6月27日，科研人員維護(hù)純氨燃料內(nèi)燃機(jī)。

在合肥巢湖岸邊，“氨暉號(hào)”身披首航成功橫幅靜靜停泊著。

這艘船是全球首艘純氨燃料內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力示范船舶，搭載一臺(tái)200kW的高速氣體內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組、2臺(tái)100kW推進(jìn)電機(jī)及雙槳推進(jìn)系統(tǒng)，滿載50噸，額定航速為10節(jié)。

它的首航成功，原理性驗(yàn)證了純氨是可以燃燒的，邁出了純氨作為燃料使用的第一步。2019年成立的合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院，有著為國家能源安全以及解決人類能源終極問題提供科學(xué)和技術(shù)支持的使命，“氨暉號(hào)”的誕生可以說是研究院將國家重大戰(zhàn)略需求與科技創(chuàng)新緊密相連的生動(dòng)例證。

一艘碳排放近零的船

沒有黑煙、二氧化碳近零排放，這是“氨暉號(hào)”鮮明的特征。

為什么選擇純氨作為船舶燃料？“氨主要由氫氣和氮?dú)夂铣芍迫。且环N富氫的無碳燃料，也是化肥工業(yè)的重要原料。”合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院（安徽省能源實(shí)驗(yàn)室）氫能源和氨應(yīng)用研究中心副主任吳殿武說，氨具有能量密度高、易于液化、成本較低、儲(chǔ)運(yùn)安全、工業(yè)基礎(chǔ)良好等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用潛力巨大。

吳殿武進(jìn)一步解釋，氨的體積能量密度是氫的3倍，意味著相同體積的燃料罐，氨能提供更遠(yuǎn)航程。同時(shí)，氫需要零下253攝氏度的極端低溫儲(chǔ)存，氨在低壓或零下33攝氏度環(huán)境即可液化保存。

因此，氨成為大規(guī)模船舶應(yīng)用的理想選擇，既解決了氫燃料的儲(chǔ)運(yùn)難、使用貴等難題，又解決了鋰電池續(xù)航不足的短板。

氨的優(yōu)勢(shì)這么多，為什么不早早用它作為新能源？氨的應(yīng)用存在著點(diǎn)火難、火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷⑷紵环€(wěn)定等難題。2024年，中國科協(xié)發(fā)布的“十大前沿科學(xué)問題”中將“實(shí)現(xiàn)氨氫融合燃料零碳大功率內(nèi)燃機(jī)高效燃燒與近零排放控制”列入其中，可以看出，把氨作為內(nèi)燃機(jī)燃料實(shí)現(xiàn)的難度極大。

6月28日，全球首艘純氨燃料內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力示范船舶“氨暉號(hào)”在合肥市巢湖水域首航。

“國際上，通常用‘雙燃料模式’點(diǎn)燃氨氣，即將一種易點(diǎn)燃的燃料與氨通過一定比例混合，把氨點(diǎn)燃。”吳殿武告訴記者，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性采用等離子體點(diǎn)火方式點(diǎn)燃氨氣，等離子體點(diǎn)火能產(chǎn)生高能電子、自由基等活性粒子，具有點(diǎn)火效率高、低點(diǎn)火能量需求、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，能完美地解決氨的燃燒難問題。

讓氨從自己的“身體”里源源不斷裂解并控制氫濃度，這是項(xiàng)技術(shù)活兒。

吳殿武介紹，借助等離子體的高能量，可以實(shí)現(xiàn)氨的冷態(tài)快速點(diǎn)火。團(tuán)隊(duì)將氨進(jìn)行了改性處理，使一部分的氨氣裂解成氮?dú)夂蜌錃狻榱烁玫卣{(diào)控氫、氨比例，團(tuán)隊(duì)還專門成立了一個(gè)小組，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，終于找到最佳的解決方案。

邁出純氨作為燃料使用第一步

“這種點(diǎn)火方式得益于團(tuán)隊(duì)多年的技術(shù)積累，也是大科學(xué)裝置衍生出來的技術(shù)轉(zhuǎn)化。”吳殿武介紹，能源研究院是安徽省政府和中國科學(xué)院共同發(fā)起，由中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、安徽理工大學(xué)4家單位合作共建的新型研發(fā)機(jī)構(gòu)。

“2019年研究院成立之初，在李建剛院士的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)開始布局純氨燃料方面的應(yīng)用，在國內(nèi)首次提出作為氫能補(bǔ)充的氨能工程化實(shí)施戰(zhàn)略研究。”吳殿武說，最初，我們是在5千瓦的發(fā)動(dòng)機(jī)上做摻燃實(shí)驗(yàn)，沒有做純氨，幾經(jīng)探索，才最終實(shí)現(xiàn)純氨的穩(wěn)定燃燒，畢竟，純氨才是真正的零碳排放。

2023年，能源研究院團(tuán)隊(duì)通過科技成果孵化，與原中國船舶集團(tuán)的專家團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合成立了深圳海旭新能源有限公司，將目標(biāo)瞄準(zhǔn)了純氨燃料在船用內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用。

