碳中和目标下氨燃料的机遇、挑战及应用前景

高虎，刘凡，李海

（中国宏观经济研究院能源研究所，北京市 西城区 100038）

0 引言

2020年9月22日，习近平主席向世界承诺我国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。实现“双碳”目标是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，将对产业结构、能源系统、生产方式、生活方式、空间格局都将产生重大而深远的影响。

2021年10月，党中央、国务院相继印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》《2030年前碳达峰行动方案》等顶层设计文件，明确了总体目标，部署了重大举措，明晰了实施路径，提出了推动能源绿色低碳转型的政策框架。特别强调要进一步严格控制化石能源消费，严控煤电装机规模，积极发展非化石能源，着力构建新型电力系统。

“双碳”目标提出后，氢能因其清洁、高效、低碳、灵活等特点逐渐被大家所熟知，并认为是应对气候变化、替代化石能源、建设零碳社会的重要战略选择[2-3]。在钢铁、化工等难以减排领域中，氢能将成为重要选项，“电气化+电氢化”成为能源利用的主要方式[4-7]，氢能发电也有望成为电力系统中提供跨季节、长周期电力电量调节的重要技术手段[8]。

但是，由于氢自身的元素特性，目前纯氢储存和输运技术仍存在严重瓶颈，氢能的大规模、高质量发展面临诸多挑战[9]。相比之下，氨具有易于储运、零碳排放、热效率高等优点，在碳中和背景下可能成为氢能利用的一种重要载体，在工业、电力、交通等领域都有一定发展空间[10]。本文将分析“双碳”战略目标下氨燃料发展的机遇、挑战和前景，梳理氨燃料的自身特性，为我国多角度、多方向探索经济可行的碳中和技术路线提供参考。

1 氨作为替代能源的优势和机遇

1.1 氨的特性和优势

氨(NH3)是一种氮氢化合物，由于其独特的物理和化学特性，具有易于储运、零碳排放、热效率高等优点，在碳中和背景下将成为氢能利用的一种重要氢基燃料[11]。目前，氨主要用于制作硝酸、化肥、炸药以及制冷剂等，是世界上产量最多的无机化合物之一，技术成熟、产业完备，具备推广应用的基础条件。

1）氨的物理特性

氨在常温下是一种无色气体，有强烈的刺激气味，一旦发生泄漏，很容易发现并及时补救，且只有当它的浓度达到可被觉察浓度的1 000倍时才会致命。标准状况下氨的密度为0.771 g/L，比空气轻，泄漏后扩散快，不会积聚，因此氨作为燃料具有较高的安全性[12]。泄漏在大气中的氨还可以参与自然循环，随雨雪移动后，与其他物质反应或被植物吸收。

与广泛关注的纯氢相比，氨最大的优势在于易液化、易储存和易运输。氨气常压下-33℃或者常温下加压到9个大气压就能够实现液化，而氢气常压下需要把温度降低至-253℃才能液化，且温度在-240℃以上是无法液化的。因而，储氨只需要普通液化气钢瓶即可，而储氢则需要特殊材料。目前，氢能发展面临的主要挑战在于纯氢的储运，且大规模、长距离的储运技术瓶颈在短时间内难以突破。因此，氨易于储运的特性为发展氢基燃料提供了新的技术路线。

2）氨的化学特性

氨燃烧反应的化学方程式如式(1)所示。氨燃烧后只生成氮气和水2种环境友好型产物，不会产生二氧化碳，因此是一种零碳能源，可有效降低化石能源燃烧产生的碳氧化物、硫氧化物的排放。

氨不仅可以直接在内燃机中燃烧提供动力，还可用于碱性、固体氧化物等燃料电池。液氨的能量密度较高，是液氢的1.5倍以上，是锂离子电池的9倍。与汽油相比，氨的燃烧值一般，但辛烷值很高，可大大增加内燃机压缩比以提高输出功率，因而氨内燃机的热效率很高，可达50%～60%，是一般汽油内燃机的2倍左右。

3）氨的产业化体系

工业上，通常用氮气和氢气在高压、高温和催化剂作用下合成氨。合成氨工业在20世纪初期就已经形成，至今已有100多年的历史，技术非常成熟，在氨的生产、储存、运输等各方面都已成体系。与同样处于研发前沿的“氢与二氧化碳合成甲醇”的技术路线相比，“氢与氮气合成氨”的技术和应用条件要成熟很多，因而氨燃料的推广应用具有良好的产业基础。当前，我国合成氨产业已迈入转型升级发展阶段，建成诸多大型合成氨基地，涌现了云天化、湖北宜化、华鲁恒升等一大批具有较高技术水平、较大生产规模的企业，全国合成氨年产量接近5 000万t。

