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氨能研究:離產業化還有多遠?

2022-03-18 10:44
香橙會
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3月15日,國家自然科學基金委員會交叉科學部擬設立“重型車輛氨氫融合零碳動力系統基礎研究”專項項目,項目旨在解決車用氨燃料點火難、燃燒慢及動態控制復雜等問題,為重型運載車輛氨氫融合燃料復合動力系統零碳排放技術創新與應用奠定基礎。

氨能,離我們越來越近了。

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氨的優勢

相比于氫,氨的優勢明顯。

首先,氨(NH3)相對氫來說更容易運輸和儲存。氨比氫更不易燃,因此在這方面氨是一種更安全的燃料。此外,NH3的沸點為33.36℃,H2的沸點為-252.9℃,NH3更容易液化,所以氨儲存和運輸所需的能量更少。最重要的是,氨具有特殊的氣味,為其潛在的致命泄露提供了早期預警,這是純氫沒有的特征。

第二,液氨是一種比液氫本身更有效且能量密度更高的氫載體。NH3是一個氮原子和三個氫原子結合在一起,與H2相比,一升液氨中的氫比一升液氫中的氫含量高,在相同體積的儲存容器中可以輸送更多的能量。

第三,NH3是世界上最重要的化學商品之一,也是生產最廣泛的化學品之一。其包括裝卸在內的運輸法規和運輸基礎設施已經在全世界得到了廣泛的布置。一般情況下,氨運輸和儲存在中等壓力的儲罐中,這意味著它可以快速應用到能源系統中需要它的特定部分。另外,氨有管道、鐵路、駁船、船舶、公路拖車和倉庫等多種運輸方式和手段。因此,若擴大NH3的生產和分銷,并不需要在基礎設施建設上大量投資。

目前氫能的利用和商業化進程緩慢,運輸氫氣既困難又昂貴,但一個廣泛的氨輸送系統已經存在,與氨氣相關的設施成本比氫氣低。如果用綠氫生產氨,就不會產生二氧化碳排放,與此同時,將綠氨液化然后大規模運輸可能是將來氫氣儲運的最佳方式之一。另外,氨燃燒的產物是水和氮,不會造成碳排放,氫能產業正在向氨方向發展。

但是如果直接將氨作為燃料,則需要克服氨不容易燃燒的缺陷。氨的燃燒速度低于氫,發熱量也低于氫和天然氣,將其點燃并實現持續穩定燃燒比較困難。

為了盡快實現碳中和的目標,各個國家政府也越來越重視氨能的發展。

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全球主要國家氨能發展情況

1.日本大力發展氨燃燒

2020年底,日本公布了“綠色增長戰略”行動計劃,氨能被重點提及。2021年4月,日本政府計劃:到2050年,氫氣和氨氣發電將占日本總能源產量的10%左右;2023年之前將突破燃煤火力發電廠混合氨燃燒技術;2025年可將氨含量為20%的燃料投入實際應用;2040年實現100%的氨燃燒火力發電技術的開發。

2021年10月,日本考慮在一年之內確定氨燃料發電的定價機制和合同條款等概念,預計相關企業將在2023年左右就開始投資建設新電廠。

2.歐洲加大綠氨生產

2020年11月24日,歐盟第四次氫能網絡會議提到要不斷增加綠氨的生產。

3.韓國氨燃燒發電提上日程

2020年12月7日,韓國產業通商資源部主持召開的“第二次氫氣和氨氣發電推進”會議上,韓政府宣布將2022年作為氫氣-氨氣發電元年,并制定發展計劃和路線圖,力求打造全球第一大氫氣和氨氣發電國。會議宣布,政府將投入400億韓元用于有關基礎設施的建設,并于2023年前制定“氫氣和氨氣發電指南”。

2021年11月17號,韓國能源部表示,韓國計劃到2027年完成將氨作為無碳發電燃料的研究和測試,從2030年開始實現氨燃料發電商業化,并將氨的比例提高到3.6%,以減少其在電力生產中對煤炭和液化天然氣的依賴。

4.中國加大氨儲能研發力度

2021年5月26日-28日,上海舉辦了第一屆“2021年氨燃料電池動力系統產業發展上海國際峰會論壇”,來自中外的能源廠家、設備供應商和配套廠家均參與其中,交流氨能發展的新機會,反響熱烈。組織方響應產業界要求,半年后又舉辦了“第二屆氨產業和氨燃料動力系統上海國際論壇”,探討氨產業和氨燃料動力系統在航運、船舶、內燃機、飛機、汽車、市政、電力、工程、港口等清潔新能源市場的機遇與發展趨勢。全球前兩大船東MOL和NKY均有報名參加。

2022年1月29日,國家發展改革委國家能源局關于印發《“十四五”新型儲能發展實施方案》的通知提到,要加大關鍵技術裝備研發力度推動多元化技術開發,開展儲能環節關鍵核心技術、裝備和集成優化設計研究,這其中包括氨儲能。

