竞逐“氨-氢”能源路线：碳中和的机遇与挑战

文章来源：中国工程院院刊 江莉龙&付贤智、全球氢能，转载请注明出处

氢能具有绿色、高效、无碳排放和应用范围广等优势，发展氢能于2019年被首次写入《政府工作报告》。2022年3月，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》，明确了氢的能源属性，是未来国家能源体系的组成部分，充分发挥氢能清洁低碳特点，推动交通、工业等用能终端和高耗能、高排放行业绿色低碳转型。同时，明确氢能是战略性新兴产业的重点方向，是构建绿色低碳产业体系、打造产业转型升级的新增长点。

然而，若要实现氢能产业的大规模应用，面临的挑战主要是低成本高效能的燃料电池技术和安全高效的氢气储运技术。其中氢气储运难和安全性差是制约氢能产业发展的主要“瓶颈”。

首先，因氢气体积能量密度低，需35~70 MPa的高压储运，导致氢气的储运成本高；其次，根据我国2019年发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》预计，2050年将建成1万座加氢站，按每座加氢站1500万~3000万元的建设成本估算，需投入高达1500亿~3000亿元，基建成本高；再次，2019年在挪威、韩国等国家20天内连续发生的三起因氢气储罐泄露引起的爆炸事故，暴露了氢气易燃易爆、本质安全性弱的缺点。

因此，要突破氢能产业发展的瓶颈，亟需结合中国能源及产业结构特点，发展成熟、安全、高效的特色储运氢的路线及其配套产业链。

一、氨为突破氢能产业瓶颈提供了可行的解决途径

氨（NH₃）是关系国计民生的基础化工原料，广泛用于化肥、环保、军事、制冷等领域。同时，氨作为高效储氢介质，具有以下显著优势：

1. 高能量密度。氨的体积能量密度约为13.6 MJ·L^-1，1L液氨=4.5L高压氢（35.0MPa）=1200L常温常压氢。

2. 液化储运成本低。氨只需加压至1.0MPa即可以液态形式储运，一辆液氨槽罐车载氨量可达30t（约含5.29t氢），载氢量较长管拖车（载氢量不到400kg）提高1个数量级，因此运氨成本（约0.001元·kg^-1·km^-1）也较运氢成本（0.02~0.10元·kg^-1·km^-1）呈数量级降低。

3. 无碳储能。氨成熟的技术体系、标准规范及低成本合成、存储和运输，可实现季节性、远距离、“无碳化”的“氨-氢”储能。有研究表明，在目前主要研究的几类电制液体燃料技术（液氢、液氨、液化天然气、甲醇、有机液态储氢）中，电制氨的成本最低，效率仅次于其他电制液体燃料技术。

4. 安全性高。氨的火灾危险性仅为乙类，爆炸极限（16%~25%）较氢（4%~76%）更窄，因此更安全。其刺激性气味是可靠的警报信号。

因此，发展以氨为储氢介质，有望解决传统高压储运氢的难题。

众所周知，合成氨已有一百多年发展历史，针对氨的生产、储运及使用已形成了完备的产业链、行业标准及安全规范。如若按照5000万吨的年产量（其中80%来自煤制合成氨，20%来自天然气合成氨）来计算，2030年合成氨工业将排放2.7亿吨CO₂。

我国是可再生能源装机容量最大的国家，但因光伏、风电和水电等可再生能源存在间歇性、波动性和季节性等缺点，导致存在大量“弃风、弃光和弃水”（简称“三弃”）现象。据国家能源局统计，我国2018年全年“三弃”电量高达1.023 × 10¹¹kW·h，尤其主要集中在西北、华北、西南等地区。探索和发展可再生能源光解/电解水制氢耦合合成氨技术，可实现可再生能源电力的“消纳和调峰”，实现低成本、跨地域长距离存储运输，并与丰富的氨下游产业相结合。

初步估算表明，利用氨作为储氢介质具有显著经济性。例如，

1. 如果采用氨分解制氢现场为加氢站供氢，可将加氢站的加氢成本降至35元·kg^-1以下；

2. 若开发耦合“氨制氢-燃料电池”的间接氨燃料电池技术，实现用户终端“氨变电”（NH₃-to-power），发电成本约为1元·(kW·h)^-1或乘用车燃料成本约为25元·(100 km)^-1，并使现有氢燃料电池系统的续航能力提升近1倍；

3. 若采用氨作为车用燃料加注，加油站仅需稍加改造即可用于加氨，预计加氨站的改建成本较加氢站的建设成本可降低1个数量级。依照2050年中国建成1万座加氢站的目标，可节约近千亿元的基础设施建设投资。

