“雙碳”目標下的氨能技術與經濟性研究進展

李衛東，李逸龍，滕霖，尹鵬博，黃鑫，李加慶，羅宇，江莉龍

（福州大學石油化工學院化肥催化劑國家工程研究中心清源創新實驗室，福建 福州 350000）

根據《巴黎協定》，中國提出2030年前實現碳達峰和2060 年前實現碳中和的“雙碳”目標；歐盟承諾到2030 年將溫室氣體排放水平至少降低40%，這個目標最近被提議增加到2030 年至少減少55%[1]。鑒于這些目標以及全球碳中和背景，各國正處于從化石燃料轉向可再生能源轉換的過渡階段。因此，氫作為一種清潔的可再生能源受到了廣泛的關注，各國紛紛對相關技術展開研究[2-4]。作為一種高效、安全、經濟的氫能載體，日本在2021 年10 月發布的第6 版《能源戰略計劃》中，首次引入氨能產業布局，提出氨能概念。氨作為儲能和儲氫載體，其生產和應用的技術選擇多種多樣[5]，并且氨作為無碳化合物，燃燒產物純凈無碳，因此可以作為清潔能源直接燃燒使用。氨最初被用于硝酸、制冷劑、氮肥等產品的化工原料，近幾年隨著氨能產業的不斷發展，其合成、儲運以及新能源應用范圍的相關研究也越來越廣泛。未來氨能的能源路線將圍繞綠色能源-合成氨能-裂解制氫能/直接氨能-終端場景能源結構進行過渡發展并延續，催生出一系列的氨能產業鏈。

1 合成氨技術發展及經濟性

滿足零碳需求“氨經濟”的實現需要三代合成氨技術的開發和迭代（圖1）。第一代技術以“藍氫”為原料，以確保哈伯（H-B）制氨過程中的二氧化碳捕集與封存（CCS）；第二代技術以可再生能源生產“綠氫”為原料，通過哈伯法實現“綠氨”合成；第三代技術通過商業規模的氮電還原直接制氨，來避免產氫環節和哈伯工藝的使用。目前，第一代和第二代技術的主要障礙來源于碳排放和成本問題，第三代技術則主要受限于效率、成熟度、可行性等問題，但隨著全球“氨經濟”路線與技術的快速發展，這些問題將有望得到有效解決[6]。

圖1 合成氨技術路線發展趨勢圖

1.1 第一代合成氨技術

1909 年，由Fritz Haber 和Carl Bosch 發明的哈伯工藝實現了全球96%以上的氨生產，成為了20世紀最主要的合成氨工藝[7]。該工藝通常以化石能源（煤、天然氣和燃料油等）為原料制備氫氣，將其與通過空氣低溫分離后制得的氮氣結合，在鐵或釕催化劑的作用下，使氫氣和氮氣在高溫高壓條件下發生化學反應合成氨。目前，哈伯工藝仍被廣泛應用于化肥生產，極大程度上解決了世界糧食問題，并通過對反應催化劑的不斷改進，實現了氨的高效合成。然而，維持高溫高壓狀態所需的巨額能量以及工藝過程排放的大量二氧化碳，也使得哈伯工藝合成氨成為了全球最大的能源消耗和溫室氣體排放對象之一，約占全球溫室氣體排放量的1.0%，二氧化碳排放量的1.8%[8]。在過去100 年里，氨生產技術不斷發展，但仍是全球溫室氣體排放的重要來源。由煤氣化轉向甲烷蒸汽重整（SMR）的氨生產技術實現了碳排放的降低以及熱損失和能源需求的減少，而CCS技術的應用進一步緩解了工藝過程二氧化碳的排放，所制得的氨也被稱為“藍氨”[7]。國際能源署（IEA）對一系列CCS 技術應用于甲烷蒸汽重整合成氨技術進行經濟性分析得出，CCS可以減少SMR制氨過程中50%～90%的碳排放量，但工藝復雜性和成本呈現不同程度的增加[9]。

1.2 第二代合成氨技術

自哈伯工藝廣泛應用以來，整體能源效率由36%提高到了62%～65%[7]，但生產過程仍主要依賴于化石燃料，環境友好性差。因此，以可再生氫源為原料的第二代合成氨技術出現，所制得的氨被定義為“綠氨”。可再生能源合成氨技術通過化石能源替代一定程度上解決了碳排放問題，其中電化學合成氨技術以其獨特優勢受到廣泛關注。該技術通過可再生電能實現氨合成，具有低壓低能耗、清潔無污染、零碳排放等優點[6,10]，是極具潛力的常規氨合成替代方法[11]。目前，根據電解質類型不同，電化學合成氨技術分為聚合物電解質膜（PEM）水電解制氫合成氨、堿性水電解（AWE）制氫合成氨和固體氧化物電解（SOE）制氫合成氨3種類型。