5.澳大利亞持續推進氨能發展

2020年9月,澳大利亞氨能源協會(AEA Australia)分會舉辦了第二屆“氨=氫2.0會議”。會議上提出:要加強政府與行業之間的合作關系;為氨動力船舶稅收開設安全培訓課程;行業和政府共同出資設立氨生產技術研發中心;與日本和新加坡等國家建立綠氨有關的能源安全合作。  

6.美國重回“巴黎協定”

2021年1月,拜登在上任第一天就重新加入了《巴黎協定》。早在20年8月份的時候,拜登就曾保證抵免氫戰略和生產的稅收,同時還有關于氫(和氨)生產以及電解槽制造生產稅收的抵免。

為了保護綠色地球,在探索工業和能源領域的脫碳技術時,氨能被反復提及。全球各國已將關注的眼光慢慢移向了氨能領域。

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氨能技術發展現狀

根據香橙會研究院調查,目前氨能的技術發展情況如下。

3.1合成氨技術

3.1.1 綠氫-Haber-Bosch電化學體系制備綠氨

目前全球綠氨大部分的制備方式為:基于Haber-Bosch電化學體系,用綠氫和氮氣合成綠氨。利用電解槽綠色制氫,該電解槽工作在堿性水介質或質子交換膜或固體氧化物介質中。這些電解槽利用來自太陽能、風能和潮汐能等可再生能源的電力生產綠氫。而合成氨的反應則依舊是在高壓環境的合成塔中完成,氮氣和氫氣混合后經過壓縮從塔的上部進入合成塔。經過合成塔下部的熱交換器,混合氣體的溫度升高,并進入放有催化劑的接觸室。在接觸室,一部分氮氣和氫氣發生反應,合成了氨,混有氮氣,氫氣和氨氣的混合氣體經過熱交換器離開合成塔;旌蠚怏w要經由冷凝器,將氨液化,因而將氨分離出來,而氮氣和氫氣的混合氣體經壓縮再次送入合成塔,形成循環利用,以節省原料。

3.1.2 四烷基膦酸鹽電化學方法

2021年6月,澳大利亞的Jupiter Ionics公司采取了一種全新的電化學方法制取氨,可以大幅度減少與目前的Haber-Bosch工藝有關的溫室氣體排放。該方法是一種使用與鋰電池類似的電解質電池來制備氨氣。Jupiter Ionics的方法使用可再生能源電解從空氣中分離出氮氣,還原生成氮化鋰,從水中分離出氫氣,通過電氧化還原以產生氨。這意味著氨可以完完全全成為“綠色生產”。Suryanto等人報告用四烷基膦酸鹽代替乙醇。這種陽離子可以穩定地經歷去質子化-再質子化循環,并且提高了介質的離子電導率。Jupiter Ionics表示已獲得250萬美元的資金,以擴大該技術的商業用途。

圖1  全新綠氨制備工藝

3.1.3 低溫低壓合成綠氨

2022年3月,以色列的GenCell能源公司宣布,與當今世界上通常采用的傳統氨生產工藝相比,他們可使水在極低的溫度和壓力下直接生產綠色氨。GenCell公司開發了基于零排放堿性電池和綠色氨能技術的電力解決方案,允許不間斷的電力幫助世界從柴油動力轉移到清潔能源動力。隨后,日本技術提供商TDK公司宣布計劃繼續投資和開發GenCell創新的零排放綠色氨合成項目。

3.2氨脫氫技術

3.2.1 傳統氨分解制氫

傳統的氨分解變壓吸附制氫工藝可分為兩部分:氨分解和變壓吸附純化。液氨經預熱器蒸發成氣氨,然后在一定溫度下,通過填充有催化劑的氨分解爐,氨氣即被分解成含氫75%、含氮25%的氫氨混合氣。其反應為:

分解溫度約在650℃~800℃時,分解率可達99%以上。分解后的高溫混合氣經冷卻至常溫,進入變壓吸附系統。其中,氨催化分解用的催化劑主要以負載型催化劑為主,其中包括以釕為代表的貴金屬負載型催化劑(銥、鉑等)、以鐵、鎳為代表的過渡金屬催化劑(鈷、鉬等)、合金催化劑、碳化物催化劑和氮化物催化劑等。雖然釕基催化劑是催化活性最高,但是它的高成本限制了其在工業上的廣泛使用,而廉價的鎳基催化劑活性僅次于釕,銥和銠,且與貴金屬相比,鎳在工業應用更廣泛。

依據常溫下吸附劑在兩種不同壓力下對原料氫中其他組分的吸附容量差異,能一次去除氫氣中多種雜質組分,其中包括少量未分解的NH3和雜質水。將分解后的混合氣引入兩塔式變壓吸附塔進行變壓吸附。吸附劑采用一定型號的分子篩,吸附塔內的分子篩可以同時除去雜質水分和殘氨。分解混合氣先由塔1底部進入塔內,在塔頂得到較高純度的氫氮混合氣,同時塔2在大氣壓下降壓解吸。部分產品氣進入緩沖罐,直到等壓為止。繼之兩塔交換操作,塔2吸附,塔1解吸,交替工作和再生,以保證連續生產,如此循環進行。在純化循環的過程中,總有一座吸附塔送出混合氣(H2/N2=3:1)以備后續工藝的使用。