因此，发展氨为储氢介质，可贯通可再生能源、氢能和传统产业，开发出一条符合我国能源结构特点的“清洁高效氨合成→安全低成本储运氨→无碳高效‘氨-氢’利用”的全链条“氨-氢”绿色循环经济路线（图1），对保障国家能源环保安全和社会经济可持续发展具有重要意义。

图1 “氨-氢”绿色能源循环经济路线。

二、发展“氨-氢”能源绿色循环经济路线的技术挑战

据上述分析，氨作为理想的储氢介质有望解决氢能产业发展存在的储运成本高、能量密度低和本质安全性弱等挑战性难题。国际上已陆续启动氨能源示范项目，如美国能源部的REFUEL (Renewable Energy to Fuels Through Utilization of Energy-Dense Liquids)计划、欧洲西门子公司及日本JGC公司针对“可再生能源—氨—电”的示范项目等。

发展以氨作为清洁高效的新能源，既实现了传统合成氨工业的节能减排，又贯通了可再生能源和新能源产业，具有巨大的应用前景。在德国H2Ber氢能示范项目的启发下，图2描绘了“氨-氢”能源绿色循环经济路线未来的应用场景。

图2 “氨-氢”能源绿色循环经济路线。CHP：热电联产；EV：电动汽车。

“绿氨”的生产和应用成本主要受可再生能源电价的影响。预计到2035年，“绿氨”的生产和应用成本为1700元·t^-1，氨燃料电池的发电成本为1.0元·(kW·h)^-1；到2060年，“绿氨”的生产和应用成本可进一步降至800元·t^-1，“氨变电”成本降至0.5元·(kW·h)-1以下。为实现“氨-氢”能源循环经济路线，仍需解决如下技术挑战：

• 技术挑战一——高性能低温低压合成氨和安全低温氨分解催化剂及反应器技术，以及面向直接氨燃料电池的新型高性能、高稳定性氨氧化（AOR）电催化剂及膜电极技术；

• 技术挑战二——间歇性可再生能源制氢-低温低压合成氨系统的动态集成匹配、设计优化及管控技术；

• 技术挑战三——安全低温氨现场制氢系统和氨燃料电池系统的高效集成、紧凑化设计及智能协同控制技术。

[原文标题《中国发展“氨-氢”能源路线实现碳中和的机遇与挑战》，《Engineering》2021年第7卷第12期，作者江莉龙&付贤智，文末可直接跳转文献原文]

三、竞逐“绿氨”赛道

2022年，在双碳大背景下，伴随绿氢“风起”，绿氢合成绿氨也被化工企业看重，成为其减碳降碳的重要方式之一。其中，据全球氢能观察，中国天楹、吉电股份、远景科技集团、明拓集团、国家能源集团、国家电投、盈德气体、中国氢能、京能集团等企业竞相布局绿氢绿氨项目。

远景零碳工厂概念图，图源远景集团

1、中国天楹

9月，中国天楹股份有限公司（简称“中国天楹”）与通辽市人民政府、中国投资协会签署战略合作框架协议。三方将共同打造通辽千万千瓦级风光储氢氨一体化零碳产业园项目，总投资达600亿元，建成后将年产5万吨绿氢、30万吨绿氨等。

同时，三方还将共同打造零碳产业装备制造中心，重点打造绿氢、绿氨等领域北方零碳装备制造业中心，总投资100亿元；此外，协议中还表示将共同发起成立通辽零碳产业母基金和子基金群，发起成立绿氢研究院、绿氨研究院等。

2、吉电股份

9月，吉林电力股份有限公司（简称：吉电股份）发布公告称，大安风光制绿氢合成氨一体化示范项目已获得核准（备案）。依据公告内容，大安风光制绿氢合成氨一体化示范项目总投资为63.32亿元，规划建设700兆瓦风电项目、100兆瓦光伏项目、配套建设40兆瓦/80兆瓦时储能装置，同时还将新建制氢、储氢及18万吨合成氨装置。

而在今年1月，吉电股份与伊藤忠（中国）集团有限公司就加强氢能产业链方面合作展开深入交流，明确希望双方加强氢能全产业链、碳中和等方面的深度合作交流，推动项目早日落地，促进绿氢、绿氨、绿醇生产耦合联动。

3、京能集团

京能集团由原北京国际电力开发投资公司和原北京市综合投资公司合并而成，经过多年的资源整合，由单一能源产业发展为热力、电力、煤炭、健康文旅等多业态产业格局。

今年8月，京能集团与内蒙古锡林郭勒盟多伦县人民政府签署了风光储氢制绿氨项目合作开发框架协议。依据协议，双方将合力推进风光储氢制绿氨项目实施进程，利用锡林郭勒盟南部区域可再生能源资源生产绿电并电解制绿氢，绿氢转化为绿氨后供应国内外市场。项目建成后，预计电解制氢规模日产300吨，年产绿氨规模达60万吨。

