氫能具有綠色、高效、無碳排放和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢，發(fā)展氫能于2019年被首次寫入《政府工作報告》。2022年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》，明確了氫的能源屬性，是未來國家能源體系的組成部分，充分發(fā)揮氫能清潔低碳特點，推動交通、工業(yè)等用能終端和高耗能、高排放行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。同時，明確氫能是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點方向，是構(gòu)建綠色低碳產(chǎn)業(yè)體系、打造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的新增長點。
然而，若要實現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用，面臨的挑戰(zhàn)主要是低成本高效能的燃料電池技術(shù)和安全高效的氫氣儲運技術(shù)。其中氫氣儲運難和安全性差是制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要“瓶頸”。
首先，因氫氣體積能量密度低，需35——70 MPa的高壓儲運，導致氫氣的儲運成本高；其次，根據(jù)我國2019年發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》預計，2050年將建成1萬座加氫站，按每座加氫站1500萬——3000萬元的建設(shè)成本估算，需投入高達1500億——3000億元，基建成本高；再次，2019年在挪威、韓國等國家20天內(nèi)連續(xù)發(fā)生的三起因氫氣儲罐泄露引起的爆炸事故，暴露了氫氣易燃易爆、本質(zhì)安全性弱的缺點。
因此，要突破氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，亟需結(jié)合中國能源及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特點，發(fā)展成熟、安全、高效的特色儲運氫的路線及其配套產(chǎn)業(yè)鏈。
一、氨為突破氫能產(chǎn)業(yè)瓶頸提供了可行的解決途徑
氨（NH3）是關(guān)系國計民生的基礎(chǔ)化工原料，廣泛用于化肥、環(huán)保、軍事、制冷等領(lǐng)域。同時，氨作為高效儲氫介質(zhì)，具有以下顯著優(yōu)勢：
高能量密度。氨的體積能量密度約為13.6 MJ·L-1，1L液氨=4.5L高壓氫（35.0MPa）=1200L常溫常壓氫。
液化儲運成本低。氨只需加壓至1.0MPa即可以液態(tài)形式儲運，一輛液氨槽罐車載氨量可達30t（約含5.29t氫），載氫量較長管拖車（載氫量不到400kg）提高1個數(shù)量級，因此運氨成本（約0.001元·kg-1·km-1）也較運氫成本（0.02——0.10元·kg-1·km-1）呈數(shù)量級降低。
無碳儲能。氨成熟的技術(shù)體系、標準規(guī)范及低成本合成、存儲和運輸，可實現(xiàn)季節(jié)性、遠距離、“無碳化”的“氨-氫”儲能。有研究表明，在目前主要研究的幾類電制液體燃料技術(shù)（液氫、液氨、液化天然氣、甲醇、有機液態(tài)儲氫）中，電制氨的成本最低，效率僅次于其他電制液體燃料技術(shù)。
安全性高。氨的火災(zāi)危險性僅為乙類，爆炸極限（16%——25%）較氫（4%——76%）更窄，因此更安全。其刺激性氣味是可靠的警報信號。
因此，發(fā)展以氨為儲氫介質(zhì)，有望解決傳統(tǒng)高壓儲運氫的難題。
眾所周知，合成氨已有一百多年發(fā)展歷史，針對氨的生產(chǎn)、儲運及使用已形成了完備的產(chǎn)業(yè)鏈、行業(yè)標準及安全規(guī)范。如若按照5000萬噸的年產(chǎn)量（其中80%來自煤制合成氨，20%來自天然氣合成氨）來計算，2030年合成氨工業(yè)將排放2.7億噸CO2。
