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“双碳”指标下的氨能本领与经济性盘问进展

李卫东，李逸龙，滕霖，尹鹏博，黄鑫，李加庆，罗宇，江莉龙

福州大学石油化工学院化肥催化剂国度工程盘问中心清源创新实验室，福建 福州 350000

援用本文

李卫东, 李逸龙, 滕霖, 等. “双碳”指标下的氨能本领与经济性盘问进展[J]. 化工进展, 2023, 42(12): 6226-6238.

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0066

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摘录：

由于氨的高能量密度和零碳性情，其算作氢能和可再生能源载体具有雅致的异日商场。氨比氢更易储运且本色安全性强，有望成为推动能源创新、社会跳跃和国度发展的零碳能源发展阶梯之一。本文从氨能的全产业链角度开赴，先容了合成氨产业发展趋势以及种种合成氨本领的最新进展和成本经济性；列举了现时氨的主要储运方式、效果、成本和安全性特征；综述了氨的新能源燃料应用，包括氨燃料电板、氨内燃机、氨燃气轮机等本领体系发展近况和燃料成本经济性，以及氨理会制氢效果和坐蓐成本上风。通过上述本领和经济性分析，探讨了氨能在能源系统中的重要作用，进一步梳理了氨能本领发展地方。

凭证《巴黎协定》，中国提议2030年前杀青碳达峰和2060年前杀青碳中庸的“双碳”指标；欧盟应许到2030年将温室气体排放水平至少虚构40%，这个指标最近被提议增多到2030年至少减少55%。鉴于这些指标以及全球碳中庸布景，列国正处于从化石燃料转向可再生能源休养的过渡阶段。因此，氢算作一种清洁的可再生能源受到了庸俗的温暖，列国纷纷对关系本领张开盘问。算作一种高效、安全、经济的氢能载体，日本在2021年10月发布的第6版《能源策略野心》中，初次引入氨能产业布局，提议氨能意见。氨算作储能和储氢载体，其坐蓐和应用的本领取舍多种种种，而且氨算作无碳化合物，袪除产物纯洁无碳，因此不错算作清洁能源径直袪除使用。氨最初被用于硝酸、制冷剂、氮肥等产物的化工原料，近几年跟着氨能产业的不断发展，其合成、储运以及新能源应用范围的关系盘问也越来越庸俗。异日氨能的能源阶梯将围绕绿色能源-合成氨能-裂解制氢能/径直氨能-结尾场景能源结构进行过渡发展并无间，催生出一系列的氨能产业链。

1

合成氨本领发展及经济性

得志零碳需求“氨经济”的杀青需要三代合成氨本领的开发和迭代（图1）。第一代本领以“蓝氢”为原料，以确保哈伯（H-B）制氨流程中的二氧化碳捕集与封存（CCS）；第二代本领以可再生能源坐蓐“绿氢”为原料，通过哈伯法杀青“绿氨”合成；第三代本领通过交易界限的氮电复原径直制氨，来幸免产氢设施和哈伯工艺的使用。现时，第一代和第二代本领的主要窒碍起首于碳排放和成本问题，第三代本领则主要受限于效果、闇练度、可行性等问题，但跟着全球“氨经济”阶梯与本领的快速发展，这些问题将有望得到有用处置。

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图1　合成氨本知晓线发展趋势图

1.1

第一代合成氨本领

1909年，由Fritz Haber和Carl Bosch发明的哈伯工艺杀青了全球96%以上的氨坐蓐，成为了20世纪最主要的合成氨工艺。该工艺平方以化石能源（煤、自然气和燃料油等）为原料制备氢气，将其与通过空气低温分离后制得的氮气勾通，在铁或钌催化剂的作用下，使氢气和氮气在高温高压条目下发生化学反馈合成氨。现时，哈伯工艺仍被庸俗应用于化肥坐蓐，极猛进度上处置了寰宇食粮问题，并通过对反馈催化剂的不断改进，杀青了氨的高效合成。然则，保管高温高压景色所需的浩繁能量以及工艺流程排放的多量二氧化碳，也使得哈伯工艺合成氨成为了全球最大的能源破费和温室气体排放对象之一，约占全球温室气体排放量的1.0%，二氧化碳排放量的1.8%。在曩昔100年里，氨坐蓐本领不断发展，但还是全球温室气体排放的重要起首。由煤气化转向甲烷蒸汽重整（SMR）的氨坐蓐本领杀青了碳排放的虚构以及热损成仇能源需求的减少，而CCS本领的应用进一步缓解了工艺流程二氧化碳的排放，所制得的氨也被称为“蓝氨”。国外能源署（IEA）对一系列CCS本领应用于甲烷蒸汽重整合成氨本领进行经济性分析得出，CCS不错减少SMR制氨流程中50%~90%的碳排放量，但工艺复杂性和成本呈现不同进度的增多。