4、中国能建&众宇动力

8月22日，近日，武汉众宇动力与中国能源建设集团联合投资打造的兰州新区氢能产业园项目正式开工。

该项目规划建设“一基地三中心”功能的综合型氢能园区，包括绿氢供应基地、氢能示范应用中心、氢能装备制造中心和氢能研究中心。项目规划面积2.83平方公里，总投资150亿元，项目一期总投资30亿元，主要建设年产2万吨制氢能力和10万标方储氢能力的绿氢供应基地，以年产6万吨绿氨和氢能交通应用为核心的示范应用中心，以年产3000套氢燃料电池系统为核心的氢能装备制造中心，同时建设氢能研发创新中心、检测中心和人才培训中心。

5、盈德气体&中国氢能

盈德气体是一家致力于中国工业发展的大型专业气体公司，专注于现场供气、清洁能源、零售、工程与制造、氢能、稀特气体业务，以现场管道供气、液体零售、瓶装气等方式，供应氧、氮、氩、氢等高品质工业气体产品，并提供基于氢气及一氧化碳的合成气清洁能源解决方案。

中国氢能有限公司是未来能源控股有限公司的全资控股子公司，致力于氢能研究与应用，拥有氢能全产业链相关资源与技术。

今年7月，盈德气体集团与中国氢能有限公司签署合作协议，就在鄂尔多斯市达拉特旗投资建设绿氢、绿氨项目达成合作。此次签约项目以绿氢、绿电制取绿氮为主要原料，经过低温低压制合成氨工艺，生产纯度为99.9%的绿色合成氨，年产能包括0.93万吨绿氢和5万吨绿氨。

6、国家电投

6月22日，国家电投智慧能源（国核电力院）牵头总承包的达茂旗风光制氢与绿色灵活化工一体化项目开工。项目位于内蒙古自治区包头市达尔罕茂明安联合旗，主要包括200兆瓦风电、200兆瓦光伏，预计年发电量12.5亿千瓦时；采用风光电解制氢，年制氢1.78万吨；再以氢气和氮气为原料合成液氨产品，年产10万吨。

7、国家能源集团

国家能源集团是由中国国电集团公司和神华集团有限责任公司联合重组而成的中央骨干能源企业，拥有煤炭、电力、运输、化工等全产业链业务，产业分布在全国31个省区市以及美国、加拿大等10多个国家和地区，是全球规模最大的煤炭生产公司、火力发电公司、风力发电公司和煤制油煤化工公司。

今年5月，国家能源集团旗下国华巴彦淖尔（乌拉特中旗）风电有限公司乌拉特中旗甘其毛都口岸加工园区风光氢氨一体化新型储能示范项目获备案。据了解，该项目总投资额达235400万元，配套规划新能源装机容量110万kW，其中风电80万kW，光伏30万kW。该项目拟利用风光发电分解水制取高品质氢气，再用于生产合成氨，预计年产绿氨约30万吨，以供蒙西地区工业园区化工生产使用。   

8、明拓集团&华陆公司

4月7日，国际氢能冶金化工产业示范区新能源制氢联产无碳燃料项目签约仪式在内蒙古包头九原工业园区举行。明拓集团有限公司、华陆公司以及水木明拓（包头）公司进行此次合作。项目内容围绕以绿氢、空气捕捉的氮为原料，建设中国首台套氢电催化合成技术的120万吨绿氨化工项目，推动形成绿色低碳化工产业链，实现冶金化工产业的全面碳中和。

9、远景集团

远景科技集团是一家全球领先的绿色科技企业，由旗下智能风电和储能技术公司远景能源、动力电池企业远景动力、智能物联网企业远景智能三大主要业务板块组成，共同构建能源转型整体解决方案，成为全球企业、政府与机构的“零碳技术伙伴”。

今年3月28日，赤峰市人民政府与远景科技集团举行战略合作协议签约仪式，依据协议，远景科技集团将在赤峰市建设风光制绿氢绿氨一体化示范项目，总投资约为400亿元，预计2028年前建成投产。其中，该项目规划年产152万吨零碳工业气体产品，一期项目将于两年内投产，成为全球首个零碳氢氨项目。

同时，该项目建成后，将为赤峰经济技术开发区区内工业生产提供零碳氨、氢、氧、氮等工业气体产品，削减园区碳排放量，依托零碳工业气体产品优势及先进贮能型空分工艺，将元宝山化工园区打造成零碳化工园区。

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编辑：戴戴

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