氨作为零碳燃料和氢能载体的可能性（三）——SIP“能源载体”项目与氨（NH3）

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摘   要：如《氨作为零碳燃料和氢能载体的可能性（二）》中所述，氢能有望作为克服日本所面临的能源和环境制约的手段发挥重要作用，但是氢能的代表物质——氢气的运输和储存十分不易。尤其是为了以氢能的形式从海外大量引入可再生能源，必须解决其运输和储存问题。SIP“能源载体”项目由此启动，其目的是通过创新来克服该问题。

关键字：零碳燃料、氢能载体、氨（NH₃）、可再生能源、SIP项目、能源载体、运输、储存

SIP“能源载体”总结报告连载，点击链接即可回顾前文内容：

.....（持续更新中）

1SIP“能源载体”项目

2014年，“战略性创新创造项目（SIP）”由日本内阁府综合科学技术创新会议（CSTI）在安倍内阁重视创新的方针下创设，旨在强化政府的创新创造功能。并且，为了将政府的研发成果与创新联系起来，SIP在项目的实施过程中，跳出地域和领域的局限，着眼于基础研究及其实用化和商业化，进行了新的制度设计，以便推进包括监管和体制改革在内的各项措施。项目推进时摒弃了到目前为止由各省厅主动实施的方式，改为由内阁府根据SIP中提出的各主题任命项目负责人（PD），然后由PD负责实现该主题的目标。

旨在对氢能运输、储存、利用进行创新创造的SIP“能源载体^注1）”项目是SIP第一期的主题之一。在SIP“能源载体”中，村木茂（时任东京瓦斯（株）副会长）被任命为PD，东京工业大学名誉教授秋鹿研一和笔者（盐泽文朗）作为副PD辅佐村木PD运行该项目。

2 SIP“能源载体”中提到的能源载体

SIP“能源载体”中采用液氢、甲基环己烷（MCH）、氨（NH₃）三种物质作为能源载体，将氢转化为易于运输和储存的状态或其他物质以便利用，并致力于其制造、储存、利用相关的研究开发。

SIP“能源载体”中提到的各能源载体的物理特性值如【表1】所示，【表2】进一步整理了从物理特性中得出的各能源载体的特征。此外，关于各能源载体的更详细说明，请参阅其他评论文章——“开拓氢能社会的能源载体（8）～（11）^注2）”。

IEA（国际能源机构）在“The Future of Hydrogen”^注3）中，除了上述三种能源载体之外，还介绍了运输、储存、利用氢能的手段“hydrogen-based fuels and feedstocks”。IEA以合成甲烷（synthetic methane）、合成液体燃料（synthetic liquid fuels）为例，探讨了其优缺点^注4）。

本文将首先介绍在SIP“能源载体”中获得世界瞩目的NH₃相关研发成果及其社会实施的现状^注5）。

3氨（NH₃）作为能源载体的优势

3.1 氢密度大

如上所述，NH₃在1分子中有3个氢原子（H），是一种氢密度很大的物质。在SIP“能源载体”中提到的三种氢能载体中，液化NH₃的单位体积氢密度大于液化氢【表1】。单位体积氢密度大意味着运输和储存所需的基础设施规模相对较小。

3.2 NH₃的大量运输和储存技术

NH₃在常压下-33℃，或常温下8.5个大气压等温和条件下液化，其体积为同等重量的气态氢的1/1350或1/1200（前者为冷却液化时，后者为加压液化时）。

NH₃的大规模商业供应链已经在国际上确立并运行，实际上，NH₃的全球年产量约为1.8亿吨，其中约1800万吨在国际上流通。这一流通规模是众多化学产品中最大的。也就是说，NH₃的大量运输和储存不存在技术难题。此外，由于NH₃的液化条件与液化石油气（LPG）基本相同，因此可以将LPG基础设施用于NH₃的运输和储存。