（1）PEM 水電解制氫合成氨 1966 年，通用電氣開發了首套基于固體聚合物電解質概念的水電解槽[12]，采用固體磺化聚苯乙烯膜作為電解質[13]，形成了聚合物電介質膜或質子交換膜水電解概念。該技術通常采用Nafion膜在室溫下實現質子的高效傳遞，用于結合氫原子產生氫氣[14]。Lan 等[15]在環境溫度和壓力下，以Nafion膜作為固態電解質，氫氣和氮氣為反應物，實現了法拉第效率高達90.4%的氨合成。Chen 等[16]通過改進PEM 反應器結構有效解決了氨穿透問題，同時抑制了陰極析氫反應的發生，實現了PEM制氫合成氨技術的優化。

在應用層面，Proton Onsite 等公司開發了具有75%高熱值效率的兆瓦級PEM水電解槽系統[17]，在電能充足或可有效將太陽能轉化為電能情況下，實現了規模化的電化學合成氨生產。Ozturk 等[18]對土耳其某太陽能光伏氨生產廠進行評估，得到使用含PEM 電解槽的制氫合成氨系統的最大能量和?效率分別為26.08%和30.17%。Adam等[19]通過PEM水電解制氫，變壓吸附空氣分離裝置制氮，結合哈伯反應器實現氨生產，以現場風力渦輪機產生電力為水電解和哈伯過程提供動力，每天可生產約30kg的氨。

（2） AWE 制 氫 合 成 氨 PEM 技 術 采 用 的Nafion等酸性膜可以與弱堿性氨發生反應，導致質子傳導率降低[20]。而堿性環境能有效降低氨與膜的反應性，并允許使用低成本活性催化劑，因此AWE技術成為了PEM技術的有效替代之一。AWE制氫電解質通常為25%～30%濃度的KOH溶液，電解反應在堿性低溫環境下進行。與PEM技術相比，AWE 技術腐蝕更容易控制，因此成為了工業生產首選。1951 年，Lurgiai 開發了第一臺商用高壓（30bar，1bar=105Pa）堿性電解槽[21]。20 世紀，加拿大、埃及、印度、挪威等擁有大型水電資源國家建立了多個容量高達165MW的堿性電解工廠[22]。

隨著可再生能源成本下降，AWE 制氫、合成氨技術受到廣泛關注。Grundt等[23]評估了1970年代的水力發電設計，其中堿性水電解制氫在80℃下運行時的峰值效率大于60%。Bicer等[24]研究表明，通過水力發電驅動的堿性水電解制氫合成氨可將每噸氨合成的二氧化碳排放量從1.5t 減少到0.38t。風力驅動的AWE 制氫合成氨工藝中，電解槽運行效率為60%，估計生產每噸氨可產生0.12～0.53t 的二氧化碳[7]。相較于其他水電解技術，AWE 電解槽相對廉價，能夠實現元件成本降低80%；相較于PEM 技術，AWE 電解槽系統規模更大，最高可達5000kW，每小時內可制得氫氣760m3（20℃，101.325kPa），且成本（1061～1273USD/kW）低于基于PEM技術的電解槽（2017～2122USD/kW）[25]。

（3） SOE 制氫合成氨 固體氧化物電解槽（SOEC）開發于1970年代，由于在800～1000℃高溫范圍內運行，也被稱為高溫水電解槽[26]。與傳統電解槽相比，SOEC 在電解制氫氣方面具有卓越性能，能以更高的功率密度和效率（76%～81%）運行，尤其在高溫廢熱環境下，水電解制氫過程實現了熱量存儲[27]。材料的耐久性和穩定性是SOE制氫技術的重要挑戰[28]。Nayak-Luke 等[8]通過集成SOE電解槽生產氫氣和氮氣，再由哈伯工藝合成氨，充分利用廢熱可將系統總效率提高到70%以上。Cinti 等[29]將制氫用SOE 與改進型哈伯反應器結合，以可再生能源電力合成綠氨，其高效率SOE 將合成每千克氨的耗電量降至8.3kWh，同時實現了哈伯反應器熱量回收。Harvego 等[30]開發了以核反應堆為動力的SOE制氫裝置用于綠氨合成，整個系統的能源效率為47.1%。SOE 系統也適用于以風能和太陽能光伏為動力的可再生氫和氨的生產應用[31]。目前，托普索聯合FIRST AMMONIA 公司啟動了全球最大的電解槽制氫合成氨項目，首次實現了工業規模的SOEC綠氨生產[32]。

從技術層面來看，傳統哈伯工藝效率高、成本低，但大量能耗和溫室氣體排放是該工藝的缺點。PEM 技術具有高功率密度、高電流密度、高純度等優勢，但存在催化劑材料價格高、耐久性差、壽命低等技術問題[31]；AWE 為最成熟的電化學制氫合成氨技術，投資成本低，但存在電流密度低、功率密度低、電極結鹽等缺點[33]；SOE 技術效率高、成本低，也被認為是最具前途的綠氨生產方法[34]，但技術成熟度低，仍處于預商業化階段。因此，電化學合成氨技術還有很長的路要走[35]。表1為電化學合成氨工藝與傳統工藝成本對比情況（假設氨生產規模為2000t/d，電價為0.33CNY/kWh）。從經濟層面來看，電化學合成氨工藝因電流效率低，其成本高于傳統H-B 工藝。電價是影響電化學合成氨成本的主要因素，通過控制電價和可再生能源優勢利用，其生產成本將有望優于傳統工藝[36]。隨可再生能源成本下降，電化學合成氨可能成為一種極具潛力的應用技術[37]。