1.2

第二代合成氨本领

自哈伯工艺庸俗应用以来，合座能源效果由36%栽培到了62%~65%，但坐蓐流程仍主要依赖于化石燃料，环境友好性差。因此，以可再生氢源为原料的第二代合成氨本领出现，所制得的氨被界说为“绿氨”。可再生能源合成氨本领通过化石能源替代一定进度上处置了碳排放问题，其中电化学合成氨本领以其独有上风受到庸俗温暖。该本领通过可再生电能杀青氨合成，具有低压幼稚耗、清洁无稠浊、零碳排放等优点，是极具后劲的老例氨合成替代方法。现时，凭证电解质类型不同，电化学合成氨本领分为团员物电解质膜（PEM）水电解制氢合成氨、碱性水电解（AWE）制氢合成氨和固体氧化物电解（SOE）制氢合成氨3种类型。

（1）PEM水电解制氢合成氨

1966年，通用电气开发了首套基于固体团员物电解质意见的水电解槽，选拔固体磺化聚苯乙烯膜算作电解质，形成了团员物电介质膜或质子交换膜水电解意见。该本领平方选拔Nafion膜在室温下杀青质子的高效传递，用于勾通氢原子产生氢气。Lan等在环境温度和压力下，以Nafion膜算作固态电解质，氢气和氮气为反馈物，杀青了法拉第效果高达90.4%的氨合成。Chen等通过改进PEM反馈器结构有用处置了氨穿透问题，同期防止了阴极析氢反馈的发生，杀青了PEM制氢合成氨本领的优化。

在应用层面，Proton Onsite等公司开发了具有75%高热值效果的兆瓦级PEM水电解槽系统，在电能充足或可有用将太阳能飘舞为电能情况下，杀青了界限化的电化学合成氨坐蓐。Ozturk等对土耳其某太阳能光伏氨坐蓐厂进行评估，得到使用含PEM电解槽的制氢合成氨系统的最大能量和㶲效果区分为26.08%和30.17%。Adam等通过PEM水电解制氢，变压吸附空气分离安设制氮，勾通哈伯反馈器杀青氨坐蓐，以现场风力涡轮机产生电力为水电解和哈伯流程提供能源，每天可坐蓐约30kg的氨。

（2）AWE制氢合成氨

PEM本领选拔的Nafion等酸性膜不错与弱碱性氨发生反馈，导致质子传导率虚构。而碱性环境能有用虚构氨与膜的反馈性，并允许使用低成本活性催化剂，因此AWE本领成为了PEM本领的有用替代之一。AWE制氢电解质平方为25%~30%浓度的KOH溶液，电解反馈在碱性低温环境下进行。与PEM本领比较，AWE本领腐蚀更容易限定，因此成为了工业坐蓐首选。1951年，Lurgiai开发了第一台商用高压（30bar，1bar=105Pa）碱性电解槽。20世纪，加拿大、埃及、印度、挪威等领有大型水电资源国度设立了多个容量高达165MW的碱性电解工场。

跟着可再生能源成本下跌，AWE制氢、合成氨本选拔到庸俗温暖。Grundt等评估了1970年代的水力发电假想，其中碱性水电解制氢在80℃下运行时的峰值效果大于60%。Bicer等盘问标明，通过水力发电驱动的碱性水电解制氢合成氨可将每吨氨合成的二氧化碳排放量从1.5t减少到0.38t。风力驱动的AWE制氢合成氨工艺中，电解槽运行效果为60%，臆测坐蓐每吨氨可产生0.12~0.53t的二氧化碳。相较于其他水电解本领，AWE电解槽相对低价，大略杀青元件成本虚构80%；相较于PEM本领，AWE电解槽系统界限更大，最高可达5000kW，每小时内可制得氢气760m3（20℃，101.325kPa），且成本（1061~1273USD/kW）低于基于PEM本领的电解槽（2017~2122USD/kW）。

（3）SOE制氢合成氨

固体氧化物电解槽（SOEC）开发于1970年代，由于在800~1000℃高温范围内运行，也被称为高温水电解槽。与传统电解槽比较，SOEC在电解制氢气方面具有超卓性能，能以更高的功率密度和效果（76%~81%）运行，尤其在高温废热环境下，水电解制氢流程杀青了热量存储。材料的永远性和平稳性是SOE制氢本领的重要挑战。Nayak-Luke等通过集成SOE电解槽坐蓐氢气和氮气，再由哈伯工艺合成氨，充分愚弄废热可将系统总效果栽培到70%以上。Cinti等将制氢用SOE与改进型哈伯反馈器勾通，以可再生能源电力合成绿氨，其高效果SOE将合成每千克氨的耗电量降至8.3kWh，同期杀青了哈伯反馈器热量回收。Harvego等开发了以核反馈堆为能源的SOE制氢安设用于绿氨合成，通盘系统的能源效果为47.1%。SOE系统也适用于以风能和太阳能光伏为能源的可再生氢和氨的坐蓐应用。现时，托普索妥洽FIRST AMMONIA公司启动了全球最大的电解槽制氢合成氨方式，初次杀青了工业界限的SOEC绿氨坐蓐。

