一、前言

在碳中和目標(biāo)成為國(guó)際熱點(diǎn)的背景下，氫氣以其清潔能源屬性被視為未來(lái)燃料，許多國(guó)家積極開(kāi)展技術(shù)研究并規(guī)劃產(chǎn)業(yè)布局。氫氣來(lái)源廣泛，作為零碳燃料具有燃燒極限范圍寬、點(diǎn)火能量低、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓葍?yōu)點(diǎn)，就能量傳遞本質(zhì)而言，綠氫才是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的有效途徑。然而，當(dāng)前綠氫制取受限于電解水技術(shù)的經(jīng)濟(jì)瓶頸和儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)陌踩[患，配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)緩慢，阻礙了氫能規(guī)模應(yīng)用的商業(yè)化進(jìn)程。

致力于打造“氫社會(huì)”的日本在國(guó)際上首次提出了氨能概念，即在氫能大規(guī)模使用之前，將合成氨視為承擔(dān)綠電轉(zhuǎn)化為零碳燃料的有效手段。從儲(chǔ)能角度看，氨可經(jīng)催化分解制取氫氣，解決氫能難以低成本、遠(yuǎn)距離輸送及單一氫能“長(zhǎng)尾”問(wèn)題，還可解決大規(guī)模綠氫如何使用的問(wèn)題，延續(xù)氫能終端消費(fèi)的產(chǎn)業(yè)鏈，進(jìn)一步壯大氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模。從能源角度看，氨的完全燃燒產(chǎn)物只有氮?dú)夂退瓤商娲糠置禾繛殡娏ο到y(tǒng)提供清潔燃料，也可替代部分化石能源為發(fā)動(dòng)機(jī)提供清潔燃料。在此背景下，許多國(guó)家正在積極開(kāi)展氨能技術(shù)研發(fā)與規(guī)劃布局。

氨能作為另一種具有戰(zhàn)略?xún)r(jià)值的清潔能源，為實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)快速調(diào)整、加快碳中和進(jìn)程提供了新選擇。在我國(guó)，氨的生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、供給等環(huán)節(jié)已成體系，擁有良好的合成氨及氨利用基礎(chǔ)條件，理應(yīng)在未來(lái)全球氨能產(chǎn)業(yè)中占據(jù)重要地位。本文系統(tǒng)分析氨能應(yīng)用價(jià)值、應(yīng)用現(xiàn)狀、產(chǎn)業(yè)格局及產(chǎn)業(yè)規(guī)劃等研究進(jìn)展，據(jù)此提出我國(guó)氨能產(chǎn)業(yè)發(fā)展舉措，以期為氨能技術(shù)攻關(guān)、氨能產(chǎn)業(yè)培育壯大等研究提供先導(dǎo)性、基礎(chǔ)性參考。

二、氨能應(yīng)用價(jià)值

（一）氨是一種氫載體

氨是富氫化合物，重量載氫能力高達(dá)17.6%，體積載氫效率是氫氣的150%。相比于氫氣在常壓下的極低液化溫度（-283 ℃），氨在-33 ℃就能夠被液化（或者在常溫下，9個(gè)大氣壓）。在成本上，同質(zhì)量的液氨儲(chǔ)罐是液氫儲(chǔ)罐的0.2%~1%，且液氨的單位體積重量密度是液氫的8.5倍。

