán)節(jié)平準(zhǔn)化成本最低。

圖2為氨燃料供給站場景下中國氨能全產(chǎn)業(yè)鏈平準(zhǔn)化成本結(jié)果。由于氨能可直接作為燃料用于交通，在這一場景下，無應(yīng)用環(huán)節(jié)平準(zhǔn)化成本，所有路線的平準(zhǔn)化成本在2.95—12.17元/千克之間，平準(zhǔn)化成本高低分布與加氫站場景基本保持一致，制氨成本仍是全產(chǎn)業(yè)鏈成本中占比最高的部分。

圖3為化工廠應(yīng)用場景下中國氨能全產(chǎn)業(yè)鏈平準(zhǔn)化成本結(jié)果3。由于氨能可作為化學(xué)原料直接用于化工領(lǐng)域，在這一場景下，無應(yīng)用環(huán)節(jié)平準(zhǔn)成本，所有路線的平準(zhǔn)化成本在2.84—12.07元，制氨成本仍是全產(chǎn)業(yè)鏈成本中占比最高的部分。另外，由于煉鋼廠、發(fā)電廠的儲(chǔ)運(yùn)距離與化工廠差距不大，因此全產(chǎn)業(yè)鏈平準(zhǔn)化成本與化工廠相似。

可以發(fā)現(xiàn)，目前不同氨能的制儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)路線成本存在明顯差異，傳統(tǒng)化石能源制氨成本最低，綠氨經(jīng)濟(jì)性相對(duì)灰氨較差，需要進(jìn)一步提效降本1。

（1）不同氨能的制儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)路線在平準(zhǔn)化成本方面存在顯著差異。制氨端，傳統(tǒng)化石能源制氨的平準(zhǔn)化成本明顯低于可再生能源電解水制氫-HB合成氨。管道輸送仍是成本最低的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)，運(yùn)用液氨廂車則成本最高。

（2）制氨端，總體而言各種制氨技術(shù)路線的氨能制取平準(zhǔn)化成本在2.69—10.95元/千克之間。其中，煤氣化+HB合成氨工藝制氨成本最低，為2.69元/千克，光電PEM+HB合成氨的制氨成本最高為10.95元/千克，天然氣重整+HB合成氨制氨成本為4.46元/千克。電解水+HB合成氨制氨成本在5.17—12.97元/千克之間，PEM電化學(xué)制氨成本在4.80—11.32元/千克之間。

（3）氨能儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用端，各種儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)和應(yīng)用場景下氨能的儲(chǔ)運(yùn)應(yīng)用成本具有顯著差異，整體成本在0.14—1.65元/千克之間。其中，氣氨管道輸送后運(yùn)至氨能發(fā)電廠的情景氨能儲(chǔ)運(yùn)應(yīng)用平準(zhǔn)化成本最低為0.14元/千克，液氨廂車運(yùn)送至航天發(fā)射中心的情景氨能儲(chǔ)運(yùn)應(yīng)用平準(zhǔn)化成本最高為1.65元/千克。氨燃料供給站場景各儲(chǔ)運(yùn)應(yīng)用路線平準(zhǔn)化成本為0.26—0.60元/千克；鋼鐵廠、氫能發(fā)電廠、氨能發(fā)電廠等場景的儲(chǔ)運(yùn)應(yīng)用單位氨能成本均在1元以下。

（四）前景展望

隨著傳統(tǒng)化石能源的逐漸退出，氨作為零碳燃料和氫能的載體，是實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)未來綠色發(fā)展的重要支柱，將有力推動(dòng)“雙碳”目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)階段基于化石燃料的傳統(tǒng)合成氨仍存在高耗能、高排放等問題，綠氨在制取技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性等方面也存在一定挑戰(zhàn)。在可再生能源大規(guī)模發(fā)展的背景下，亟需尋找綠色高效的制氨方案，實(shí)現(xiàn)低能耗、低排放、可持續(xù)的氨生產(chǎn)，從而讓氨能成為整個(gè)能源體系的重要組成部分?；谖覈?dāng)前能源發(fā)展趨勢，我國氨能低碳生產(chǎn)可以先以工業(yè)副產(chǎn)氫為過渡，再逐漸過渡到可再生能源電解水技術(shù)制取綠氫，探索低溫低壓條件下利用氫氣和氮?dú)夂铣砂钡男录夹g(shù)，最終實(shí)現(xiàn)綠氨的生產(chǎn)成本降低以及規(guī)?；l(fā)展。