从本领层面来看，传统哈伯工艺效果高、成本低，但多量能耗和温室气体排放是该工艺的障碍。PEM本领具有高功率密度、高电流密度、高纯度等上风，但存在催化剂材料价钱高、永远性差、寿命低等本领问题；AWE为最闇练的电化学制氢合成氨本领，投资成本低，但存在电流密度低、功率密度低、电极结盐等障碍；SOE本领效果高、成本低，也被以为是最具前途的绿氨坐蓐方法，但本领闇练度低，仍处于预交易化阶段。因此，电化学合成氨本领还有很长的路要走。表1为电化学合成氨工艺与传统工艺成本对比情况（假定氨坐蓐界限为2000t/d，电价为0.33CNY/kWh）。从经济层面来看，电化学合成氨工艺因电流效果低，其成本高于传统H-B工艺。电价是影响电化学合成氨成本的主要成分，通过限定电价和可再生能源上风愚弄，其坐蓐成本将有望优于传统工艺。随可再生能源成本下跌，电化学合成氨可能成为一种极具后劲的应用本领。

表1　制氨工艺成本对比

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1.3

第三代合成氨本领

第三代本领通过径直或介导方式，以可再生绿色能源为电力供应，驱动氮电复原合成氨。该本领不再需要哈伯工艺，原料无碳无摧毁且获取蹊径庸俗，以H2O替代H2算作氢源，幸免了化石能源的使用。电化学氮复原反馈（NRR）流程中，电催化剂径直将电子和质子添加到N2分子来产生氨分子，能量破费比哈伯工艺更少，且反馈流程简单安全，大大增多了氨制备的纯真性和可协作性。

本领盘问方面，Mcenaney等通过改变电极结构对NRR工艺进行优化，研发了电化学锂介导的氮复原反馈。该方法对合成氨具有主要取舍性，除使用锂金属算作反馈物资外，还选拔酒精算作糟跶质子供体，引入鏻

盐算作质子穿梭机，在领有接近工业水平的电解电流密度同期，得到了88.5%的高电流效果，栽培了氨的产率（图2）。2017年，Zhou等对另一项合成氨工艺进行盘问，通过勾通疏水、高氮融解度离子液体（IL）电解质和纳米结构铁基电催化剂，以高N2融解度离子液体为电解质，杀青了环境温度和压力条目下高达60%法拉第效果的NRR制氨流程。不仅如斯，Wang等在2018年又通过三电极系统进行了钌纳米颗粒（Ru-NP）的电化学NRR盘问，以盐酸算作电解质，Pt和Ag/AgCl区分算作对电极和参比电极，考证了Ru-NP大略在盐酸水溶液中以高能量效果杀青NRR流程。除NRR工艺外，Giddey等开发了一种低压膜法氨合成工艺（图3），氢通过分压差穿过渗入膜，在催化剂作用下与另一端的氮发生反馈合成氨。该工艺氨合成速率高达10-6mol/（cm2·s），压力远低于传统哈伯反馈器，不错减少25%以上的能量破费，虚构了总系统成本。

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图2　电化学氮复原合成氨默示图

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图3　低压膜法合成氨默示图

从本色上看，NRR制氨工艺比第二代水电解制氢合成氨工艺更经济，其不仅体当今合成氨表面所需能量少（约7.5%），更重要的是幸免了哈伯工艺工场的高能源破费和资金干预。即使在NRR工艺60%的能源效果基准上，磋议到其对哈伯工艺的能源成本和成本成本的简约，也彰着比电解水工艺80%的能源效果更经济。相通，NRR工艺的主要坐蓐成本受电价影响。现时，NRR制氨本领远未达到坐蓐和储能层面上的经济可行性，开发高效的NRR制氨本领将获取繁多的潜在讲演。

2

氨能储运本领近况及经济性

2.1

氨能储存

当氨保管在8.58bar压力时，不错在20℃环境温度下进行液态储存，平方氨储存容器在17bar压力下运行，以保握液体景色。而氢气储罐的最大责任压力为200bar，储存同等能量时，氢不仅需要比氨大4.65倍的体积，还需要更高承压的储罐，增多了存储成本。与氢气储存系统比较，氨储存系统破费能源更少、运行效果更高、成本更低。其中，氨储存系统的效果为93.6%，而氢气储存系统的效果为76.9%。基于成本磋议，氨和氢的大界限储存平方选拔低温方式，有余低温度的氨（-33℃）和氢（-253℃）均不错在常压下液态储存。Bartels对比低温氨和氢储存系统发现，储存182天时，氨储存所需能量神圣为氢的五分之一；若电力成本为0.08USD/kWh，忽略投资成本情况下，氨和氢的低温储存成天职别为0.03USD/kg H2和0.95USD/kg H2，氨比氢的存储设施更经济；若将能源成本与投资成本相勾通，氨和氢的总储存成天职别为0.54USD/kg H2和14.95USD/kg H2，氨的总储存成本比氢低近30倍；若储存时辰裁汰到15天，氨和氢的储存成天职别为0.06USD/kg H2和1.97USD/kg H2，成本各异仍然约是30倍。Rouwenhorst等盘问发现，氢储存成本跟着储存时辰增多而显耀增多，而氨储存成本则随存储时辰基本保握不变。Palys等对氨可再生能源存储系统的本领经济性进行分析，发当今风力发电后劲大或季节性发电需求各异较大的城市使用氨储能比氢储能的成本低0.12USD/kWh，若将氨与氢本领勾通，储能成本为0.17~0.28USD/kWh，阐述了可再生能源绿氨投资的可行性，以致能与某些化石能源策略相竞争。