圖2  兩塔式變壓吸附純化裝置的流程簡圖

傳統氨脫氫對設備要求高,壓力要求嚴格。工藝流程能耗大(650~850℃),設備建設投資也大,經濟適用性較新型技術低。工業上使用的重金屬催化劑易造成環境污染。

3.2.2 電化學電池氨脫氫

2021年1月28日,美國西北大學的研究人員和加州能源初創公司SAFCell的研究人員已經開發出一種高效、環保的方法使氨轉化為氫,并將這項新技術發表在《焦耳》(Joule)雜志。該技術突破克服了從氨水中生產清潔氫氣的幾個現存障礙。Haile團隊建造了一個獨特的電化學電池,它帶有與氨分解催化劑集成在一起的質子交換膜。氨首先遇到將其分解成氮和氫的催化劑,氫會立即轉化為質子,然后通過電驅動質子穿過電化學電池中的質子導電膜。通過不斷地抽離氫,推動反應的進行。從氨裂解中產生的氫可以用于燃料電池。該研究得到了美國能源部高級研究計劃局和國家科學基金會的支持。

3.2.3 新型低溫氨分解制氫

2021年12月期間,福州大學的江莉龍研發團隊實現了新型的低溫“氨分解制氫”催化劑的產業化,探索了以氨為氫能載體的顛覆傳統高壓的儲氫方式,為發展“氨-氫”綠色能源產業奠定了堅實的基礎。該技術具體為一種氨分解制氫催化劑及其制備方法及其在電極中的與應用。催化劑包括活性組分和載體,活性組分為釕和/或鎳,載體為鋇基鈣鈦礦,氧化鋯基稀土金屬氧化物,氧化鈰基稀土金屬氧化物,鎵酸鑭基鈣鈦礦,氧化鋁中的至少一種。該催化劑可以使催化劑的熱膨脹系數與電極材料的熱膨脹系數接近,從而解決催化劑和電極因受熱易出現分層的問題;以釕和/或鎳活性組分,將其負載在載體上制得的催化劑具有較好的催化效果和較高的氨分解效率。此次福州大學、北京三聚環保公司、紫金礦業集團將出資約2.67億元成立合資公司,由新公司出資約3千萬元購買福州大學的技術服務。合作三方將進一步聚焦我國發展氫能產業化存在的“卡脖子”難題。

3.3氨燃燒技術

2020年初,馬來西亞國際船運有限公司、韓國三星重工、英國勞埃德船級社和德國船機制造商曼恩能源達成合作意向,將在未來3—4年進行內氨燃料油輪聯合開發項目。

芬蘭船用發動機制造商瓦錫蘭、挪威海工船東Eidesvik以及挪威國有能源公司Equinor正在合作研發一艘以氨燃料電池為動力的零排放大型船舶,預計最早將于2024年下水,在2030年實現商業化。

德國大眾旗下MAN ES公司計劃2024年完成MAN B&W ME-LGIP樣機試驗。首臺氨燃料發動機試驗計劃2021年在哥本哈根研究中心開始。2019年已經成功地進行了氨燃燒性初步研究,2020年初,MAN ES公司開始其MAN B&W ME-LGIP二沖程發動機氨燃料變型開發項目。

2020年8月,丹麥Hafnia郵輪公司、瑞典阿法拉伐(Alfa Laval)、丹麥托普索公司(Haldor Topsoe)和維斯塔斯和西門子歌美颯共同發布白皮書,認為到2050年,氨燃料可為30%的商船船隊提供動力。

2015年,以色列新能源企業GenCell對外宣稱研發出了新一代“液氫和氨基燃料電池”,并在很多城市的重要地區作能源備用,例如電信塔、通信基站、軍隊遠程控制中心、蓄電池房、醫院、公共設施以及安防等領域地區。

2021年10月,日本電力巨頭JERA的氨能混燒示范項目在日本愛知縣碧南市的火電廠首次點火啟動。根據計劃,此項目的氨燃料混燒比例到2024年將提高到20%,到2050年將實現100%。JERA在2021年11月中旬宣布,計劃在未來2~3年內,每年采購50萬噸氨,用于混燒發電。

中國國家能源集團自主開發的第一代混氨低氮煤粉燃燒器,在龍源技術40MWth燃燒試驗平臺上進行全尺度了混氨燃燒試驗,氨燃盡率99.99%,混氨燃燒比例最高達到35%,同時實現了氮氧化物的有效控制。該項技術成果可應用于發電、工業等領域的燃煤鍋爐,通過對現有燃煤鍋爐低成本的混氨燃燒改造,實現化石燃料的替代,實現燃煤機組的大幅度CO2減排。

綠氨對于航運、重型貨物運輸和農業的脫碳至關重要。全球已有不少公司開始進行相關項目的研究或試點生產,綠氨產業的商業化已拉開帷幕。

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