3.3 NH₃的处理

下面将介绍处理NH₃时的注意事项。与NH₃的物理特性相关的注意事项是其具有的急性毒性和臭气。

关于NH₃的处理，IEA在“The Future of Hydrogen”中指出，NH₃由于其特性，需要在专家的适当管理下进行处理。自19世纪初以来，NH₃被大量用作制冷剂和肥料原料，因此在工业领域中处理NH₃方面已经积累了丰富的经验。此外，通过油轮进行海上运输等，NH₃的长距离运输和储存已成为常态。在美国的谷仓地带，农民为了施肥直接在农田上大量喷洒NH₃。

从科学上讲，NH₃在直接吸入或直接接触的情况下具有急性毒性，但未证实其具有致癌性（NH₃在空气中或水中迅速扩散并氧化，因此几乎不存在直接吸入或接触的情况）。此外，NH₃的着火温度高且爆炸界限窄，因此在美国没有被归为易燃易爆物质。尽管必须采取必要措施来降低NH₃的臭气强度，但NH₃的这一特性在泄漏检测方面具有优势。

在日本，多年以来，相当数量的NH₃已被安全地用作火力发电厂的脱硝剂，后续连载中将介绍把NH₃用作零碳燃料的火力发电厂，其是积累NH₃处理经验的场所之一。

3.4 作为零碳燃料的NH₃

如此，NH₃满足了作为氢能载体所需具备的基本条件。因此，在以NH₃的形式输送氢能之后，完全有可能像其他载体那样通过分解（裂化）从NH₃中提取并利用氢。

但是，SIP“能源载体”的成果证实，NH₃的利用方法不止这一种，还可以将其直接用作燃料，而无需从中提取氢（【图1】中的“直接利用”路线）。也就是说，NH₃既是优秀的氢能载体，同时也可直接用作零碳燃料。

这是一个很大的优势，因为这样一来，不仅省去了从NH₃中提取氢的过程，还节约了这一过程所需的能量，从而可以大幅降低成本。此外，还可以省去处理裂化产生的氢气的麻烦。

如前文所述，从NH₃的分子式中可以清楚地看出，NH₃在燃烧时不会排放CO₂，但是将NH₃实际用作燃料时，存在两个需要确认的问题，即：①由于NH₃的着火温度高（651℃），火焰传播速度慢，因此NH₃是否可以稳定燃烧（NH₃的燃烧稳定性）；②由于NH₃的分子中含有氮原子，因此是否可以抑制因NH₃燃烧而大量生成的NO_X（Fuel NO_X）的排放（NO_X的排放抑制）。

另一方面，NH₃的燃烧反应具有燃烧后分子数增加的特征。这对于使用燃烧废气来转动涡轮的燃烧设备可能是有利的。

【图2】整理了NH₃作为燃料的上述特征。

关于SIP“能源载体”中NH₃直接利用技术开发研究的成果，将在下一期中说明。

【补充】SIP“能源载体”项目启动的背景和氢能研究的历史

下文将简单介绍一下SIP“能源载体”项目启动的背景和氢能研究的历史。

从2000年末到2010年初，全球对于后《京都议定书》时代GHG减排措施的国际框架的讨论日益活跃，日本决定从2012年10月起征收全球变暖对策税。其中，产业竞争力恳谈会（COCN）将“太阳能到化学能的转化和利用”^注6）作为2012年度的研究主题。该研究报告在指出以（NH₃和MCH等）化学能的形式将海外的廉价可再生能源进行长距离大量运输的可能性和重要性的同时，提议日本以此为目的，从基础研究到实证进行全面研发。

在此项提议和关于氢能重要性的认识提高的影响下，日本文部科学省将“与能源储存、运输、利用等相关的创新技术开发”作为科学技术振兴机构（JST）的ALCA（尖端低碳化技术开发）2013年度的特别重点项目。与此同时，日本经济产业省也开始实施“可再生能源储存和运输等的技术开发”项目。为了确保两个项目之间的合作，两部门将这两个项目定位为共同的“未来开拓研究项目”，并在JST设立了“能源储存和运输工作组”（组长：笠木伸英 化学技术振兴机构研究开发中心首席研究员），以进行关于项目运营和研究开发成果的信息交换等。