1.2 氨燃料的未来机遇

在“碳达峰、碳中和”目标愿景下，氨作为一种零碳能源具有广泛的应用领域，将为电力、交通等部门实现脱碳提供新的选择。

1）发电领域

随着风电、光伏发电等新能源大规模发展，电力供应的波动性和不确定性日益增加，亟需发展稳定可靠的新型电源来保障电力系统的安全稳定运行[13]。氨燃烧性能良好，易液化、易储存，具有较好的燃料供应保障能力。因此，氨燃料发电可作为一种清洁零碳型发电技术，为电力系统提供与传统火电类似的可调度、可调节、可控制的电力电量支撑[14]。虽然在燃烧特性、燃烧产物成分与辐射特性等方面，氨燃料与煤炭、天然气等存在较大差异，掺氨或纯氨燃烧存在增加NOx排放的风险，但可通过燃烧分级、燃烧组织优化等方式有效调控[15]。

未来，新能源大规模发展也将进一步推动合成氨制备的零碳化。在新能源出力富裕或者负荷低谷时期，利用电解水制得的“绿氢”合成氨燃料，并将其液化储存；在新能源出力不足或负荷高峰时，使用储存的氨燃料进行发电，可满足用电需求、缓解供电紧张。整个过程虽然会有一部分能量损失，但不会产生任何碳排放。因此，“电-氢-氨-电”系统有望成为新型电力系统建设的重要储调模式之一。

2）交通领域

国际海事组织2018年通过了温室气体减排初步战略，提出到2030年全球海运碳排放与2008年相比至少下降40%，力争到2050年下降70%。为实现航运业的减碳脱碳，清洁燃料替代化石能源是最具潜力的技术手段。远洋航行船舶载重吨位大、航程长、靠港频次低、燃料加注相对不便，需要使用能量密度较高的燃料和功率较大的动力装置。在目前关注度较高的零碳能源中，氨动力船舶能量密度比液氢高50%，且可利用现有氨供应链和基础设施，在集装箱船等大型船舶远航领域具有较好的推广应用前景[16]。

此外，氨燃料在公路运输方面也具有一定的应用场景。氨基燃料电池汽车、卡车和公共汽车不仅效率高、无排放，还具有续航能力强、补给时间快等优点。利用已有燃料电池技术，氨燃料在相同温度下能够达到与氢燃料相近的功率密度，被认为是可替代纯氢用于燃料电池的理想燃料。

2 氨燃料存在的问题和挑战

2.1 安全性问题

氨具有毒性与腐蚀性，存在安全隐患。根据《职业性接触毒物危害程度分级》，氨气属于IV类轻度危害气体，人群暴露在含有一定浓度的氨气环境下，湿皮肤、黏膜和眼睛会受到氨气侵袭，可能发生中毒事故，引起严重咳嗽、支气管痉挛、急性肺水肿，甚至会构成失明和窒息死亡。

氨还存在爆炸危险，当氨气在空气混合物中浓度达到16%～25%时，遇明火就会引起爆炸，属于《石油化工企业设计防火规范》规定的乙类火灾危险气体。此外，液氨极易气化，氨储存罐还存在物理爆炸的风险。在氨的制取和储运环节，如果发生泄露，或将发生安全事故。

2.2 环保性问题

与其他燃料相比，氨的燃烧速度较慢，尚难应用于“快响应”场景。目前，氨燃烧的相关技术还不成熟，当氨燃烧不充分时，反应过程会产生大量的氮氧化物(NOx)，可能造成酸雨、臭氧空洞、光化学烟雾等大气污染及其他环境问题。

2.3 经济性问题

目前我国80%以上合成氨通过煤气化生产氢气，再加工合成，即合成氨主要原料仍是“灰氢”，其生产制备是高碳工艺过程，会排放大量二氧化碳。

随着可再生能源制氢技术的发展，“绿氢”为合成“绿氨”提供了可能。但当前可再生能源发电、电解水制氢系统等成本较高，“绿氢”及合成的“绿氨”还较为昂贵。据试点项目数据，“绿氨”成本比煤制合成氨高出50%以上，短期内“绿氨”还不具备经济可行性。

3 全球积极布局“氨经济”对我国的启示

随着全球绿色低碳发展步伐加快，很多国家对推广氨应用表现出极大兴趣，积极布局氨-氢产业，重点在氨燃气轮机、氨燃料动力船以及氨-氢运输等方面开展研究，也为我国实现碳达峰、碳中和提供新的思路和方向。