表1 制氨工藝成本對比

1.3 第三代合成氨技術

第三代技術通過直接或介導方式，以可再生綠色能源為電力供應，驅動氮電還原合成氨。該技術不再需要哈伯工藝，原料無碳無毒害且獲取途徑廣泛，以H2O 替代H2作為氫源，避免了化石能源的使用[6]。電化學氮還原反應（NRR）過程中，電催化劑直接將電子和質子添加到N2分子來產生氨分子，能量消耗比哈伯工藝更少，且反應過程簡單安全，大大增加了氨制備的靈活性和可協調性。

技術研究方面，Mcenaney等[38]通過改變電極結構對NRR 工藝進行優化，研發了電化學鋰介導的氮還原反應。該方法對合成氨具有主要選擇性，除使用鋰金屬作為反應物質外，還采用乙醇作為犧牲質子供體，引入鹽作為質子穿梭機，在擁有接近工業水平的電解電流密度同時，得到了88.5%的高電流效率，提高了氨的產率[39]（圖2）。2017年，Zhou等[40]對另一項合成氨工藝進行研究，通過結合疏水、高氮溶解度離子液體（IL）電解質和納米結構鐵基電催化劑，以高N2溶解度離子液體為電解質，實現了環境溫度和壓力條件下高達60%法拉第效率的NRR 制氨過程。不僅如此，Wang 等[41]在2018 年又通過三電極系統進行了釕納米顆粒（Ru-NP）的電化學NRR 研究，以鹽酸作為電解質，Pt和Ag/AgCl 分別作為對電極和參比電極，驗證了Ru-NP 能夠在鹽酸水溶液中以高能量效率實現NRR 過程。除NRR 工藝外，Giddey 等[42]開發了一種低壓膜法氨合成工藝（圖3），氫通過分壓差穿過滲透膜，在催化劑作用下與另一端的氮發生反應合成氨。該工藝氨合成速率高達10-6mol/（cm2·s），壓力遠低于傳統哈伯反應器，可以減少25%以上的能量消耗，降低了總系統成本。

圖2 電化學氮還原合成氨示意圖

圖3 低壓膜法合成氨示意圖

從本質上看，NRR 制氨工藝比第二代水電解制氫合成氨工藝更經濟，其不僅體現在合成氨理論所需能量少（約7.5%），更重要的是避免了哈伯工藝工廠的高能源消耗和資金投入。即使在NRR 工藝60%的能源效率基準上，考慮到其對哈伯工藝的能源成本和資本成本的節省，也明顯比電解水工藝80%的能源效率更經濟。同樣，NRR 工藝的主要生產成本受電價影響。目前，NRR 制氨技術遠未達到生產和儲能層面上的經濟可行性，開發高效的NRR制氨技術將獲得巨大的潛在回報[43]。

2 氨能儲運技術現狀及經濟性

2.1 氨能儲存

當氨維持在8.58bar 壓力時，可以在20℃環境溫度下進行液態儲存，通常氨儲存容器在17bar 壓力下運行，以保持液體狀態[44]。而氫氣儲罐的最大工作壓力為200bar[45]，儲存同等能量時，氫不僅需要比氨大4.65 倍的體積，還需要更高承壓的儲罐，增加了存儲成本。與氫氣儲存系統相比，氨儲存系統消耗能源更少、運行效率更高、成本更低。其中，氨儲存系統的效率為93.6%，而氫氣儲存系統的效率為76.9%[46]。基于成本考慮，氨和氫的大規模儲存通常采用低溫方式，足夠低溫度的氨（-33℃）和氫（-253℃）均可以在常壓下液態儲存。Bartels[47]對比低溫氨和氫儲存系統發現，儲存182 天時，氨儲存所需能量大約為氫的五分之一；若電力成本為0.08USD/kWh，忽略投資成本情況下，氨和氫的低溫儲存成本分別為0.03USD/kg H2和0.95USD/kg H2，氨比氫的存儲設施更經濟；若將能源成本與投資成本相結合，氨和氫的總儲存成本分別為0.54USD/kg H2和14.95USD/kg H2，氨的總儲存成本比氫低近30倍；若儲存時間縮短到15天，氨和氫的儲存成本分別為0.06USD/kg H2和1.97USD/kg H2，成本差異仍然約是30 倍。Rouwenhorst 等[48]研究發現，氫儲存成本隨著儲存時間增加而顯著增加，而氨儲存成本則隨存儲時間基本保持不變。Palys等[49]對氨可再生能源存儲系統的技術經濟性進行分析，發現在風力發電潛力大或季節性發電需求差異較大的城市使用氨儲能比氫儲能的成本低0.12USD/kWh，若將氨與氫技術結合，儲能成本為0.17～0.28USD/kWh，證實了可再生能源綠氨投資的可行性，甚至能與某些化石能源策略相競爭。

