通过氨实现碳中和！构建全球氨供应链

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摘   要：关于符合绿色增长战略的成长型产业，本文将介绍燃料氨作为能源载体和燃料的特性，以及日本IHI公司在构建燃料氨供应链方面的相关举措。

关键字：氨供应链、碳中和、氢能载体、燃料氨、储罐、氨运输、氨发电技术

1碳中和

日本在2020年12月制定了《2050年碳中和绿色增长战略》，旨在实现净零碳排放。不排放二氧化碳的碳中和燃料——氢与氨工业被认为具有发展前景，预计到2050年将承担日本10%的发电量，并计划在2030年开始引入。

截至2018年，锅炉、蒸汽轮机（BTG）和燃气轮机（GT）等火力发电占日本国内发电CO₂排放总量4.6亿吨的40%，其减排迫在眉睫。虽然计划引入大量变动的可再生能源作为主要电源，但即便如此，为了保障电力系统的稳定运行，具有的负荷调整功能和辅助功能的火力发电仍不可或缺。因此，将碳中和燃料引入火力发电不仅是一项能够快速起到作用的二氧化碳减排措施，而且对于今后的电源配置中也十分重要。氨长期以来被用作肥料和化学原料，但并未用作燃料，其作为氢能载体之一，有望使用海外廉价的可再生能源制造、运输和使用^（1）。

本文将简单介绍氨作为碳中和燃料和氢能载体的特点，制造和利用技术的现状，IHI为构建氨供应链所做的努力和面临的课题。

2氢能载体

碳中和燃料在从燃料生产到利用的整个生命周期中不增加二氧化碳排放，大致分为生物质衍生燃料和氢衍生燃料。生物质除了日本国内之外，还从国外进口，用于锅炉发电，但不足以满足日本总发电量，而氢气可以在任何有电和水的地方生产。研究人员正在考虑在土地广阔、气候条件适宜的海外地区，用廉价的可再生能源生产和出口氢气^（1）。此外，通过气化和重整过程可以从化石资源中生产氢气，通过回收和地下隔离制造过程中排放的CO₂可以获得零碳氢。

然而，由于氢密度低，单位体积燃烧产生的热量很少，因此正在研究通过增加压力、液化、储存以及转化为其他物质来提高运输效率。甲烷、氢气与氨燃料特性的比较如下表所示。单位体积的运输效率对于大量运输的船舶来说十分重要，单位体积液氨所含的氢气量是液氢的1.7倍，燃烧发热量为1.5倍，作为氢能载体具有优异的特性。此外，氨在常压下的沸点为-33.4℃，用普通冷冻机将其液化即可轻松处理。

2.1 氨的生产、储罐以及运输

大规模生产氨的技术是在20世纪初确立的哈伯-博世（HB）法，由此生产的肥料支持着世界的粮食生产⁽²⁾。目前，氨的全球年产量接近2亿吨，制造设备的规模可达2000吨/日，氨成为由万吨级液化气船运输的国际交易产品。

其制造工艺虽然是成熟技术，但若是用作燃料的话生产规模将大幅扩大，因此有望通过扩大设备规模来进一步降低制造成本。此外，可再生能源和水电解制造的氢气一般是低压状态，而HB合成过程中反应器的压力为10～30MPa，因而需要大量的动力来给氢气加压。在低压低温下运行的合成催化剂是进一步提高生产效率的突破性技术，世界各地都在对其进行研究和开发。

关于储存设备，IHI在液氨储罐和提取设备的设计和施工方面拥有半个多世纪的经验。氨是被指定为有害物质的管制物质，其处理需要专业知识和技能，根据高压气体和冷冻等各种使用领域，制定了指导方针和法律制度。低温储存设备为防止外泄并提高隔热性，分为金属双壳罐式单容或PC（预应力混凝土）罐式全容，在PC罐中，防液堤兼作外槽。材质方面，因铜会腐蚀因而需注意电器类产品，罐内的潜水泵必须采用磁耦合结构使电机和泵绝缘。此外，水喷雾在应对氨泄露方面十分有效。这些设计和运用已经得到立法，安全的利用技术已经确立。

2.2 氨作为燃料的特性

氨燃烧的一般反应式表示为4NH₃+3O₂→2N₂+6H₂O，生成水和氮，通过大气和水循环系统在地球上循环。使用氨作为燃料的例子包括二战时期的比利时公共巴士和1960年代实现美国空军最快载人飞行的X-15发动机，但其仅限于特殊的社会环境和目的^（3）。然而，要想在今后将氨广泛用作燃料，就必须考虑环境、安全和经济可行性。