我國是可再生能源裝機容量最大的國家，但因光伏、風電和水電等可再生能源存在間歇性、波動性和季節(jié)性等缺點，導致存在大量“棄風、棄光和棄水”（簡稱“三棄”）現(xiàn)象。據(jù)國家能源局統(tǒng)計，我國2018年全年“三棄”電量高達1.023 × 1011kW·h，尤其主要集中在西北、華北、西南等地區(qū)。探索和發(fā)展可再生能源光解/電解水制氫耦合合成氨技術(shù)，可實現(xiàn)可再生能源電力的“消納和調(diào)峰”，實現(xiàn)低成本、跨地域長距離存儲運輸，并與豐富的氨下游產(chǎn)業(yè)相結(jié)合。
初步估算表明，利用氨作為儲氫介質(zhì)具有顯著經(jīng)濟性。例如，
如果采用氨分解制氫現(xiàn)場為加氫站供氫，可將加氫站的加氫成本降至35元·kg-1以下；
若開發(fā)耦合“氨制氫-燃料電池”的間接氨燃料電池技術(shù)，實現(xiàn)用戶終端“氨變電”（NH3-to-power），發(fā)電成本約為1元·（kW·h）-1或乘用車燃料成本約為25元·（100 km）-1，并使現(xiàn)有氫燃料電池系統(tǒng)的續(xù)航能力提升近1倍；
若采用氨作為車用燃料加注，加油站僅需稍加改造即可用于加氨，預計加氨站的改建成本較加氫站的建設(shè)成本可降低1個數(shù)量級。依照2050年中國建成1萬座加氫站的目標，可節(jié)約近千億元的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資。
因此，發(fā)展氨為儲氫介質(zhì)，可貫通可再生能源、氫能和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，開發(fā)出一條符合我國能源結(jié)構(gòu)特點的“清潔高效氨合成→安全低成本儲運氨→無碳高效‘氨-氫’利用”的全鏈條“氨-氫”綠色循環(huán)經(jīng)濟路線（圖1），對保障國家能源環(huán)保安全和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
圖1 “氨-氫”綠色能源循環(huán)經(jīng)濟路線。
二、發(fā)展“氨-氫”能源綠色循環(huán)經(jīng)濟路線的技術(shù)挑戰(zhàn)
據(jù)上述分析，氨作為理想的儲氫介質(zhì)有望解決氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的儲運成本高、能量密度低和本質(zhì)安全性弱等挑戰(zhàn)性難題。國際上已陸續(xù)啟動氨能源示范項目，如美國能源部的REFUEL （Renewable Energy to Fuels Through Utilization of Energy-Dense Liquids）計劃、歐洲西門子公司及日本JGC公司針對“可再生能源—氨—電”的示范項目等。
發(fā)展以氨作為清潔高效的新能源，既實現(xiàn)了傳統(tǒng)合成氨工業(yè)的節(jié)能減排，又貫通了可再生能源和新能源產(chǎn)業(yè)，具有巨大的應(yīng)用前景。在德國H2Ber氫能示范項目的啟發(fā)下，圖2描繪了“氨-氫”能源綠色循環(huán)經(jīng)濟路線未來的應(yīng)用場景。
圖2 “氨-氫”能源綠色循環(huán)經(jīng)濟路線。CHP：熱電聯(lián)產(chǎn)；EV：電動汽車
“綠氨”的生產(chǎn)和應(yīng)用成本主要受可再生能源電價的影響。預計到2035年，“綠氨”的生產(chǎn)和應(yīng)用成本為1700元·t-1，氨燃料電池的發(fā)電成本為1.0元·（kW·h）-1；到2060年，“綠氨”的生產(chǎn)和應(yīng)用成本可進一步降至800元·t-1，“氨變電”成本降至0.5元·（kW·h）-1以下。為實現(xiàn)“氨-氫”能源循環(huán)經(jīng)濟路線，仍需解決如下技術(shù)挑戰(zhàn)：
技術(shù)挑戰(zhàn)一——高性能低溫低壓合成氨和安全低溫氨分解催化劑及反應(yīng)器技術(shù)，以及面向直接氨燃料電池的新型高性能、高穩(wěn)定性氨氧化（AOR）電催化劑及膜電極技術(shù)；
技術(shù)挑戰(zhàn)二——間歇性可再生能源制氫-低溫低壓合成氨系統(tǒng)的動態(tài)集成匹配、設(shè)計優(yōu)化及管控技術(shù)；