2.2 遠洋運輸

自20 世紀以來，氨產量隨人口增長而快速增加，到2019年氨產量約2.4億噸，預計2030年產量將增至約3 億噸[50]。其中，氨的主要生產國為中國、印度、俄羅斯和美國，并在全球范圍內進行交易[51]。由于地理位置特殊性，日本、特立尼達、多巴哥等氨進出口商主要通過海運進行貿易。海運作為最具成本效益和能源效率的散裝貨物運輸類型，在全球氨貿易市場占據主導地位，超過10%的氨采用海運進行貿易[51-52]。氨的遠洋運輸可以采用加壓或低溫儲罐，現有遠洋船舶能夠實現5萬噸的低溫液氨儲存運輸。Al-Breiki 等[44]對液化天然氣、液氨和甲醇3種能源載體的遠洋運輸進行能量和?分析后發現，氨的蒸發氣損失極小且無碳，是一種優質高效的遠洋能源運輸載體。目前，根據距離和燃料成本，以重質燃料油為燃料的遠洋運氨成本為30～100USD/t，隨著氨燃料運輸船的應用推廣，該運輸成本將呈現顯著下降[53]。

2.3 陸上運輸

按照交通工具不同，氨的陸上運輸方式主要分為管道、公路、鐵路、水路4 種[54]。其中，液氨管道是一種低風險、設施完善且成本效益高的運輸方式[55]，在長距離輸送中更具優勢。長輸液氨管道在全球范圍內超過6000km，如美國海灣中央液氨管道長度為3200km，每年輸送290 萬噸氨，俄羅斯托利亞蒂-敖德薩液氨管道長度為2400km，每年可輸送300 萬噸氨[56]，這些管道每噸氨的運輸成本約為0.07USD/km[22]。Bartels[47]對氨和氫管道的運輸成本進行經濟性分析得出，運輸距離為1610km 時，氫管道的運輸成本為0.51～3.22USD/kg H2，而氨管道的運輸成本為0.194USD/kg H2（0.0344USD/kg NH3），可見管道每噸氨的運輸成本為0.02～0.07USD/km，氫的管道運輸成本幾乎是氨的三倍甚至多了一個數量級；在不考慮氨合成的情況下，氨管道的運輸效率為99.2%，而氫管道的運輸效率為86.9%。公路罐車運輸方面，氨的高能量密度以及較低的鋼材要求相較于氫具有顯著優勢。氫氣運輸采用的高壓長管拖車運載能力被限制在340kg H2（48GJ能量），將氫氣液化可將運載能力提高至3900kg H2（553GJ 能量），而液氨罐車可運載26600kg NH3（600GJ 能量）。此外，氫氣液化是一個能源密集型過程，液氫運輸比氨運輸需要更多的能量[47]。公路液氨罐車由于高轉換成本和路程損失率，是目前較為昂貴的氨運輸選擇，但在短距離運輸方面具有競爭力。氨的鐵路運輸與公路運輸類似，采用容量為126.81m3、壓力為15.5bar 的加壓罐，能夠運輸77.5t 氨（1746GJ 能量）[57]。當運輸距離超過2000～3000km 時，與公路罐車相比，鐵路或海運是成本效益更高的氨運輸方式[58]。

2.4 氨能儲運安全

雖然危險性遠低于氫，但氨具有較強的腐蝕性、揮發性和刺激性，其安全性是氨運輸經濟性的保障。液氨管道一般應用于長距離輸送，其安全問題包括液氨汽化或氣塞導致的管道膨脹變形[59]、人為破壞造成的疲勞開裂或泄漏問題[60]以及埋地管道腐蝕問題等。2004 年，美國內布拉斯加州麥哲倫管道的97t液氨泄漏事故曾造成一人住院，1000多條魚死亡。公路適用于運量低、短距離的液氨輸送，液氨容器與儲罐間裝卸過程的頻繁連接與斷開是其主要安全問題。液氨公路運輸一般途經人口密集區域，因此短時間內的有效應對措施也可能對周圍造成嚴重危害。2007 年，四川內江一食品加工廠內液氨儲罐與槽罐車轉存過程中管道破裂引起的液氨泄漏，曾造成2 人當場遇難，1 人緊急搶救以及附近部分居民中毒。鐵路為液氨長距離、高輸量運輸的常見方式，通常需穿過人口密集地區，由于鐵路交通引起的液氨安全問題很少提示周圍居民采取有效行動，其事故造成的后果一般是災難性的。2002 年，美國北達科他州鐵路液氨罐車脫軌事故導致約560t液氨泄漏，對附近11600多名居民的眼睛和肺部造成了不同程度損傷。水路通過內陸河流實現跨區域長航線的液氨運輸，一般遠離人口密集區域，且容易吸收泄漏液氨，但會對周圍生態環境造成不可逆影響。