氨的单位重量的燃烧发热量约为甲烷的40%，绝热火焰温度低220℃，但有足够的发热量和燃烧温度进行自持燃烧（上表）。然而，其燃烧速度大约是甲烷的1/4，如下图所示，由于氨火焰较长，因而需要考虑燃烧距离和燃烧稳定性。另外，由于燃料中含有氮，因此当氧过量时会产生NO_x，而当燃料过量时会产生一氧化二氮（N₂O）和未燃烧的氨。此外，氨及其分解自由基会直接与NO_x反应并还原为氮。通过考虑和利用这些氨燃烧特性，开发了兼顾稳定性和NO_x抑制的锅炉、燃气轮机等燃烧技术，并在实际应用中取得了很大进展。

2.3 燃料氨发电技术

IHI着眼于氨作为能源载体的潜力，参与了2014～2018年实施的战略创新创造项目（SIP）：能源载体^（4），并开展了各种发电技术开发。

2014年开始，致力于燃气轮机的甲烷混合燃烧（以下简称混烧）技术开发；2015年开始，开发用于燃煤锅炉的氨和微炭粉混烧技术。通过对燃煤发电锅炉中的微炭粉燃烧器进行改造，得到了结构相同的氨混烧燃烧器，并在实用规模的燃烧试验中得到实证，可以将NO_x排放抑制到与微炭粉专烧相同或更少的水平。该成果表明，有可能无需对气体处理设备等进行重大改造即可将氨引入微炭粉发电设备，燃料氨有望成为最早得到广泛普及的碳中和燃料。为扩大燃料氨的可用性，除了提高锅炉和燃气轮机的混烧率和开发专烧发电技术外，还正在开发用于船用内燃机和本地能源网络的固体氧化物燃料电池（SOFC）技术。

3构建供应链

以发电量为1000兆瓦的燃煤发电设备混烧20%氨计算，则燃料氨的年需求量超过50万吨，相当于日本目前氨需求量的近一半。根据经济产业省编制的《燃料氨引入官民协议会中期报告》⁽⁵⁾，预计到2050年氨的年需求量将达到3000万吨，因此需要构建一个规模远大于现有基础设施的供应链。

在制造方面，要逐步从强调速度和规模的供应链构建阶段转向可持续的永久供应链网络阶段。首先，氢气通过已确立量产技术的天然气等化石资源重整和气化生产，其排放的CO₂通过CO₂捕获、利用和封存（CCUS）技术固定在地下，然后与氮反应产生碳排放接近零的蓝氨。目前单台氨制造设备的最大生产能力约为3000吨/天，通过设备大型化，可以降低生产成本。另外，确保廉价的原材料并降低CO₂捕获和固定成本也十分重要。今后，将以可再生能源和水电解产生的氢气为原料生产绿氨，以确立可持续的供应链。适合于此的地区是地下资源和可再生能源资源丰富的澳大利亚、中近东、北美和智利等，正在对今后从上述地区进口能源的项目进行探讨。目前，由于水电解制氢成本较高，绿氨的生产成本高于蓝氨，但正在通过开发更大的水电解装置并提高效率来降低价格。

已经通过液化气船来进行氨运输，但是通过最大船型VLGC（Very Large Gas Carrier）来运输氨时，需要建立大型卸货基地。目前，正在进行碳中和港口的讨论，关于氨的储罐，可以考虑使用LNG等PC罐。日本可以通过迅速推进氨的耐应力、耐腐蚀、耐开裂材料开发以及实际应用，从而引领国际标准化。

如上所述，在培育出大规模的火力发电使用需求后，氨的用途有望扩大到工业用加热炉等领域。通过扩大利用侧的需求，能够增加供给侧的投入，完善卸货基础设施，扩大规模从而降低成本，并进一步增加用户数量。此外，为了构建供应链，除了硬件的开发外，还需要服务和规格等软件方面的开发和完善。在标准制定方面，聚集了对氨利用感兴趣企业的一般社团法人清洁燃料氨协会（CFAA）计划进行讨论和研究，IHI将在积极参与这些活动的同时，促进包括国际标准化在内的燃料氨在世界范围内的普及。

4氨运输的进一步价值

随着氨运输的除了能源以外还有吸热和水。液氨的气化吸热远大于LNG和液氢，吸热可用于仓库空调制冷，以及数据中心的冷却。此外，可从燃烧废气中回收与输送的液氨几乎相同体积的水，在水资源不足的地区和偏远岛屿上，除了能源之外还可以供给水。随着氨的大量引入，预计今后将进行利用上述特点的构想和技术开发。

使用氨的能源供应链这一日本模式，在世界范围内率先实现后，可以向亚洲、非洲等不得不依靠化石资源的地区输出硬件和软件。IHI将其视为创造新业务的机会，并计划与客户和相关组织一起通过技术开发和项目开发作出贡献。

参考文献：

（1）International Energy Agency：The future of hydrogen，( 2019 )

（2）牧野功：技术的系统化调查报告，第12集，国立科学博物馆，2008年，pp.209-271

（3）Ammonia Energy Association：https://nh3fuelassociation.org/introduction/，（参照2021.4.9）

（4）国立研究开发法人科学技术振兴机构：SIP完成报告书，2019年

（5）资源能源厅：燃料氨引入官民协议会  中期报告，2021年

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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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