在上述背景下，SIP制度于2014年引入，以加强政府部门内的创新创造功能。SIP“能源载体”作为SIP的第一期主题，其形式是吸收和发展ALCA的“与能源储存、运输、利用等相关的创新技术开发”。

另外，在此之前还有一项关于氢能的日本国家计划。以1973年第一次石油危机为契机，作为石油替代能源，氢能开始受到关注。日本通商产业省于1974～1992年在“阳光计划”中进行了热化学制氢的技术开发，并于1978～1992年在“月光计划”中进行了燃料电池的技术开发。

随后，作为“新阳光计划”的一环，通商产业省于1993年启动了“氢利用国际清洁能源系统技术研究开发（WE-NET）”项目，之后，直到2002年为止的10年间，在WE-NET下进行了氢制造、运输、储存、利用技术等的开发^注7）。当时的研发目的为利用海外可再生能源的制氢技术开发、包括材料开发在内的氢运输和存储技术（油轮建造、储罐建设等）开发、以及发动机、涡轮机、燃料电池等的氢利用技术开发。除了液化氢之外，NH₃等也作为氢能载体进入了视野，但在当时，世界上“液氢”方面的技术开发尚未展开，且液化氢可以大量运输，转化技术简单，在消费地使用方便^注8），在这样的认识下，液化氢被作为主要的研发对象（因此，在WE-NET中，没有考虑将NH₃用作零碳燃料）。

WE-NET项目到2003年为止，提前1年结束，之后更名为“氢安全利用等基础技术开发”，其成果已应用于固体高分子燃料电池、加氢站相关技术、以及其他与氢能源利用有关的要素技术的实用化^注9）。

注释：

注1）：如连载(一)所述，“能源载体”是“一种将氢能转化为易于运输和储存的状态或物质”。

注2）：关于MCH，请参阅“开拓氢能社会的能源载体（8）”（http://ieei.or.jp/2015/02/expl150206/）；关于液化氢，请参阅“开拓氢能社会的能源载体（9）”（http://ieei.or.jp/2015/02/expl150218/）；关于NH₃，请参阅“开拓氢能社会的能源载体（10）”（http://ieei.or.jp/2015/03/expl150317/）和“开拓氢能社会的能源载体（11）”（http://ieei.or.jp/2015/03/expl150330/）。本连载中使用“液化氢”来表示液态氢。

注3）：“The Future of Hydrogen”，2019年6月，IEA

注4）：若有兴趣，请参阅该报告的第2章，探讨了这些hydrogen-based fuels and feedstocks的优点是易于运输、储存和利用，缺点是hydrogen-based fuels and feedstocks的合成成本高，并且关于碳氢化合物系的hydrogen-based fuels，存在难以获取原料CO₂、制造成本高、以及原料CO₂的来源等问题。

注5）：关于NH₃以外的液化氢、MCH相关的SIP“能源载体”的成果、以及液化氢、NH₃、MCH在社会实施方面的课题（供应链构筑上的课题、成本比较等），将在之后的连载中介绍。

注6）：项目负责人：住友化学株式会社 顾问 中江清彦。“太阳能到化学能的转化和利用”的研究报告于2013年2月在COCN发布。（http://www.cocn.jp/report/4af1702aa6bbbac302f21d6dbc1bea54389c47e4.pdf）

注7）：第1期WE-NET（1993～1998年）、第2期WE-NET（1999～2002年）

注8）：“关于氢利用国际绿色能源系统技术（WE-NET）项目的背景以及未来的发展方式”（座谈会）、“季刊 能源综合工学” Vol.17，No.2 1994.7。另外，此后的研究开发和调查研究的结果表明，该认识在当时并不一定是正确的。同样，在该座谈会中，使用了“液氢”一词，而不是“液化氢”。

注9）：关于WE-NET的背景和成果，请参阅https://www.enaa.or.jp/WE-NET/newinfo/station_taka_j.html。

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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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