Lippmann[61]基于以往液氨運輸事故調研，分別通過事故發生的可能性、嚴重程度以及風險等級對陸上液氨運輸方式的安全性進行了分析（表2）。分析表明，所有交通運輸方式均發生過事故，但都不具備極端危險性，其中管道運輸被評定為低風險，駁船運輸被認為是中等風險，而鐵路和公路運輸被視為高風險。

表2 不同運輸方式風險評估

3 氨能新能源應用及經濟性

3.1 氨能源燃料

氨作為一種潛力巨大的新能源燃料，可應用于稍加改造的各類型內燃機、燃氣輪機和燃燒器，并可直接用于燃料電池，有利于推動公路、海運、航空等交通領域的低碳環保。氨的燃料應用最早可追溯到第二次世界大戰期間，比利時在20 世紀40 年代將氨用作公交車的燃料。迄今為止，諸多學者以氨燃料為背景，開展了燃燒裝置、混合燃燒、發動機等方面的廣泛研究，并實施了多項技術應用，證明了氨作為燃料的實用性[62-68]。

Zamfirescu 等[67-68]詳細分析了零碳燃料氨應用于公路、海洋、航空運輸行業的環境可持續性和經濟性，通過與常見化石燃料和清潔燃料的碳排放、能耗、成本以及毒害性等參數全面評估，證實了氨燃料顯著的成本和環境效益。本文以公路交通為例，對氨作為新能源燃料的低碳經濟性進行說明。低碳性能方面，氨作為除氫以外的唯一無碳燃料，其燃燒產物在空氣中的捕集比碳更加容易、高效且經濟，直接氮捕集的成本為0.0424USD/kg，而直接二氧化碳捕集的成本為0.2～0.5USD/kg。考慮燃料的整個生產、運輸和使用周期，柴油燃料汽車可排放約0.22kg/km 的溫室氣體，而可再生能源氨燃料汽車排放量降低至約0.07kg/km，碳氫化合物裂解氨燃料汽車也可將排放量降低至約0.15kg/km。經濟性方面，各類燃料車的成本經濟性對比說明如圖4 所示[67]。圖4(a)表明，與甲醇、氫氣、汽油和液化石油氣等相比，氨是車輛單位能量儲存成本最有效的燃料；圖4(b)表明，在考慮燃料市場價格情況下，與其他化石燃料和新能源燃料相比，氨是最低成本的行駛燃料，100km范圍內的行駛成本約為3.1USD。同時，氨作為制冷副產品，有利于進一步降低車輛運行期間的成本和維護，配合商業可行性高、全球供銷體系成熟、易于處理等優勢，促使其成為了一種極具潛力的運輸燃料。下文將對氨燃料體系密切相關的燃料電池、內燃機、蒸汽輪機等核心技術進展和經濟性進行全面闡述。

圖4 各類燃料車的能源成本和行駛成本對比

3.1.1 氨燃料電池

氨作為一種高能量密度、低成本的間接儲氫介質，是理想的燃料電池技術無碳燃料。根據氨自身或氨熱分解產生氫氣提供燃料方式的不同，氨燃料電池分為直接氨燃料電池（DAFC）和間接氨燃料電池（IAFC）兩大類[46]。DAFC 電池研究最早開始于1906 年，Cairns 等[69]提出了第一個以KOH 溶液為電解質的直接氨堿性燃料電池。DAFC電池能有效利用氨中儲存的化學能，直接氨固體氧化物燃料電池（SO-DAFC）和直接氨堿性陰離子交換膜燃料電池（AEM-DAFC）為目前DAFC 電池研究熱點，且都處于產業化開發初期階段[70]。SO-DAFC電池的高溫運行環境提供了在陽極內裂解氨或直接用氨的靈活性，因此在大型集中供電以及作為船舶動力電源、交通車輛動力電源等方面具有廣闊的應用前景[71]。目前，日本處于SO-DAFC 電池研發領先地位，對該技術涉及的反應器催化劑[72]、電極[73]、電解質等方面的優化和性能評估展開了廣泛研究[74]，國內也對SO-DAFC 電池的基本反應動力學模型[75]、實驗測量與多物理場模擬方法[76]進行了初步研究。AEM-DAFC 電池以其低溫、低成本、高能量密度等特點，成為未來汽車應用的理想選擇之一，近年來受到格外關注。Li等[77]研制了一種氨氧化反應催化劑用于提高AEM-DAFC 電池性能，Liu 等[78]則開發了陽極和陰極分別由PtRu/C 和Pd/C催化劑構成的較高性能AEM-DAFC 電池，方輝煌等[79]對氨氧化催化劑AEM-DAFC 電池反應機理、性能以及發展方向進行了總結。IAFC 電池研究可追溯到20 世紀80 年代，Ross[80]開發了最早的堿性IAFC 電池并對其系統性能進行了評估。質子交換膜燃料電池（PEMFC）因其高效率、經濟性、應用廣等特點，被認為是最具潛力的發電設備，也是IAFC 電池的理想選擇和研究熱點[81]。Lin 等[82]開發了間接氨氣PEMFC 系統物理化學模型，并對其進行了全面的技術經濟分析。香港理工大學的Eric Cheng和Molly Li[83]開發和制造了世界上第一輛氨動力燃料電池汽車，證明了間接氨燃料電池的可行性，并且比傳統電動汽車更高效、更安全。

