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當前全球已跨入“氣體能源時代”,其“主動脈”當推“含碳的氫能源”——天然氣即甲烷(CH4),而其“主靜脈”唯有“含氫無碳能源”——氨(NH3)可以勝任。
氨是除氫以外最宜生產的可再生燃料,具有極其重要的戰略資源價值。氨可由水中的氫和空氣中的氮合成,並在氨燃料電池或氨內燃機或氧化燃燒時還原為水和空氣。在目前普遍採用的工業化合成氨生產中,所需的氮可自空氣中直接獲得。而氫的來源則為天然氣、煤炭、石油、生物質及水。隨著未來天然氣的供不應求,氫的來源勢必漸以煤、生物質和水為主,並最終依賴生物質與水。制氨所需的能源也勢必從目前的化石能源(包括石油、天然氣、煤炭等)及物理能(包括光、水力、風力、溫差、核變等)最終走向只依賴物理能(特別是自然能),必然走向風光核分散式制氨的光輝道路。
現在人們把氨作為一種新能源進行研究,主要是基於兩個考量:一是作為儲氫介質,同時它還是一個零碳燃料。
氨具備常用燃料所須的各大特點:廉價、易得、易揮發、便儲存,低汙染,高燃燒值,高辛烷值,操作相對安全,可與一般材料相容等。在作為燃料的普及應用上,氨較氫的最大優越性在於其能量密度大(同體積含能量液氨是液氫的1.5倍以上)、易液化(常壓下負33攝氏度或常溫下9個大氣壓均可使氨液化而氫在負240攝氏度以上則無法液化)、易儲運(普通液化氣鋼瓶即可儲氨而儲氫則需特殊材料)。
儲氫介質:
遠距離運輸氫,需要將其液化,在常壓狀態下,需要將其溫度降低到-235攝氏度以下,能耗較高。如果以管道運輸,則需要克服純氫以及摻氫的氣體給管道帶來的安全隱患,攻克氫氣管道的材料難題。
氨是由一個氮原子和三個氫原子組成的化合物,是天然的儲氫介質;在常壓狀態下,只需要將溫度降低到-33攝氏度,就能夠將氨液化,便於安全運輸。目前全球八成以上的氨被用於生產化肥,這讓氨擁有著完備的貿易、運輸體系。理論上,可以用可再生能源生產氫,再將氫轉換為氨,運輸到目的地。
12月10日,國內首家“氨-氫”綠色能源產業創新平臺在閩啟建據國際能源署預計,2040年全球“綠氫和藍氫”需求將達7500萬噸。發展氫能產業是實施“雙碳”戰略的重要抓手,然而氫氣儲運難和安全性差等問題制約了其產業化發展。研究發現,氨作為高效儲氫介質,具有高能量密度、易液化儲運、安全性高和無碳排放等優勢。
零碳燃料:液氨的比重與汽油相近。氨每千克5090大卡,汽油每千克10296大卡,雖其燃燒值僅約為汽油的一半,然而氨的辛烷值卻遠高於汽油,因而可大大增加內燃機壓縮比以提高輸出功率。氨內燃機的熱效率可達50%甚至近60%,是通常汽油內燃機的兩倍以上,因此也就足以在多種用途中成為可取代汽油的燃料。不僅如此,以液氨為燃料的車輛可得到幾乎免費的空調——液氨在氣化時能大量吸熱。從車船用優質燃料角度,每噸液氨的價格只有2500元,但卻能完全足以替代每噸10000元的成品汽油。在智慧電網中,氨的再生與其高效內燃機發電迴圈,與天然氣的多級熱電聯產,可以成為一個聯合體,實現60%到80%的發電效率與高達90%的熱效率,並可望實現COP高達5到10倍能效的建築體新型供能方式。
近期在上海舉辦的2021年中國汽車工程學會年會上,中國汽車工程學會理事長、中國工程院院士、清華大學教授李駿發表了題為《Autonomy 2.0與Ammonia=Hydrogen2.0》的主旨報告,他認為全球已進入“氨=氫2.0”時代,氫能產業要準備向氨方向發展。