據(jù)國(guó)際能源署（IEA）預(yù)計(jì)，2040年全球綠氫和藍(lán)氫的需求總量將達(dá)到7.5×107t。基于此情形，解決氫能供需矛盾的問(wèn)題，首先要突破氫氣低成本、遠(yuǎn)距離儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)钠款i。目前常用的氫儲(chǔ)運(yùn)方式有高壓氣態(tài)氫運(yùn)輸、液態(tài)氫運(yùn)輸、深冷態(tài)氫高壓運(yùn)輸三種，但每一種方法都很難操作，造成輸運(yùn)成本高昂并且效率低下。相比而言，氨更容易液化儲(chǔ)運(yùn)。據(jù)核算，100 km內(nèi)液氨的儲(chǔ)運(yùn)成本為150元/t，500 km內(nèi)液氨的儲(chǔ)運(yùn)成本為350元/t，僅為液氫儲(chǔ)運(yùn)成本的1.7%。同時(shí)，使用氨現(xiàn)場(chǎng)制氫加氫一體站可以將氫氣成本降低至35元/kg以下，按照到2050年中國(guó)建設(shè)10 000個(gè)氫氣加氣站的目標(biāo)，可節(jié)省1000億元人民幣。除此之外，相比于氫氣，氨的爆炸極限范圍（16%~25%）更窄，沸點(diǎn)更高，發(fā)生火災(zāi)和爆炸的可能性更低。同時(shí)，氨具有刺激性氣味，人體嗅覺(jué)即可檢測(cè)到僅為危險(xiǎn)水平5%以下的濃度，泄漏容易被發(fā)現(xiàn)，更加安全可靠。因此，氨作為一種優(yōu)良的儲(chǔ)氫載體，氫氨融合可成為最具潛力的新型儲(chǔ)運(yùn)方式，拓寬氫能產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。

（二）氨是一種清潔燃料

氨作為一種無(wú)碳化合物，可由空氣中的氮和水中的氫合成，完全燃燒時(shí)的產(chǎn)物純凈無(wú)碳，因此，作為一種具有戰(zhàn)略?xún)r(jià)值的可再生能源，氨能夠直接燃燒實(shí)現(xiàn)清潔供能。氨燃燒時(shí)的空燃比較低，在同等進(jìn)氣量（空氣）條件下能提供更多的能量，是一種高功率的清潔燃料。同時(shí)，氨燃燒的熱損失比遠(yuǎn)低于氫氣、汽油和柴油等燃料，尾氣帶走的熱損失小。雖然氨燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱值低，但是其辛烷值高，抗爆性好，可以通過(guò)提供更高壓縮比來(lái)提高動(dòng)力系統(tǒng)的輸出功率。在直接燃氨加注情況下，運(yùn)營(yíng)商可以將現(xiàn)有加油站升級(jí)改造成加氨站，改造成本比新建加氫站的投資成本低一個(gè)數(shù)量級(jí)，相當(dāng)于新建加油站的投資成本。

（三）氨具有成熟的產(chǎn)業(yè)體系

在20世紀(jì)初，合成氨技術(shù)就已被成功開(kāi)發(fā)出來(lái)并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。作為世界第二大化學(xué)品，合成氨具有完整的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)和成熟的國(guó)際生產(chǎn)貿(mào)易體系，其所用的原料來(lái)源廣泛，長(zhǎng)期應(yīng)用過(guò)程中可避免供求失衡引起的價(jià)格大幅度波動(dòng)。在碳中和背景推動(dòng)下，合成氨的所用氫源勢(shì)必會(huì)由工業(yè)氫源發(fā)展成以水供氫的方式，所需的能量也勢(shì)必會(huì)發(fā)展成以風(fēng)、光等可再生能源供能的方式，最終實(shí)現(xiàn)綠氨制取的低碳路線。目前，絕大多數(shù)國(guó)家的液氨單位能量?jī)r(jià)格已相當(dāng)于或低于汽油。特別地，中國(guó)是世界上最大的合成氨生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，合成氨產(chǎn)業(yè)遍布全國(guó)，具有良好的推廣應(yīng)用基礎(chǔ)。