由于系統、燃料和應用場景存在明顯差異，目前難以對不同類型燃料電池的直接成本和經濟性進行分析。因此，部分學者主要從燃料成本角度對新型氨燃料電池的經濟性進行了分析。Afif等[84]對直接氨燃料SOFC電池的技術體系與優勢展開詳細研究，并通過以天然氣為制氨原料的燃料電池成本估算后發現，雖然滿載燃料電池系統成本（700USD/kW）目前高于柴油發電機組（300～600USD/kW），但燃料電池總成本（設計、安裝、維護等）隨技術發展正處于快速下降階段，且燃料電池系統的平準化能源成本（0.09～0.11USD/kWh）顯著低于柴油發電機組（0.28USD/kWh）。Lin等[82]通過不同電力系統燃料成本分析得出，近兩年氨原料價格下的IA-PEMFC系統發電和車用燃料成本分別為0.13USD/kWh 和0.024USD/km，均明顯低于傳統汽柴油內燃機；未來以可再生能源進行原料制備情況下的IA-PEMFC系統發電和車用燃料成本分別為0.23USD/kWh 和0.043USD/km，比間接氫和甲醇PEMFC系統的燃料成本低約25%。

3.1.2 氨內燃機

早在1822 年，Goldsworthy Gumey 就制造了歷史上第一臺驅動小型機車的氨發動機，為后續氨內燃機的研究和改進奠定了理論基礎。由于石油供應限制，氨內燃機在二戰時期短暫興起，Casala首次實現了氨內燃機的工業規模應用，Norsk Hydro 和Gazamo則相繼開發了氨燃料皮卡車和公共汽車[85-86]。近年來，受國際油價和環保政策影響，以氨替代化石燃料的內燃機（ICE）研究再次引起廣泛關注，多家公司在汽車領域開展了氨燃料ICE 的改進與研發。

氨燃料ICE 系統按照點火類型分為火花點火（SI）和壓縮點火（CI）兩種。其中，SI 借助火花塞點燃空氣燃料混合物，通常為汽油發動機；CI通過汽缸內機械壓縮熱量點燃噴射燃料，通常為柴油發動機。由表3氨與其他碳氫燃料的燃燒特性對比可知，雖然液氨的能量密度低于汽油和柴油，但液氨的高辛烷值產生的高抗爆性使得SI 發動機有更高的壓縮比，且比液氫高得多。通用汽車于1965 年最早開始了氨燃料SI 發動機的研究測試，給定了其部分性能優于汽油發動機的壓縮比；氫氣具有燃燒速度快、擴散性好、點火能量低等特點，十分適合與氨混合燃燒，在氨中添加燃燒性能較好的氫氣能有效改善氨燃料的燃燒，提高燃燒速度及拓寬可燃性極限，而且氨氫混合燃燒同樣不會產生二氧化碳[87-88]，然而純氨和氨氫混合燃料SI發動機熱效率仍低于汽油發動機[86,89]。目前，添加含氧燃料被認為是提高氨SI 發動機性能的有效方法，Haputhanthri[90]提出了以甲醇和乙醇為乳化劑的氨-汽油混合燃料，并給定了各燃料的最優混合比。近期，韓國能源研究所通過添加控制系統和去除易腐蝕金屬配件，將LPG-汽油裝置改造為氨（70%）-汽油（30%）裝置，該系統若在韓國20%的車輛中安裝，將減少1000 萬噸/年的二氧化碳排放量[91]。CI發動機方面，氨的高汽化潛熱、低火焰速度以及窄可燃性極限（表3）導致純氨CI發動機需要高工作溫度和壓力以及極高壓縮比[92]，因此需要高十六烷值燃料與氨配合使用。柴油是雙燃料CI發動機的主要混合燃料，Gray等[93]于1966年首次實現了柴油-氨雙燃料CI發動機的運行。Reiter等[65]和Lasocki等[94]研究表明，柴油-氨混合雙燃料CI發動機比純柴油發動機熱效率高約10%且CO排放量低。Hogerwaard 等[95]研究發現，氫輔助柴油-氨CI發動機的能量和效率略高于純柴油CI 發動機。近期，美國開發一種柴油-氨混合驅動雙燃料CI發動機，用于實現氨燃料固定發電[96]。2022年10月，上海交大輪機工程團隊實現了柴油-氨雙燃料發動機首型試驗機點火，為我國第一艘氨燃料動力船研制提供了理論與試驗基礎。