除了增加綠氨供應(yīng)以滿足能源需求外，世界各國應(yīng)積極探索新興的氨能源產(chǎn)業(yè)，投入氨內(nèi)燃機(jī)、氨能SOFC系統(tǒng)、氨燃?xì)廨啓C(jī)以及氨蒸汽輪機(jī)發(fā)電等氨能利用技術(shù)的研究中，努力實(shí)現(xiàn)氨能對(duì)化石燃料的替代，大幅降低碳排放量，實(shí)現(xiàn)電力部門、海運(yùn)部門、制造部門等多部門的深度脫碳。

現(xiàn)階段學(xué)界普遍認(rèn)為，氨動(dòng)力船舶以及火電機(jī)組摻氨發(fā)電是氨能最重要的兩個(gè)應(yīng)用場景。綠氨將成為未來航運(yùn)業(yè)脫碳的主力燃料之一。據(jù)英國勞氏船級(jí)社預(yù)測，在2030—2050年，氨能作為航運(yùn)燃料的占比將從7%上升為20%，取代液化天然氣等成為最主要的航運(yùn)燃料。日本于2021年制定了“2021—2050日本氨燃料路線圖”，預(yù)計(jì)將于2040年建設(shè)純氨發(fā)電廠。我國現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)35%摻燒比例摻氨發(fā)電技術(shù)，但在商業(yè)化進(jìn)程中仍面臨著挑戰(zhàn)，對(duì)于氨燃燒的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理仍處于不斷驗(yàn)證改進(jìn)階段。氫-氨模式作為當(dāng)下可預(yù)期條件下最具技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性的方案，可以有效發(fā)揮氨能在長距離運(yùn)輸和長時(shí)間儲(chǔ)能上的優(yōu)勢，為大規(guī)模用氫提供保障。為早日實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，不同應(yīng)用場景應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求和技術(shù)特點(diǎn)探索多元氨能利用手段，以選擇最經(jīng)濟(jì)可行的脫碳技術(shù)路線。

應(yīng)加快氨能全產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)化部署，擴(kuò)大氨能儲(chǔ)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施，綜合考慮我國地理位置以及自然稟賦，建設(shè)大規(guī)模液氨儲(chǔ)罐群并規(guī)劃遠(yuǎn)距離液氨管道網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建成熟穩(wěn)定的氨能供應(yīng)體系。此外，可在部分區(qū)域試點(diǎn)開展光伏制氫、風(fēng)電制氫以及谷電制氫等示范項(xiàng)目，構(gòu)建多元?dú)淠芄?yīng)格局，開展摻氫天然氣管道、純氫管道等試點(diǎn)示范，推進(jìn)氫氨一體化發(fā)展，為氨能提供示范性應(yīng)用項(xiàng)目，最終形成氨能規(guī)?；瘧?yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈。

五、結(jié)論與建議

氨能的應(yīng)用挑戰(zhàn)與前景分析是重要的學(xué)術(shù)研究方向。文本在進(jìn)行文獻(xiàn)綜述基礎(chǔ)上，首先簡單介紹了氨能的特性和發(fā)展情況，然后重點(diǎn)梳理了氨內(nèi)燃機(jī)、氨SOFC系統(tǒng)、氨燃?xì)廨啓C(jī)以及氨蒸汽輪機(jī)這四個(gè)重要氨能應(yīng)用場景，描述了國內(nèi)外進(jìn)展趨勢以及面臨的主要挑戰(zhàn)，為未來氨能發(fā)展提出了前景展望。

我國應(yīng)積極開展高效制取綠氨技術(shù)的研發(fā)，探索以氨動(dòng)力船舶以及火電機(jī)組摻氨發(fā)電為主的多元化氨能利用路線，加強(qiáng)氫氨一體化儲(chǔ)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，啟動(dòng)綠氨示范項(xiàng)目，為我國未來大規(guī)模氨能利用奠定基礎(chǔ)。盡管氨能仍存在安全性、環(huán)保性及經(jīng)濟(jì)性等諸多挑戰(zhàn)，但其發(fā)展?jié)摿薮?，有希望成為碳中和背景下的重要零碳能源之一?/p>