三、氨能應(yīng)用現(xiàn)狀

氨的能源屬性和儲(chǔ)能屬性使其在動(dòng)力燃料、清潔電力和儲(chǔ)氫載體等新市場(chǎng)方面具有極大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ陔p碳戰(zhàn)略目標(biāo)愿景下，氨將構(gòu)建起氨能能源體系，對(duì)低碳社會(huì)發(fā)展具有重要意義。一方面，氨可以直接用于供能。氨被認(rèn)為在發(fā)電和重型交通運(yùn)輸領(lǐng)域具有脫碳應(yīng)用潛力。氨直接燃燒或與常規(guī)燃料混燃用于發(fā)電，有利于構(gòu)建清潔電力系統(tǒng)；氨用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，有利于解決交通運(yùn)輸領(lǐng)域的碳排放問(wèn)題。另一方面，氨可以間接供能使用。氨作為儲(chǔ)氫介質(zhì)，利用催化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)氨-氫轉(zhuǎn)化，可打破傳統(tǒng)的氫儲(chǔ)運(yùn)方式，為發(fā)展“氨-氫”綠色能源產(chǎn)業(yè)奠定基礎(chǔ)。

（一）氨內(nèi)燃機(jī)

氨的辛烷值高，抗震爆性好，可以通過(guò)提供更高的壓縮比來(lái)提高輸出功率。氨用作內(nèi)燃機(jī)燃料時(shí)熱效率高達(dá)50％，甚至近60％。氨的理論空燃比低，可以在內(nèi)燃機(jī)中添加更多的氨來(lái)彌補(bǔ)其低位熱值低的缺點(diǎn)。顯然，氨作為燃料使用時(shí)也存在一些明顯的燃燒缺陷。相對(duì)于汽油、柴油等燃料，氨燃燒時(shí)最小點(diǎn)火能量和層流燃燒速度均較低。因此，通常將氨與燃燒性能較好的燃料摻混來(lái)改善其燃燒特性。此外，在實(shí)際過(guò)程中，由于燃燒不充分和氧化發(fā)生，容易導(dǎo)致氨燃料所含的氮元素轉(zhuǎn)化成溫室效應(yīng)更強(qiáng)的NOx氣體排放。因此，燃燒和尾氣處理的定向控制策略對(duì)于降低NOx排放至關(guān)重要。根據(jù)氨燃燒機(jī)理，溫度和壓力對(duì)NOx的生成有明顯影響，控制溫度在熱脫硝溫度范圍內(nèi)，并盡可能地提高壓力是制約NOx生成的兩種常規(guī)手段，后一種通常用于內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)中。除此之外，還可以在燃燒尾氣末端使用選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)或燃料過(guò)量、廢氣再循環(huán)的策略減少NOx生成。

壓燃式內(nèi)燃機(jī)在重型卡車(chē)、船舶等交通運(yùn)輸領(lǐng)域和發(fā)電領(lǐng)域的年裝機(jī)容量巨大，目前以燃油為主，產(chǎn)生的二氧化碳排放量占全球的3%~4%，碳減排需求顯著。國(guó)際海事組織制定了航運(yùn)業(yè)碳減排目標(biāo)，指出到2050年，二氧化碳排放量應(yīng)比2008年下降至少70%。因此，到2050年，至少15%的長(zhǎng)途船舶應(yīng)使用氨或氫作為燃料。氨燃料的高體積能量密度屬性可以提高船體空間利用率，并且僅需要對(duì)常規(guī)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行微小改動(dòng)，改變壓縮比和更換耐腐蝕的管線即可。因此，氨被認(rèn)為是一種適合應(yīng)用于遠(yuǎn)洋船舶的清潔燃料。

2023年1月，日本郵船株式會(huì)社、日本船廠與日本Ishikawajima-Harima Heavy Industries（IHI）公司合作研發(fā)的世界首艘氨氣浮式儲(chǔ)存再氣化駁船獲得日本船級(jí)社原則性認(rèn)可。日本計(jì)劃在2025年前完成純氨燃料船示范，2025年后開(kāi)展推廣應(yīng)用。中國(guó)也積極推進(jìn)氨燃料船的示范，2022年3月，由中國(guó)船舶集團(tuán)設(shè)計(jì)建造的氨和液化天然氣雙燃料運(yùn)輸船已成功實(shí)現(xiàn)下水。預(yù)計(jì)到2035年，氨動(dòng)力船的經(jīng)濟(jì)性將與傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船持平。