“能源研究院主要是提供原始技術(shù)，深圳海旭公司更多是開展工程化工作，‘氨暉號(hào)’相關(guān)核心裝置的研發(fā)以及生產(chǎn)是雙方團(tuán)隊(duì)共同完成。”吳殿武回憶，去年夏天，團(tuán)隊(duì)成員輪流到船舶的加工實(shí)驗(yàn)地湖北，配合落地工作，現(xiàn)場(chǎng)工程人員從早上七點(diǎn)到晚上十一二點(diǎn)，一直在廠房?jī)?nèi)進(jìn)行加工和聯(lián)調(diào)試驗(yàn)工作，船艙密閉空間很悶熱，汗水不住地順著頭和面頰往下流淌。

經(jīng)過兩年多的研究，團(tuán)隊(duì)攻克了純氨燃料等離子點(diǎn)火技術(shù)、純氨燃料持續(xù)燃燒技術(shù)、氨氣高效催化裂解產(chǎn)氫技術(shù)、氫氨混合氣體燃料在氣體內(nèi)燃機(jī)高效燃燒及控制技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，自主研制了多個(gè)系統(tǒng)裝備。

“氨暉號(hào)”在近一小時(shí)的首航里實(shí)現(xiàn)了純氨燃料的穩(wěn)定充分燃燒、二氧化碳的近零排放和氮氧化物的有效控制等預(yù)期目標(biāo)，原理性驗(yàn)證了純氨是可以燃燒的，邁出了純氨作為燃料使用的第一步。

預(yù)計(jì)純氨燃料5年到10年可大規(guī)模推廣

“選擇將純氨燃料應(yīng)用在船舶內(nèi)燃機(jī)上，既是大勢(shì)所趨，也跟能源研究院一直以來的堅(jiān)持有關(guān)。能源研究院常務(wù)副院長(zhǎng)胡浩民多次提出，要始終堅(jiān)持‘需求牽引、應(yīng)用導(dǎo)向、價(jià)值創(chuàng)造’的科研理念，做有需求的科研、有應(yīng)用的科研、有價(jià)值的科研。”吳殿武表示，從產(chǎn)業(yè)前景看，低碳轉(zhuǎn)型是全球共識(shí)，綠色航運(yùn)是大勢(shì)所趨。

根據(jù)國際海事組織（IMO）的數(shù)據(jù)，全球航運(yùn)業(yè)每年大約排放10億噸溫室氣體。這個(gè)數(shù)字相當(dāng)于每年全球汽車排放量總和的530倍，而一艘超大型集裝箱船（VLCC）燒重油一天的排放量，相當(dāng)于3萬輛家用轎車。

航運(yùn)業(yè)僅靠節(jié)能技術(shù)和降低航速難以達(dá)成“雙碳”目標(biāo)，需要以綠色甲醇、綠氨等綠色航運(yùn)燃料替代傳統(tǒng)化石燃料。國際能源署報(bào)告預(yù)計(jì)，到2050年氨將占航運(yùn)能源需求的45%。

將科學(xué)研究緊密對(duì)接國家重大戰(zhàn)略需求和社會(huì)發(fā)展迫切需求，可以讓科技創(chuàng)新的引擎作用得到最大程度釋放。能源研究院成立之初就有著為國家能源安全以及解決人類能源終極問題提供科學(xué)和技術(shù)支持的使命，“氨暉號(hào)”的誕生就是一個(gè)生動(dòng)的例證。

5年來，能源研究院通過自主研發(fā)和協(xié)同攻關(guān)，產(chǎn)生了一批國內(nèi)領(lǐng)先、填補(bǔ)空白的標(biāo)志性科技成果，通過與相關(guān)企業(yè)共建協(xié)同創(chuàng)新中心、聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室等方式，協(xié)助企業(yè)解決“卡脖子”技術(shù)難題，深化產(chǎn)學(xué)研深度合作。

在吳殿武看來，“氨暉號(hào)”下水試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)預(yù)期目標(biāo)，充分驗(yàn)證了氨氫融合燃料未來可推廣應(yīng)用到海洋運(yùn)輸、陸上交通、工業(yè)和生活鍋爐以及固體燃料電池等領(lǐng)域。

中國造船工程學(xué)會(huì)秘書長(zhǎng)王俊利表示，純氨動(dòng)力示范船的成功運(yùn)行，對(duì)加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的水上交通能源體系具有重大里程碑意義，未來純氨內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組如果能達(dá)到兆瓦級(jí)，應(yīng)用范圍會(huì)更加廣泛，在“雙碳”目標(biāo)背景下意義重大。

“當(dāng)前，‘氨暉號(hào)’相關(guān)參數(shù)還有繼續(xù)優(yōu)化的空間。我們要繼續(xù)開展試驗(yàn)，找出最為經(jīng)濟(jì)可靠的方案。”吳殿武表示，目前，氨的成本仍然很高，經(jīng)濟(jì)性較差，等到純氨燃料的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性都具備了，氨燃料就會(huì)進(jìn)一步推廣，純氨燃料的大規(guī)模推廣約在2030年到2035年實(shí)現(xiàn)。