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氨的生產(chǎn)及其發(fā)展趨勢(shì)

Haber－Bosch合成氨工藝是世界上最廣泛運(yùn)用的氨生產(chǎn)工藝，該工藝平均每年約生產(chǎn)1．8億噸的氨，同時(shí)能源消耗占全球能源總消耗的1．8％－3％，二氧化碳排放量約占全球二氧化碳總排放量的1％。因此各國(guó)正在探尋基于可再生能源制氫的綠氨生產(chǎn)工藝。

在歐洲，荷蘭處于領(lǐng)先地位，目前已經(jīng)完成將海上風(fēng)電和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氨燃料的可行性分析和論證工作。報(bào)告指出，隨著太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電成本的進(jìn)一步降低，以電解水為基礎(chǔ)的氨合成成本將比以天然氣為基礎(chǔ)的氨生產(chǎn)成本更低。荷蘭的能源公司（NUON）、天然氣公司（Gasunie）等多家大型企業(yè)均有所參與布局。

日本福島可再生能源研究所在2013年已經(jīng)在陸地建成了50kW的風(fēng)電和光電生產(chǎn)氨燃料并利用其發(fā)電的示范基地，氨與煤油混合使用能降低38％的煤油用量。德國(guó)西門子與英國(guó)盧瑟福阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室合作于2017年底建成純電力合成綠色氨和儲(chǔ)能系統(tǒng)的示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目由英國(guó)創(chuàng)新公司支持（Innovate UK）。澳大利亞正在對(duì)利用澳洲沙漠的太陽(yáng)能生產(chǎn)氨燃料并出口給日本的技術(shù)方案和協(xié)作戰(zhàn)略進(jìn)行論證。此外，挪威化肥巨頭雅苒國(guó)際（Yara International）2021年7月宣布，將于2023年在澳大利亞試生產(chǎn)綠氨，并計(jì)劃將其銷售給日本的發(fā)電廠。

相比于成熟的煤裂解制氫合成氨，采用電解水制氫合成氨的方式成本一般較高。根據(jù)勢(shì)銀能鏈謝易奇的分析，綠氫合成氨成本主要由原料成本（綠氫生產(chǎn)和氮?dú)馍�產(chǎn)）和設(shè)備折舊、工用設(shè)備（主要為電力）等其他成本組成，并假設(shè)原料成本占總成本比例為70％，其余部分占30％。每噸綠氨合成需要0．176噸綠氫和0．832噸氨氣。當(dāng)煤炭?jī)r(jià)格處于正常范圍（700－900元／噸），傳統(tǒng)合成氨的成本范圍在1900－2200元／噸，此時(shí)在可再生能源豐富且電價(jià)低廉（0．1元／度）的地區(qū)，綠色合成氨的成本可以和傳統(tǒng)煤制氫合成氨相競(jìng)爭(zhēng)。而當(dāng)煤價(jià)處于歷史高點(diǎn)時(shí)（1500－2000元／噸），傳統(tǒng)合成氨的成本將超過3000元／噸。此時(shí)電價(jià)到達(dá)0．2元／度的地區(qū)，綠氨生產(chǎn)成本也也可以和傳統(tǒng)氨生產(chǎn)成本競(jìng)爭(zhēng)。

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氨的應(yīng)用

氨除了能夠作為化工用品外，其可作為燃料直接用于飛機(jī)、航空飛船等機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力系統(tǒng)。

早在1941年，比利時(shí)A．Macq就提出氨燃料可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)，并成功將其運(yùn)用于汽車。1963年，美國(guó)航天局將氨作為燃料應(yīng)用于X－15實(shí)驗(yàn)機(jī)，以當(dāng)時(shí)人類航空史上最高時(shí)速送上太空。

如今，挪威海工船船東Eidesvik和瓦錫蘭將對(duì)一艘海工輔助船（OSV）進(jìn)行改裝，這也是全球首次在OSV上應(yīng)用氨燃料驅(qū)動(dòng)。改裝后的系統(tǒng)可使用70％的混合氨燃料來(lái)運(yùn)行。同時(shí)，船用發(fā)動(dòng)機(jī)制造商曼恩（Man Energy Solutions）也正在制造一臺(tái)二沖程氨動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，計(jì)劃在2024年前完成。船運(yùn)巨頭馬士基也表示，為早日實(shí)現(xiàn)碳中和，氨能將成為其船只主要?jiǎng)恿χ�一�?/p>

另外，氨燃料也可用于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行發(fā)電。如日本在2021年發(fā)布的《能源戰(zhàn)略計(jì)劃》中提出在2030年要將氨和氫發(fā)出的電能占日本能源消耗的1％�；�于此背景，2021年3月日本東北大學(xué)流體科學(xué)小林秀昭課題組成功實(shí)現(xiàn)了70％液氨在2000kW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。

如上所述，上述研究成果主要集中在氨混合燃燒領(lǐng)域，這是因?yàn)榘弊鳛槿剂溪?dú)自使用時(shí)具有燃點(diǎn)高，燃燒穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，并可能產(chǎn)生燃燒不充分的現(xiàn)象，這將排放氮氧化物污染環(huán)境。為了使其具有更好的燃燒效果，一般需要添加一定量的含碳化合物，此時(shí)無(wú)法達(dá)到“凈零”目標(biāo)。因此氨能作為燃料直接使用時(shí)要想達(dá)到完全的零排放還有很長(zhǎng)的路要走。

氨除了能直接用于燃燒外，也可將氨的儲(chǔ)存和輸運(yùn)優(yōu)勢(shì)與氫能利用相結(jié)合，以氨能為氫能載體，構(gòu)建一條“清潔高效合成氨－安全低成本儲(chǔ)運(yùn)氨－無(wú)碳產(chǎn)氫用氫”的全鏈條特色氫能利用路線，為實(shí)現(xiàn)“30．60”碳減排目標(biāo)提供一個(gè)嶄新的能源利用解決方案。

2016年，美國(guó)能源部通過一項(xiàng)“再生燃料”（REFUEL）的研究計(jì)劃，目標(biāo)是開發(fā)可擴(kuò)展的技術(shù)，將電能從可再生能源轉(zhuǎn)化為能源密度高的碳中性液體燃料，并根據(jù)需要轉(zhuǎn)換為電力或氫氣。目前，該研究計(jì)劃內(nèi)共有17個(gè)與氨有關(guān)的項(xiàng)目獲得資助。

國(guó)內(nèi)福州大學(xué)于12月10日啟動(dòng)建設(shè)了國(guó)內(nèi)首家“氨－氫”綠色能源重大產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺(tái)，該校江莉龍團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型低溫“氨分解制氫”催化劑率先實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，為“氨－氫”清潔能源高效轉(zhuǎn)換利用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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結(jié)語(yǔ)與未來(lái)展望

目前世界正處于能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，我們需要保持開放的心態(tài)，保持勇于嘗試的態(tài)度，保持敢于創(chuàng)新的精神。完成2050年的碳減排目標(biāo)需要多種能源的配合使用，基于氨氫融合解決氫能利用輸運(yùn)問題的能源解決方案或者是氨能獨(dú)自使用都可能隨著技術(shù)進(jìn)步在未來(lái)大放光彩，需要給它們提供更多的機(jī)會(huì)，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和尋找多樣的路徑和技術(shù)。

       原文標(biāo)題 : 行業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)：氨能時(shí)代會(huì)到來(lái)嗎？