技術(shù)挑戰(zhàn)三——安全低溫氨現(xiàn)場制氫系統(tǒng)和氨燃料電池系統(tǒng)的高效集成、緊湊化設(shè)計及智能協(xié)同控制技術(shù)。
三、競逐“綠氨”賽道
2022年，在雙碳大背景下，伴隨綠氫“風起”，綠氫合成綠氨也被化工企業(yè)看重，成為其減碳降碳的重要方式之一。其中，據(jù)全球氫能觀察，中國天楹、吉電股份、遠景科技集團、明拓集團、國家能源集團、國家電投、盈德氣體、中國氫能、京能集團等企業(yè)競相布局綠氫綠氨項目。
遠景零碳工廠概念圖，圖源遠景集團
1、中國天楹
9月，中國天楹股份有限公司（簡稱“中國天楹”）與通遼市人民政府、中國投資協(xié)會簽署戰(zhàn)略合作框架協(xié)議。三方將共同打造通遼千萬千瓦級風光儲氫氨一體化零碳產(chǎn)業(yè)園項目，總投資達600億元，建成后將年產(chǎn)5萬噸綠氫、30萬噸綠氨等。
同時，三方還將共同打造零碳產(chǎn)業(yè)裝備制造中心，重點打造綠氫、綠氨等領(lǐng)域北方零碳裝備制造業(yè)中心，總投資100億元；此外，協(xié)議中還表示將共同發(fā)起成立通遼零碳產(chǎn)業(yè)母基金和子基金群，發(fā)起成立綠氫研究院、綠氨研究院等。
2、吉電股份
9月，吉林電力股份有限公司（簡稱：吉電股份）發(fā)布公告稱，大安風光制綠氫合成氨一體化示范項目已獲得核準（備案）。依據(jù)公告內(nèi)容，大安風光制綠氫合成氨一體化示范項目總投資為63.32億元，規(guī)劃建設(shè)700兆瓦風電項目、100兆瓦光伏項目、配套建設(shè)40兆瓦/80兆瓦時儲能裝置，同時還將新建制氫、儲氫及18萬噸合成氨裝置。
而在今年1月，吉電股份與伊藤忠（中國）集團有限公司就加強氫能產(chǎn)業(yè)鏈方面合作展開深入交流，明確希望雙方加強氫能全產(chǎn)業(yè)鏈、碳中和等方面的深度合作交流，推動項目早日落地，促進綠氫、綠氨、綠醇生產(chǎn)耦合聯(lián)動。
3、京能集團
京能集團由原北京國際電力開發(fā)投資公司和原北京市綜合投資公司合并而成，經(jīng)過多年的資源整合，由單一能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展為熱力、電力、煤炭、健康文旅等多業(yè)態(tài)產(chǎn)業(yè)格局。
今年8月，京能集團與內(nèi)蒙古錫林郭勒盟多倫縣人民政府簽署了風光儲氫制綠氨項目合作開發(fā)框架協(xié)議。依據(jù)協(xié)議，雙方將合力推進風光儲氫制綠氨項目實施進程，利用錫林郭勒盟南部區(qū)域可再生能源資源生產(chǎn)綠電并電解制綠氫，綠氫轉(zhuǎn)化為綠氨后供應(yīng)國內(nèi)外市場。項目建成后，預計電解制氫規(guī)模日產(chǎn)300噸，年產(chǎn)綠氨規(guī)模達60萬噸。
4、中國能建&眾宇動力
8月22日，近日，武漢眾宇動力與中國能源建設(shè)集團聯(lián)合投資打造的蘭州新區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)園項目正式開工。
該項目規(guī)劃建設(shè)“一基地三中心”功能的綜合型氫能園區(qū)，包括綠氫供應(yīng)基地、氫能示范應(yīng)用中心、氫能裝備制造中心和氫能研究中心。項目規(guī)劃面積2.83平方公里，總投資150億元，項目一期總投資30億元，主要建設(shè)年產(chǎn)2萬噸制氫能力和10萬標方儲氫能力的綠氫供應(yīng)基地，以年產(chǎn)6萬噸綠氨和氫能交通應(yīng)用為核心的示范應(yīng)用中心，以年產(chǎn)3000套氫燃料電池系統(tǒng)為核心的氫能裝備制造中心，同時建設(shè)氫能研發(fā)創(chuàng)新中心、檢測中心和人才培訓中心。
5、盈德氣體&中國氫能
盈德氣體是一家致力于中國工業(yè)發(fā)展的大型專業(yè)氣體公司，專注于現(xiàn)場供氣、清潔能源、零售、工程與制造、氫能、稀特氣體業(yè)務(wù)，以現(xiàn)場管道供氣、液體零售、瓶裝氣等方式，供應(yīng)氧、氮、氬、氫等高品質(zhì)工業(yè)氣體產(chǎn)品，并提供基于氫氣及一氧化碳的合成氣清潔能源解決方案。