表3 氨與其他燃料的燃燒特性對比[97]

氨燃料ICE 系統成本方面，研究表明ICE 系統中直接使用氨的成本為1.45～3.33USD/100km[68]，比汽油、液化石油氣、甲醇[98]的6.06USD/100km、5.10USD/100km和2.00～3.70USD/100km更具經濟性和競爭力。若將氫ICE 系統轉換為氨燃料，氨ICE的行駛成本為3.2USD/100km，比氫ICE 的8.4USD/100km更經濟，且氨燃料車輛行駛里程更高[67]。

3.1.3 氨燃氣輪機

氨燃氣輪機研究始于20 世紀60 年代，但由于技術不足和成本問題導致早期相關研究甚少。近年來，隨著零碳排放需求提高，氨燃氣輪機再次進入大眾視野，其燃燒效率、穩定性和NOx排放等問題再次成為研究熱點。Iki等[99]開發了一種50kWe級的微型燃氣輪機系統，以氨和煤油為燃料供應，實現了超過25kW的發電量。通過將原型燃燒器替換為標準燃燒器，Iki等[62]提高了氨燃燒效率（96%），得到了摻氨比影響下的NOx排放規律，實現了100%氨和氨/甲烷混合物的燃燒發電[100]，驗證了氨作為發電燃料的技術可行性。日本產業技術綜合研究所首次采用50kWe級微型燃氣輪機開發出了低NOx的氨-空氣燃燒發電技術[101]，將實際運行NOx排放量降至原系統的三分之一，展現了低NOx、單一氨燃料燃氣輪機的開發潛力。日本石川島重工首次實現了摻燒比高達70%的2MW 級燃氣輪機摻氨混燒，同時限制了NOx的排放。三菱重工和萬隆理工學院將共同研發40MW 級氨燃氣輪機[102]，實現100%氨燃燒并著重于運行期間的高效率和低NOx排放。歐洲多國研究機構正在推進一項氨燃氣輪機項目[103]，旨在采用氨氫雙燃料體系解決氨的高NOx排放和不充分燃燒問題。

3.2 氨分解制氫加氫

制氫技術方面，甲烷蒸汽重整是目前最為成熟且占據全球最大制氫量的傳統工業制氫技術，該技術需對CO 水汽轉換過程生產的溫室氣體進行處理，能夠達到70%～80%的能效和48%的轉化率，實際能量成本為2.0～2.5kWh/m3（標準）[104]。近年來，甲醇以高質量儲氫密度（質量分數12.5%）被認為是一種優質制氫化學品，傳統甲醇水重整制氫反應溫度高（＞200℃）且會產生高濃度的CO，造成氧化過程的碳排放。Lian等[105]提出的等離子體甲醇分解制氫實現了74%的能效、0.45kWh/m3（標準）的能量成本和88%的甲醇轉化率。考慮能源效率和環境友好性，氨具有儲氫密度高（質量分數17.6%）、分解產物無碳、易于儲運等優勢，因此成為了極具潛力的清潔能源制氫技術[106]。下文將對氨分解制氫技術發展現狀和經濟性進行詳細闡述。

諸多學者開展了不同催化劑以及純化工藝下的實驗和反應機制研究，用于提高氨分解制氫性能[107-114]。Dasireddy等[115]對Cu/Al2O3和Cu/Zn/Al2O3催化劑進行比較，分別得到了73%和93%的氨分解制氫轉化率。Hajduk 等[116]采用高銅催化劑使得氨轉化率高達92%。Sato等[117]通過鎂鋁原子比為6∶1的實驗優化，實現了氨分解反應過程98%的氨轉化率。Engelbrecht等[118]通過氨分解制氫自熱微通道反應器的實驗評估，得到了99.8%的氨轉化率。近期，隨著氨分解制氫技術產業化的快速發展，部分學者開展了相應的技術經濟性分析。Giddey等[119]對氨利用的往返效率進行敏感性分析，并預測電解水氨分解制氫的平準化成本會隨著光伏或風力發電的電力價格下降而降至5～6USD/kg H2。Lee 等[120]基于韓國生產能力為30m3/h 的氨分解加氫站進行過程模擬經濟性分析，得出氨分解制氫的生產成本為6.27USD/kg H2。Lin 等[121]開發了一種變壓吸附膜分離回收系統用于氨分解現場制氫加氫站，實現了大于95%的H2回收率，并通過成本分析發現，氨分解制氫成本（4.78USD/kg H2）比基于CCS的甲烷蒸氣重整制氫成本略高，比其他無碳能源制氫路線，如太陽能熱電解（5.1～10USD/kg H2）、風能電解（6.1USD/kg H2）、太陽能熱解（7.8～8.5USD/kg H2）和光電解（9.7USD/kg H2）成本低15%。