2.2

远洋运送

自20世纪以来，氨产量随东谈主口增长而快速增多，到2019年氨产量约2.4亿吨，展望2030年产量将增至约3亿吨。其中，氨的主要坐蓐国为中国、印度、俄罗斯和好意思国，并在全球范围内进行交往。由于地舆位置非常性，日本、特立尼达、多巴哥等氨相差口商主要通过海运进行贸易。海运算作最具成本效益和能源效果的散装货品运送类型，在全球氨贸易商场占据主导地位，杰出10%的氨选拔海运进行贸易。氨的远洋运送不错选拔加压或低温储罐，现存远洋船舶大略杀青5万吨的低温液氨储存运送。Al-Breiki等对液化自然气、液氨和甲醇3种能源载体的远洋运送进行能量和㶲分析后发现，氨的蒸发气亏损极小且无碳，是一种优质高效的远洋能源运送载体。现时，凭证距离和燃料成本，以重质燃料油为燃料的远洋运氨成本为30~100USD/t，跟着氨燃料运送船的应用实行，该运送成本将呈现显耀下跌。

2.3

陆上运送

按照交通器具不同，氨的陆上运送方式主要分为管谈、公路、铁路、水路4种。其中，液氨管谈是一种低风险、设施完善且成本效益高的运送方式，在长距离输送中更具上风。长输液氨管谈在全球范围内杰出6000km，如好意思国海湾中央液氨管谈长度为3200km，每年输送290万吨氨，俄罗斯托利亚蒂-敖德萨液氨管谈长度为2400km，每年可输送300万吨氨，这些管谈每吨氨的运送成本约为0.07USD/km。Bartels对氨和氢管谈的运送成本进行经济性分析得出，运送距离为1610km时，氢管谈的运送成本为0.51~3.22USD/kg H2，而氨管谈的运送成本为0.194USD/kg H2（0.0344USD/kg NH3），可见管谈每吨氨的运送成本为0.02~0.07USD/km，氢的管谈运送成本险些是氨的三倍以致多了一个数目级；在不磋议氨合成的情况下，氨管谈的运送效果为99.2%，而氢管谈的运送效果为86.9%。公路罐车运送方面，氨的高能量密度以及较低的钢材要求相较于氢具有显耀上风。氢运谈输选拔的高压长管拖车运送本事被放手在340kg H2（48GJ能量），将氢气液化可将运送本事栽培至3900kg H2（553GJ能量），而液氨罐车可运送26600kg NH3（600GJ能量）。此外，氢气液化是一个能源密集型流程，液氢运送比氨运送需要更多的能量。公路液氨罐车由于高休养成本和路程亏损率，是现时较为立志的氨运送取舍，但在短距离运送方面具有竞争力。氨的铁路运送与公路运送访佛，选拔容量为126.81m3、压力为15.5bar的加压罐，大略运送77.5t氨（1746GJ能量）。当运送距离杰出2000~3000km时，与公路罐车比较，铁路或海运是成本效益更高的氨运送方式。

2.4

氨能储运安全

自然危急性远低于氢，但氨具有较强的腐蚀性、蒸发性和刺激性，其安全性是氨运送经济性的保险。液氨管谈一般应用于长距离输送，其安全问题包括液氨汽化或气塞导致的管谈扩展变形、东谈主为絮叨形成的疲惫开裂或败露问题以及埋地管谈腐蚀问题等。2004年，好意思国内布拉斯加州麦哲伦管谈的97t液氨败露事故曾形成一东谈主入院，1000多条鱼升天。公路适用于运量低、短距离的液氨输送，液氨容器与储罐间装卸流程的时时聚首与断开是其主要安全问题。液氨公路运送一般路过东谈主口密集区域，因此短时辰内的有用应答方法也可能对周围形成严重危害。2007年，四川内江一食物加工场内液氨储罐与槽罐车转存流程中管谈打破引起的液氨败露，曾形成2东谈主就地受难，1东谈主进犯抢救以及隔邻部分住户中毒。铁路为液氨长距离、高输量运送的常见方式，平方需穿过东谈主口密集地区，由于铁路交通引起的液氨安全问题很少辅导周围住户选用有用行动，其事故形成的后果一般是可怜性的。2002年，好意思国北达科他州铁路液氨罐车脱轨事故导致约560t液氨败露，对隔邻11600多名住户的眼睛和肺部形成了不同进度毁伤。水路通过内陆河流杀青跨区域长航路的液氨运送，一般鉴别东谈主口密集区域，且容易领受败露液氨，但会对周围生态环境形成不成逆影响。