3.1 氨产业发展情况

1）氨燃料发电

碳中和目标愿景下，推进火电机组掺烧或纯烧液氨等低碳燃料是发电领域减污降碳的重要技术方向[17]。目前，以日本为代表的部分国家正在探索发展以氨为燃料的火力发电技术，加快推动电力部门的脱碳进程[18]。其中，日本实验室和工程公司已经测试开发了50～2 000 kW的小型氨燃气轮机；日本三菱重工正在开发40 MW氨燃气轮机，它将100%使用氨气发电，并把选择性催化还原与新型燃烧技术相结合，降低氨不完全燃烧所产生的氮氧化物。该技术可用于工业应用或偏远岛屿的发电站，日本计划于2025年实现商业化应用。2021年6月，美国GE发电公司也宣布与日本石川岛株式会社IHI签署谅解备忘录，共同制定氨燃气轮机路线图。

2）氨燃料动力船

2020年10月，我国江南造船集团研发的氨燃料动力超大型液化气体运输船获得英国劳氏船级社颁发的原则性认可证书。2021年3月，江南造船集团研发的氨燃料动力40 000 m3中型液化气体运输船再次获得英国劳氏船级社颁发的原则性认可证书，有效证明了氨作为航运燃料的可行性，是航运界使用替代燃料向零碳排放推进的一个重要里程碑[19]。

韩国造船企业同样致力于研发氨燃料推进船舶，抢占绿色动力能源技术制高点。2020年7月，现代尾浦造船设计的载重量50 000 t氨动力中程成品油船获得了英国劳氏船级社原则性认可证书，预计2025年实现商业化运营。2021年1月，韩国船级社发布关于氨燃料动力船舶的研究报告，阐述了氨的生产使用、经济效益、处理设施的安全特点、氨燃料电池和内燃机等相关特性。

挪威、芬兰等欧洲国家对于环保要求十分严苛，很多港口计划施行“零排放”，也规划在未来几年内开始使用以氨燃料为动力的船舶。芬兰船用发动机制造商瓦锡兰、挪威海工船东Eidesvik以及挪威石油公司Equinor正在合作研发以氨燃料电池为动力、可完成远距离航行的零排放大型船舶，预计最早将于2024年下水，届时将成为首艘航行于公海的商业化氨动力船。

3）氨-氢运输

氨不仅可以作为燃料提供动力，还可能成为未来氢气大规模运输的重要载体[20]。一方面，与氢气相比，氨气极易液化，液氨运输难度大幅降低；另一方面，液氨储氢中体积储氢密度世液氢的1.7倍，同时也远高于当前主流的高压长管拖车储运氢气的方式。因此，可再生能源电解水制得“绿氢”后，再通过“氢-氨-氢”的化学储氢方式运输受到了业界的青睐。

基于氨-氢运输方式，氨被认为是推动可再生能源出口的关键载体，在大型“绿氢”等出口项目领域优势明显，成为日本、澳大利亚、新加坡等国家积极布局的重要方向。2018年，澳大利亚可再生能源机构宣布投入2 000万美元，用于支持可再生能源出口，其中就包括以氨为载体的可再生能源出口技术。日本经济产业省发布的可再生能源路线图显示，到2030年后，日本每年可能会进口100亿～200亿美元的氢气，也会催生大量的氨-氢运输市场需求。

3.2 对我国的启示

随着化石能源的逐步替代，氨由于其运输便利性或将成为全球能源贸易的重要组成部分。在世界各国积极研究布局“氨经济”的同时，我国也应当积极研究氨基燃气轮机、动力船舶、燃料电池及氨-氢运输等新型技术，努力推动零碳能源-氨-氢融合发展的颠覆性技术创新。结合我国氢能产业发展，适时布局“绿氨”产业，推动氨燃料的试点示范及推广应用。

当然，氨燃料是零碳替代能源的一种选择，但也不是唯一解决方案。不论是将氢气、氮气合成氨气还是将氨气转换为氢气，都将有一定的能量损耗，氨燃料的大规模应用也还存在很大的挑战。为实现碳中和目标，各领域需要根据实际用能需求和技术发展前景，多角度、多方向研发探索，最终选择经济可行的零碳脱碳技术路线。

4 结论

合成氨是传统化工的重要产品之一，具有应用广泛、技术成熟、产业完备的特点。在碳达峰、碳中和背景下，因零碳排放、储运便利、热效率高等优势，氨燃料可成为替代化石能源的重要选择，在发电、交通及储氢方面都具有广阔的应用前景。尽管氨作为替代能源还存在安全性、环保性及经济性等方面的诸多挑战，但是“绿氨”为实现零碳脱碳提供了新的路线，在全球各国布局“氨经济”热情高涨背景下，我国也应抓住能源低碳转型发展的历史机遇，积极开展掺氨/纯氨燃烧、动力船舶等重点技术研发创新，引导适宜地区结合优势产业布局“氨-氢”示范项目，统筹合成氨工业、可再生能源及氢能产业等融合发展，推动低碳氨燃料在电力、航海等难以减排领域的化石能源替代。