中國氫能有限公司是未來能源控股有限公司的全資控股子公司，致力于氫能研究與應(yīng)用，擁有氫能全產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)資源與技術(shù)。
今年7月，盈德氣體集團與中國氫能有限公司簽署合作協(xié)議，就在鄂爾多斯市達拉特旗投資建設(shè)綠氫、綠氨項目達成合作。此次簽約項目以綠氫、綠電制取綠氮為主要原料，經(jīng)過低溫低壓制合成氨工藝，生產(chǎn)純度為99.9%的綠色合成氨，年產(chǎn)能包括0.93萬噸綠氫和5萬噸綠氨。
6、國家電投
6月22日，國家電投智慧能源（國核電力院）牽頭總承包的達茂旗風光制氫與綠色靈活化工一體化項目開工。項目位于內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市達爾罕茂明安聯(lián)合旗，主要包括200兆瓦風電、200兆瓦光伏，預計年發(fā)電量12.5億千瓦時；采用風光電解制氫，年制氫1.78萬噸；再以氫氣和氮氣為原料合成液氨產(chǎn)品，年產(chǎn)10萬噸。
7、國家能源集團
國家能源集團是由中國國電集團公司和神華集團有限責任公司聯(lián)合重組而成的中央骨干能源企業(yè)，擁有煤炭、電力、運輸、化工等全產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)務(wù)，產(chǎn)業(yè)分布在全國31個省區(qū)市以及美國、加拿大等10多個國家和地區(qū)，是全球規(guī)模最大的煤炭生產(chǎn)公司、火力發(fā)電公司、風力發(fā)電公司和煤制油煤化工公司。
今年5月，國家能源集團旗下國華巴彥淖爾（烏拉特中旗）風電有限公司烏拉特中旗甘其毛都口岸加工園區(qū)風光氫氨一體化新型儲能示范項目獲備案。據(jù)了解，該項目總投資額達235400萬元，配套規(guī)劃新能源裝機容量110萬kW，其中風電80萬kW，光伏30萬kW。該項目擬利用風光發(fā)電分解水制取高品質(zhì)氫氣，再用于生產(chǎn)合成氨，預計年產(chǎn)綠氨約30萬噸，以供蒙西地區(qū)工業(yè)園區(qū)化工生產(chǎn)使用。
8、明拓集團&華陸公司
4月7日，國際氫能冶金化工產(chǎn)業(yè)示范區(qū)新能源制氫聯(lián)產(chǎn)無碳燃料項目簽約儀式在內(nèi)蒙古包頭九原工業(yè)園區(qū)舉行。明拓集團有限公司、華陸公司以及水木明拓（包頭）公司進行此次合作。項目內(nèi)容圍繞以綠氫、空氣捕捉的氮為原料，建設(shè)中國首臺套氫電催化合成技術(shù)的120萬噸綠氨化工項目，推動形成綠色低碳化工產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)冶金化工產(chǎn)業(yè)的全面碳中和。
9、遠景集團
遠景科技集團是一家全球領(lǐng)先的綠色科技企業(yè)，由旗下智能風電和儲能技術(shù)公司遠景能源、動力電池企業(yè)遠景動力、智能物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)遠景智能三大主要業(yè)務(wù)板塊組成，共同構(gòu)建能源轉(zhuǎn)型整體解決方案，成為全球企業(yè)、政府與機構(gòu)的“零碳技術(shù)伙伴”。
今年3月28日，赤峰市人民政府與遠景科技集團舉行戰(zhàn)略合作協(xié)議簽約儀式，依據(jù)協(xié)議，遠景科技集團將在赤峰市建設(shè)風光制綠氫綠氨一體化示范項目，總投資約為400億元，預計2028年前建成投產(chǎn)。其中，該項目規(guī)劃年產(chǎn)152萬噸零碳工業(yè)氣體產(chǎn)品，一期項目將于兩年內(nèi)投產(chǎn)，成為全球首個零碳氫氨項目。
同時，該項目建成后，將為赤峰經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)區(qū)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)提供零碳氨、氫、氧、氮等工業(yè)氣體產(chǎn)品，削減園區(qū)碳排放量，依托零碳工業(yè)氣體產(chǎn)品優(yōu)勢及先進貯能型空分工藝，將元寶山化工園區(qū)打造成零碳化工園區(qū)。