Lippmann基于以往液氨运送事故调研，区分通过事故发生的可能性、严重进度以及风险品级对陆上液氨运送方式的安全性进行了分析（表2）。分析标明，扫数交通运送方式均发生过事故，但王人不具备极点危急性，其中管谈运送被评定为低风险，驳船运送被以为是中等风险，而铁路和公路运送被视为高风险。

表2　不同运送方式风险评估

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3

氨能新能源应用及经济性

3.1

氨能源燃料

氨算作一种后劲繁多的新能源燃料，可应用于稍加改造的种种型内燃机、燃气轮机和袪除器，并可径直用于燃料电板，成心于推动公路、海运、航空等交通领域的低碳环保。氨的燃料应用最早可追忆到第二次寰宇大战时代，比利时在20世纪40年代将氨用作公交车的燃料。迄今为止，诸多学者以氨燃料为布景，开展了袪除安设、夹杂袪除、发动机等方面的庸俗盘问，并实施了多项本领应用，讲明了氨算作燃料的实用性。

Zamfirescu等详实分析了零碳燃料氨应用于公路、海洋、航空运送行业的环境可握续性和经济性，通过与常见化石燃料和清洁燃料的碳排放、能耗、成本以及摧毁性等参数全面评估，阐述了氨燃料显耀的成本和环境效益。本文以公路交通为例，对氨算作新能源燃料的低碳经济性进行说明。低碳性能方面，氨算作除氢之外的独一无碳燃料，其袪除产物在空气中的捕集比碳愈加容易、高效且经济，径直氮捕集的成本为0.0424USD/kg，而径直二氧化碳捕集的成本为0.2~0.5USD/kg。磋议燃料的通盘坐蓐、运送和使用周期，柴油燃料汽车可排放约0.22kg/km的温室气体，而可再生能源氨燃料汽车排放量虚构至约0.07kg/km，碳氢化合物裂解氨燃料汽车也可将排放量虚构至约0.15kg/km。经济性方面，种种燃料车的成本经济性对比说明如图4所示。图4(a)标明，与甲醇、氢气、汽油和液化石油气等比较，氨是车辆单元能量储存成本最有用的燃料；图4(b)标明，在磋议燃料商场价钱情况下，与其他化石燃料和新能源燃料比较，氨是最低成本的行驶燃料，100km范围内的行驶成本约为3.1USD。同期，氨算作制冷副产物，成心于进一步虚构车辆运行时代的成本和爱戴，配合交易可行性高、全球供销体系闇练、易于处理等上风，促使其成为了一种极具后劲的运送燃料。下文将对氨燃料体系密切关系的燃料电板、内燃机、蒸汽轮机等中枢本领进展和经济性进行全面讲述。

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图4　种种燃料车的能源成本和

行驶成本对比

3.1.1

氨燃料电板

氨算作一种高能量密度、低成本的转折储氢介质，是理念念的燃料电板本领无碳燃料。凭证氨本人或氨热理会产生氢气提供燃料方式的不同，氨燃料电板分为径直氨燃料电板（DAFC）和转折氨燃料电板（IAFC）两大类。DAFC电板盘问最早启动于1906年，Cairns等提议了第一个以KOH溶液为电解质的径直氨碱性燃料电板。DAFC电板能有用愚弄氨中储存的化学能，径直氨固体氧化物燃料电板（SO-DAFC）和径直氨碱性阴离子交换膜燃料电板（AEM-DAFC）为现时DAFC电板盘问热门，且王人处于产业化开发初期阶段。SO-DAFC电板的高温运行环境提供了在阳极内裂解氨或径直用氨的纯真性，因此在大型集会供电以及算作船舶能源电源、交通车辆能源电源等方面具有广袤的应用远景。现时，日本处于SO-DAFC电板研发最初地位，对该本领波及的反馈器催化剂、电极、电解质等方面的优化和性能评估张开了庸俗盘问，国内也对SO-DAFC电板的基本反馈能源学模子、实验测量与多物理场模拟方法进行了初步盘问。AEM-DAFC电板以其低温、低成本、高能量密度等特质，成为异日汽车应用的理念念取舍之一，连年来受到格外温暖。Li等研制了一种氨氧化反馈催化剂用于栽培AEM-DAFC电板性能，Liu等则开发了阳极和阴极区分由PtRu/C和Pd/C催化剂组成的较高性能AEM-DAFC电板，方色泽等对氨氧化催化剂AEM-DAFC电板反馈机理、性能以及发展地方进行了追溯。IAFC电板盘问可追忆到20世纪80年代，Ross开发了最早的碱性IAFC电板并对其系统性能进行了评估。质子交换膜燃料电板（PEMFC）因其高效果、经济性、应用广等特质，被以为是最具后劲的发电开发，亦然IAFC电板的理念念取舍和盘问热门。Lin等开发了转折氨气PEMFC系统物理化学模子，并对其进行了全面的本领经济分析。香港理工大学的Eric Cheng和Molly Li开发和制造了寰宇上第一辆氨能源燃料电板汽车，讲明了转折氨燃料电板的可行性，而且比传统电动汽车更高效、更安全。