4 氨能全產業鏈經濟性

從氨合成、氨儲運、氨應用3個關鍵階段對氨能綠色能源路線以及氨能技術全產業鏈的經濟性進行對比分析。

通過對比傳統氨合成工藝來分析綠氨合成技術的成本經濟性。當煤炭價格為1000～1200CNY/t時，傳統氨合成經濟成本為3000～3500CNY/t，綠氨合成經濟所需電價應控制在0.15～0.22CNY/kWh 才能與傳統氨合成經濟相競爭[122]。未來隨著電改的不斷深入，在太陽能、風能等可再生能源發電技術的大力推廣以及政策給予補貼扶持的背景下，當可再生電力價格為0.1CNY/kWh 時，富裕且低廉的電力使綠氨合成經濟成本足以與傳統氨合成經濟成本相媲美[123]。

氨儲運的成本經濟性將從遠洋運輸和陸上運輸兩部分進行分析。在遠洋運輸方面，綜合研究得出運輸距離為10000km的液氨、液氫和液體有機氫化物（LOHC）船運全鏈條（含氨合成、氨儲運、氨應用）成本分別為16.93CNY/kg H2、26.09CNY/kg H2和17.10CNY/kg H2，因此液氨船運具有顯著經濟優勢[124]。在陸上運輸方面，液氨罐車的運載能力相較于氫氣長管拖車更強，載氫量更高，并且在運輸經濟上，運氨成本[0.1CNY/（kg·km）]也比運氫成本[2.0～10.0CNY/（kg·km）]更低廉[125]；在不考慮氨合成的情況下，氨管道的運輸效率為99.2%，比氫管道的運輸效率（86.9%）更高，且氨管道的運輸成本相當于氫管道的1/3甚至在數量級上呈現顯著的降低，如果考慮將成熟的油氣管道系統改造為液氨輸送，其經濟效益會更顯著。

氨應用分為直接應用技術和分解應用技術。其中氨直接應用技術通常以氨為燃料展開，包括各類型內燃機和燃氣輪機，并可直接用于燃料電池。以氨內燃機為例，直接使用氨內燃機系統的成本（1.45～3.33USD/100km）比其他燃料如汽油、液化石油氣、甲醇和氫更經濟，并且在車輛行駛里程上，氨燃料內燃機較其他內燃機更有優勢。以氨燃料電池為例，福州大學江莉龍團隊研發的間接氨質子交換膜燃料電池系統比間接氫和甲醇質子交換膜燃料電池系統的燃料成本低約25%，使電燃料經濟成本低至0.88CNY/kWh，汽車燃料經濟成本低至0.16CNY/km，更加經濟高效[121]。氨分解應用技術主要指氨分解制氫技術。傳統氨分解制氫耗能較大且性能較低，新型低溫氨分解制氫技術成本比基于CCS的甲烷蒸氣重整制氫成本略高，比其他無碳能源制氫路線，如太陽能熱電解、風能電解和光電解制氫成本低15%。

5 結語

本文從氨的合成、儲運和新能源應用角度出發，探討了“雙碳”背景下實現“氨經濟”的全產業鏈技術現狀和發展趨勢，對各項技術的碳排放和成本經濟性進行了對比分析，并得到以下結論。

氨合成方面，第二代電化學合成氨技術通過可再生能源能夠滿足零碳“氨經濟”的需求，所涉及的“綠氨”合成工藝能夠實現碳排放量大幅降低，并對第一代傳統制氨工藝成本產生沖擊，是一種極具商業前景的合成氨技術。第三代氮還原合成氨技術在可行性方面還未能達到生產層面需求，但在本質上比以往技術更加經濟、效率，隨著該類技術的日趨成熟，將有望成為最符合“氨經濟”路線的關鍵技術。

氨能儲運方面，氨的遠洋運輸成本處于可控范圍且發展潛力高。氨相比于氫的陸上運輸更具優勢，氨管道的運輸成本明顯低于氫管道且運輸效率高，氨的公路和鐵路運載能力（能量）明顯高于氫氣或液氫。液氨管道在長距離運輸方面成本效益更高，且事故可能性和風險等級更低；公路罐車在短距離運輸方面更具優勢，但事故可能性和風險等級高。氨比氫的常溫和低溫存儲效率更高、成本更低。

氨能應用方面，氨作為能源燃料具有顯著的成本和環境效應。其中，氨燃料電池是一種理想的無碳燃料電池技術，未來以可再生能源為原料的氨燃料電池汽車將比傳統汽柴油車、電動汽車以及其他新能源汽車更加高效安全，且成本更低；氨內燃機和燃氣輪機的逐步發展奠定了氨在動力驅動和燃燒發電方面的技術可行性，為打造零碳經濟性需求的氨動力汽車和船舶做出了重大貢獻；隨著電力成本下降，氨現場制氫站的氫氣成本比其他無碳能源制氫成本更低。

綜上所述，為適應日益壯大的全球化氨能源產業發展和市場需求，我國應制定完善且健全的氨能經濟技術路線，合理布局氨的合成、儲運和應用全產業鏈技術，發揮氨能在國家能源戰略體系中的作用。