氨作为零碳燃料和氢能载体的可能性（一）——SIP“能源载体”的成果

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摘   要：本文为日本内阁府的战略性创新创造项目（SIP）“能源载体”的总结报告，将以连载的形式发布，内容涉及SIP“能源载体”的成果以及由此证实的NH₃作为零碳燃料和氢能载体的潜力，还包括对氢能、相关能源政策问题的探讨等，欢迎持续关注。

关键字：SIP“能源载体”、氨（NH₃）、零碳燃料、氢能载体、零碳NH₃价值链、绿氨、燃气轮机发电

1序论

氨（NH₃）作为零碳燃料和氢能载体，在构建“氢能社会”方面有望发挥重要作用，国际社会对这一点逐渐达成共识。

IEA（国际能源机构）专家在技术性和经济性两方面证实了NH₃的可用性。2019年6月在日本轻井泽举行的G20部长会议上，IEA提出并发布了氢能综合报告“The Future of Hydrogen”（2019.6），其中也明确了这一点^注1）。因此，在拥有零碳NH₃供应潜力的国家，零碳NH₃有望在构筑脱碳社会中发挥重要作用，企业和政府机关正在积极进行开发以及构筑供应体制。

日本的研发成果已经证实了NH₃对能源系统创新的潜力，而且已在世界范围内得到广泛认可。该成果来自日本内阁府的战略性创新创造项目（SIP）“能源载体”（项目总监：村木茂（东京瓦斯株式会社顾问））。

自2014年项目启动以来，SIP“能源载体”取得了举世瞩目的成果，2018年3月末为期五年的项目结束。

本文为该项目的总结报告，将以连载的形式发布，内容涉及SIP“能源载体”的成果以及由此证实的NH₃作为零碳燃料和氢能载体的潜力。

连载文章不仅限于项目的内容，还将对相关能源政策、技术政策的问题和论点进行探讨。

2SIP“能源载体”项目成果的概要

首先将介绍SIP“能源载体”的概要。

日本制定了“2050年之前削减80%温室气体排放^注2）”的长期目标，而氢能在实现该目标中起重要作用^注3）。氢能是一种几乎取之不尽的清洁能源，可以从太阳能和水中产生。但是，氢本身在常温常压下是气体，单位体积的能量密度非常小^注4），而且易燃易爆，运输和储存十分不易。因此，在远距离输送氢时，需要将氢转换为能量密度高且易于运输和储存的状态或物质。这种易于运输和储存的状态或物质被称为“能源载体”。

SIP“能源载体”采用液化氢（LH₂）、氨（NH₃）、甲基环己烷（MCH）三种物质作为能源载体，并开发了相应的制造、运输、利用技术。在推进这些研发的过程中，NH₃的直接利用技术取得了很大进展，NH₃由此备受关注。

此处的“直接利用技术”是指直接将NH₃作为燃料使用的技术。到目前为止，氢能源载体的使用均需要以下过程：从氢中制造LH₂（液氢）、NH₃、MCH等能源载体，运输后再次从中提取气态氢。之所以如此繁琐是因为在远距离输送氢能时，比起以气态氢的形式运输，以能源载体的形式运输更容易，成本也更低^注5）。

直接利用是指可以直接在NH₃状态下利用其中的氢能，这意味着无需再次从载体中提取氢的过程和成本。此外，SIP“能源载体”的研究开发及调查分析结果证实，安装NH₃直接利用所需的技术（燃烧设备的改造等）不需要大量成本。

NH₃可以直接利用以及其本身具备的以下特性意味着，使用NH₃将大大减少氢能引入日本面临的技术和经济障碍。IEA的报告“The Future of Hydrogen”中对NH₃的特性作出如下描述：“NH₃可以由氢和空气中的氮合成，燃烧时不产生CO₂；NH₃易于液化，液化NH₃的单位体积氢密度比液化氢大50%；多年来，NH₃已被大量用作制冷剂、肥料原料以及炸药原料；而且，目前大量NH₃由油轮跨海运输和储存^注6）。”

在成本方面，SIP“能源载体”进行的分析调查也明确了以NH₃为载体运输氢能的优势。在对IEA的报告“The Future of Hydrogen”的其他分析中也得出了类似结论^注7）。