由于系统、燃料和应用场景存在彰着各异，现时难以对不同类型燃料电板的径直成本和经济性进行分析。因此，部分学者主要从燃料成本角度对新式氨燃料电板的经济性进行了分析。Afif等对径直氨燃料SOFC电板的本领体系与上风张开详实盘问，并通过以自然气为制氨原料的燃料电板成本估算后发现，自然满载燃料电板系统成本（700USD/kW）现时高于柴油发电机组（300~600USD/kW），但燃料电板总成本（假想、安装、爱戴等）随本领发展正处于快速下跌阶段，且燃料电板系统的平准化能源成本（0.09~0.11USD/kWh）显耀低于柴油发电机组（0.28USD/kWh）。Lin等通过不同电力系统燃料成天职析得出，近两年氨原料价钱下的IA-PEMFC系统发电和车用燃料成天职别为0.13USD/kWh和0.024USD/km，均彰着低于传统汽柴油内燃机；异日以可再生能源进行原料制备情况下的IA-PEMFC系统发电和车用燃料成天职别为0.23USD/kWh和0.043USD/km，比转折氢和甲醇PEMFC系统的燃料成本低约25%。

3.1.2

氨内燃机

早在1822年，Goldsworthy Gumey就制造了历史上第一台驱动袖珍机车的氨发动机，为后续氨内燃机的盘问和改进奠定了表面基础。由于石油供应放手，氨内燃机在二战时期倏得兴起，Casala初次杀青了氨内燃机的工业界限应用，Norsk Hydro和Gazamo则接踵开发了氨燃料皮卡车和全球汽车。连年来，受国外油价和环保政策影响，以氨替代化石燃料的内燃机（ICE）盘问再次引起庸俗温暖，多家公司在汽车领域开展了氨燃料ICE的改进与研发。

氨燃料ICE系统按照点火类型分为火花点火（SI）和压缩点火（CI）两种。其中，SI借助火花塞燃烧空气燃料夹杂物，平方为汽油发动机；CI通过汽缸内机械压缩热量燃烧喷射燃料，平方为柴油发动机。由表3氨与其他碳氢燃料的袪除性情对比可知，自然液氨的能量密度低于汽油和柴油，但液氨的高辛烷值产生的高抗爆性使得SI发动机有更高的压缩比，且比液氢高得多。通用汽车于1965年最早启动了氨燃料SI发动机的盘问测试，给定了其部分性能优于汽油发动机的压缩比；氢气具有袪除速率快、扩散性好、点火能量低等特质，十分稳妥与氨夹杂袪除，在氨中添加袪除性能较好的氢气能有用改善氨燃料的袪除，栽培袪除速率及拓宽可燃性极限，而且氨氢夹杂袪除相通不会产生二氧化碳，然则纯氨和氨氢夹杂燃料SI发动机热效果仍低于汽油发动机。现时，添加含氧燃料被以为是栽培氨SI发动机性能的有用方法，Haputhanthri提议了以甲醇和酒精为乳化剂的氨-汽油夹杂燃料，并给定了各燃料的最优夹杂比。近期，韩国能源盘问所通过添加限定系统和去除易腐蚀金属配件，将LPG-汽油安设改造为氨（70%）‍-汽油（30%）安设，该系统若在韩国20%的车辆中安装，将减少1000万吨/年的二氧化碳排放量。CI发动机方面，氨的高汽化潜热、低火焰速率以及窄可燃性极限（表3）导致纯氨CI发动机需要高责任温度和压力以及极高压缩比，因此需要高十六烷值燃料与氨配合使用。柴油是双燃料CI发动机的主要夹杂燃料，Gray就是1966年头次杀青了柴油-氨双燃料CI发动机的运行。Reiter等和Lasocki等盘问标明，柴油-氨夹杂双燃料CI发动机比纯柴油发动机热效果高约10%且CO排放量低。Hogerwaard等盘问发现，氢援救柴油-氨CI发动机的能量和用效果略高于纯柴油CI发动机。近期，好意思国开发一种柴油-氨夹杂驱动双燃料CI发动机，用于杀青氨燃料固定发电。2022年10月，上海交大轮机工程团队杀青了柴油-氨双燃料发动机首型磨练机点火，为我国第一艘氨燃料能源船研制提供了表面与磨练基础。

表3　氨与其他燃料的袪除性情对比

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氨燃料ICE系统成本方面，盘问标明ICE系统中径直使用氨的成本为1.45~3.33USD/100km，比汽油、液化石油气、甲醇的6.06USD/100km、5.10USD/100km和2.00~3.70USD/100km更具经济性和竞争力。若将氢ICE系统休养为氨燃料，氨ICE的行驶成本为3.2USD/100km，比氢ICE的8.4USD/100km更经济，且氨燃料车辆行驶里程更高。

3.1.3

氨燃气轮机

氨燃气轮机盘问始于20世纪60年代，但由于本领不及和成本问题导致早期关系盘问甚少。连年来，跟着零碳排放需求栽培，氨燃气轮机再次进入群众视线，其袪除效果、平稳性和NOx排放等问题再次成为盘问热门。Iki等开发了一种50kWe级的微型燃气轮机系统，以氨和煤油为燃料供应，杀青了杰出25kW的发电量。通过将原型袪除器替换为圭臬袪除器，Iki等栽培了氨袪除效果（96%），得到了掺氨比影响下的NOx排放规则，杀青了100%氨和氨/甲烷夹杂物的袪除发电，考证了氨算作发电燃料的本领可行性。日本产业本领轮廓盘问所初次选拔50kWe级微型燃气轮机开发出了低NOx的氨-空气袪除发电本领，将现实运行NOx排放量降至原系统的三分之一，展现了低NOx、单一氨燃料燃气轮机的开发后劲。日本石川岛重工初次杀青了掺烧比高达70%的2MW级燃气轮机掺氨混烧，同期放手了NOx的排放。三菱重工和万隆理工学院将共同研发40MW级氨燃气轮机，杀青100%氨袪除并能干于运行时代的高效果和低NOx排放。欧洲多国盘问机构正在鼓舞一项氨燃气轮机方式，旨在选拔氨氢双燃料体系处置氨的高NOx排放和不充分袪除问题。

3.2

氨理会制氢加氢

制氢本领方面，甲烷蒸汽重整是现时最为闇练且占据全球最大制氢量的传统工业制氢本领，该本领需对CO水汽休养流程坐蓐的温室气体进行处理，大略达到70%~80%的能效和48%的飘舞率，现实能量成本为2.0~2.5kWh/m3（圭臬）。连年来，甲醇以高质地储氢密度（质地分数12.5%）被以为是一种优质制氢化学品，传统甲醇水重整制氢反馈温度高（>200℃）且会产生高浓度的CO，形成氧化流程的碳排放。Lian等提议的等离子体甲醇理会制氢杀青了74%的能效、0.45kWh/m3（圭臬）的能量成本和88%的甲醇飘舞率。磋议能源效果和环境友好性，氨具有储氢密度高（质地分数17.6%）、理会产物无碳、易于储运等上风，因此成为了极具后劲的清洁能源制氢本领。下文将对氨理会制氢本领发展近况和经济性进行详实讲述。

诸多学者开展了不同催化剂以及纯化工艺下的实验和反馈机制盘问，用于栽培氨理会制氢性能。Dasireddy等对Cu/Al2O3和Cu/Zn/Al2O3催化剂进行比较，区分得到了73%和93%的氨理会制氢飘舞率。Hajduk等选拔高铜催化剂使得氨飘舞率高达92%。Sato等通过镁铝原子比为6∶1的实验优化，杀青了氨理会反馈流程98%的氨飘舞率。Engelbrecht等通过氨理会制氢自热微通谈反馈器的实验评估，得到了99.8%的氨飘舞率。近期，跟着氨理会制氢本领产业化的快速发展，部分学者开展了相应的本领经济性分析。Giddey等对氨愚弄的来往效果进行敏锐性分析，并预测电解水氨理会制氢的平准化成本会跟着光伏或风力发电的电力价钱下跌而降至5~6USD/kg H2。Lee等基于韩国坐蓐本事为30m3/h的氨理会加氢站进行流程模拟经济性分析，得出氨理会制氢的坐蓐成本为6.27USD/kg H2。Lin等开发了一种变压吸附膜分离回收系统用于氨理会现场制氢加氢站，杀青了大于95%的H2回收率，并通过成天职析发现，氨理会制氢成本（4.78USD/kg H2）比基于CCS的甲烷蒸气重整制氢成本略高，比其他无碳能源制氢阶梯，如太阳能热电解（5.1~10USD/kg H2）、风能电解（6.1USD/kg H2）、太阳能热解（7.8~8.5USD/kg H2）和光电解（9.7USD/kg H2）成本低15%。