此外，SIP“能源载体”通过对零碳NH₃的供应链进行成本分析，阐明了在日本使用NH₃作为零碳燃料和氢能载体的经济可能性。如上所述，由于NH₃在国际上大量生产和交易，因此可以容易地估算出其制造成本和运输成本。该分析假定在资源和地理环境优越的国家或地区生产廉价的零碳NH₃，然后用化学运输船将其运送到日本的发电厂，再提供给发电设备，由此进行成本计算。同时还证实了在日本的发电厂中，将NH₃用作零碳燃料具有经济可行性^注8）。

约70家日本国内外的资源能源企业、电力公司、商社、工程企业等与约10个日本国内外的国家和自治体的相关组织、研究机关等合作，以这些成果为基础，在SIP“能源载体”结束后，于2019年4月成立了以实施这些成果为目的的民间团体——绿氨财团，并已开始活动。在开展这些活动的同时，日本国内外的企业集团实际上已经开始进行一系列具体努力，以建立商业化的零碳NH₃价值链。

NH₃的直接利用技术将有助于减少各个领域使用化石燃料时造成的CO₂排放，目前最值得期待的是其可大幅减少火力发电产生的二氧化碳排放。对此，IEA的“The Future of Hydrogen”项目将该技术定位为实现现有燃煤发电CO₂减排的重要且有力的手段。尽管普遍认为燃煤发电的作用将在未来逐渐减弱，但是燃煤发电不仅是当今世界发电的主力，而且从设备寿命来看，至少未来20年左右，其仍将继续在世界发电中占很大比重，这是基于现实认识的评估。

此外，NH₃通过与LNG共烧，有助于LNG火力发电的低碳化。LNG火力发电产生的二氧化碳排放量低于燃煤发电，并且还存在LNG与氢气共烧等其他减少二氧化碳排放的方法，因此不像煤炭和NH₃共烧发电那样备受关注，但是NH₃同样能够在减少燃气轮机发电领域的碳排放中发挥重要作用。由于NH₃比氢更容易运输和储存，因此NH₃在燃气轮机发电领域中的作用不容忽视。

在燃气轮机发电领域，NH₃专烧的燃气轮机发电机（即不排放二氧化碳的燃气轮机发电）已经在小型燃气轮机领域实现商业化，同时NH₃共烧燃气轮机发电机已经被开发并在数MW级的燃气轮机中得到实证。此外，还正在开发用于数百MW级联合循环燃气轮机（CCGT）的NH₃共烧技术。

今后，随着太阳能和风能等可再生能源的利用在发电中所占的比率增加，作为确保电力系统调节能力的手段，火力发电将变得更加重要。此外，IEA还在关注NH₃共烧燃气轮机发电技术减少燃气轮机发电碳排放的重要性。

3今后的连载

从下一篇连载文章开始，将更详细地介绍各研究开发成果及其经济可行性的评估结果，以及项目结束后仍在继续进行的成果实际应用的状况等。此外，在对上述概要说明中没有涉及的氢能的重要性等进行基本解释的同时，还将探讨与氢能、能源载体相关的诸多问题。

注释：

注1）：关于该报告的概要，请参阅「IEA的氢能报告“The Future of Hydrogen”」。

注2）：“基于巴黎协定作为成长战略的长期战略” 2019年6月11日 内阁会议决定。

注3）：“氢能发挥重要作用”将在连载的第二部分中进行说明。

注4）：与1升汽油具有相同热量的氢的体积在常温常压下为3000升。在运输和储存中，单位体积具有的能量（体积能量密度）十分重要。

注5）：如果不需要远距离运输氢，则无需这样做。IEA“The Future of Hydrogen”项目（2019年6月）的分析表明，在氢的运输距离为1,500km以下时，通过管道运输氢气更便宜；而在氢的运输距离超过1,500km，氢气以NH₃或LOHC（Liquid Organic Hydrogen Carrier：MCH是其中之一）的形式运输时，通过船舶运输氢气更便宜。（请参阅注1中的解说文章。）

注6）：NH₃在世界范围内每年生产1.8亿吨，国际贸易量为1800万吨。

注7）：关于IEA的分析结果，请参阅注1)中的报告。

注8）：请参阅作为SIP“能源载体”的一部分而进行的“以CCS・EOR技术为中心的零碳氨的商业性评估”（2019.1（一财）日本能源经济研究所）。

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翻译：李释云

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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