4

氨能全产业链经济性

从氨合成、氨储运、氨应用3个重要阶段对氨能绿色能源阶梯以及氨能本领全产业链的经济性进行对比分析。

通过对比传统氨合成工艺来分析绿氨合成本领的成本经济性。当煤炭价钱为1000~1200CNY/t时，传统氨合成经济成本为3000~3500CNY/t，绿氨合成经济所需电价应限定在0.15~0.22CNY/kWh才能与传统氨合成经济相竞争。异日跟着电改的不断深化，在太阳能、风能等可再生能源发电本领的放荡实行以及政策予以补贴扶握的布景下，当可再生电力价钱为0.1CNY/kWh时，富足且便宜的电力使绿氨合成经济成本足以与传统氨合成经济成本相比好意思。

氨储运的成本经济性将从远洋运送和陆上运送两部分进行分析。在远洋运送方面，轮廓盘问得出运送距离为10000km的液氨、液氢和液体有机氢化物（LOHC）船运全链条（含氨合成、氨储运、氨应用）成天职别为16.93CNY/kg H2、26.09CNY/kg H2和17.10CNY/kg H2，因此液氨船运具有显耀经济上风。在陆上运送方面，液氨罐车的运送本事相较于氢气长管拖车更强，载氢量更高，而且在运送经济上，运氨成本[0.1CNY/（kg·km）]也比运氢成本[2.0~10.0CNY/（kg·km）]更便宜；在不磋议氨合成的情况下，氨管谈的运送效果为99.2%，比氢管谈的运送效果（86.9%）更高，且氨管谈的运送成本相配于氢管谈的1/3以致在数目级上呈现显耀的虚构，若是磋议将闇练的油气管谈系统改造为液氨输送，其经济效益会更显耀。

氨应用分为径直应用本领和理会应用本领。其中氨径直应用本领平方以氨为燃料张开，包括种种型内燃机和燃气轮机，并可径直用于燃料电板。以氨内燃机为例，径直使用氨内燃机系统的成本（1.45~3.33USD/100km）比其他燃料如汽油、液化石油气、甲醇和氢更经济，而且在车辆行驶里程上，氨燃料内燃机较其他内燃机更有上风。以氨燃料电板为例，福州大学江莉龙团队研发的转折氨质子交换膜燃料电板系统比转折氢和甲醇质子交换膜燃料电板系统的燃料成本低约25%，使电燃料经济成本低至0.88CNY/kWh，汽车燃料经济成本低至0.16CNY/km，愈加经济高效。氨理会应用本领主要指氨理会制氢本领。传统氨理会制氢耗能较大且性能较低，新式低温氨理会制氢本领成本比基于CCS的甲烷蒸气重整制氢成本略高，比其他无碳能源制氢阶梯，如太阳能热电解、风能电解和光电解制氢成本低15%。

5

结语

本文从氨的合成、储运和新能源应用角度开赴，探讨了“双碳”布景下杀青“氨经济”的全产业链本领近况和发展趋势，对各项本领的碳排放和成本经济性进行了对比分析，并得到以下论断。

氨合成方面，第二代电化学合成氨本领通过可再生能源大略得志零碳“氨经济”的需求，所波及的“绿氨”合成工艺大略杀青碳排放量大幅虚构，并对第一代传统制氨工艺成本产生冲击，是一种极具交易远景的合成氨本领。第三代氮复原合成氨本领在可行性方面还未能达到坐蓐层面需求，但在本色上比以往本领愈加经济、效果，跟着该类本领的日趋闇练，将有望成为最稳妥“氨经济”阶梯的重要本领。

氨能储运方面，氨的远洋运送成本处于可控范围且发展后劲高。氨比较于氢的陆上运送更具上风，氨管谈的运送成本彰着低于氢管谈且运送效果高，氨的公路和铁路运送本事（能量）彰着高于氢气或液氢。液氨管谈在长距离运送方面成本效益更高，且事故可能性和风险品级更低；公路罐车在短距离运送方面更具上风，但事故可能性和风险品级高。氨比氢的常良善低和蔼储效果更高、成本更低。

氨能应用方面，氨算作能源燃料具有显耀的成本和环境效应。其中，氨燃料电板是一种理念念的无碳燃料电板本领，异日以可再生能源为原料的氨燃料电板汽车将比传统汽柴油车、电动汽车以过火他新能源汽车愈加高效安全，且成本更低；氨内燃机和燃气轮机的慢慢发展奠定了氨在能源驱动和袪除发电方面的本领可行性，为打造零碳经济性需求的氨能源汽车和船舶作念出了要紧孝敬；跟着电力成本下跌，氨现场制氢站的氢气成本比其他无碳能源制氢成本更低。

要而言之，为适当日益壮大的全球化氨能源产业发展和商场需求，我国应制定完善且健全的氨能经济本知晓线，合理布局氨的合成、储运和应用全产业链本领，推崇氨能在国度能源策略体系中的作用。

作家简介●●

第一作家：李卫东开云(中国)Kaiyun官方网站 登录入口，博士，副老练，盘问地方为新能源储运。