目前對(duì)于不同工況下氨的燃燒熱力學(xué)特性，如燃燒速度、火焰穩(wěn)定性、點(diǎn)火特性、NOx生成特性及未燃盡氨排放等關(guān)鍵參數(shù)研究還未形成體系。對(duì)于氨的燃燒動(dòng)力學(xué)模型也處于不斷驗(yàn)證與完善階段。總體上，對(duì)于氨的燃燒應(yīng)用我國(guó)正處于起步階段，但是合成氨完整的制儲(chǔ)輸用體系，為其在能源領(lǐng)域的新應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。相關(guān)研究應(yīng)與產(chǎn)業(yè)需求緊密結(jié)合，促進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)。

（二）氨燃?xì)廨啓C(jī)

20世紀(jì)60年代就開(kāi)展了有關(guān)氨用于燃?xì)廨啓C(jī)的研究，但由于當(dāng)時(shí)化石燃料成本低和技術(shù)限制等因素導(dǎo)致研究終止。相較于內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用，燃?xì)廨啓C(jī)通常燃燒氣體燃料，且燃燒室體積不受限，與氨燃料更為匹配。但是，氨燃燒時(shí)的缺陷仍然存在，燃燒穩(wěn)定性和污染物處理仍是大規(guī)模應(yīng)用需要突破的重點(diǎn)。

日本首次在50 kW微型燃?xì)廨啓C(jī)上實(shí)現(xiàn)了雙燃料燃燒發(fā)電，產(chǎn)生44.4 kW功率電力，燃燒效率在89%~96%。日本IHI公司在2 MW的燃?xì)廨啓C(jī)上實(shí)現(xiàn)了摻氨混燒，摻燒比例高達(dá)70%，并在旋流燃燒器中實(shí)現(xiàn)了低NOx排放（見(jiàn)圖1）。近期，三菱電機(jī)株式會(huì)社宣布開(kāi)始研發(fā)世界首個(gè)氨氣40兆瓦級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以純氨為燃料，目標(biāo)在2025年左右實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。美國(guó)已與IHI公司合作，共同制定燃?xì)廨啓C(jī)路線圖。就目前來(lái)講，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究較少，偏向于理論研究和基礎(chǔ)研究。

圖1 NH3/天然氣旋流燃燒器結(jié)構(gòu)

（三）燃氨鍋爐

我國(guó)“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)，致使我國(guó)煤電裝機(jī)容量巨大。燃煤發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳占我國(guó)碳排放總量的34%，對(duì)其進(jìn)行碳減排是順利實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要路徑之一。二氧化碳捕集、利用與封存技術(shù)是其關(guān)鍵手段，但該技術(shù)存在捕集與封存或利用的輸送距離遠(yuǎn)、建造投資成本高的問(wèn)題。氨燃燒的靈活性為電力部門(mén)實(shí)現(xiàn)大幅度降碳提供了一種新方案。短期內(nèi)，由于綠氨產(chǎn)量和成本限制，加上純氨燃燒穩(wěn)定性差等問(wèn)題，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)純氨燃燒替代燃煤應(yīng)用。相比而言，摻氨燃燒方式可以利用現(xiàn)有電廠設(shè)施無(wú)需對(duì)鍋爐主體進(jìn)行大規(guī)模改造，成為現(xiàn)階段降低燃煤電廠碳排放的可行性選擇。

氨燃料在鍋爐中的應(yīng)用處于起步階段，集中在小試或中試研究。日本最先開(kāi)始探索以氨為燃料的發(fā)電方式，正積極加快推動(dòng)電力系統(tǒng)的脫碳過(guò)程。日本IHI已建成10 MW的摻氨燃燒示范裝置，也在推進(jìn)實(shí)施1000 MW規(guī)模的電廠摻氨實(shí)驗(yàn)，未來(lái)將實(shí)現(xiàn)20%混氨燃燒。為實(shí)現(xiàn)高壓燃燒器中氨高混燒率，IHI公司正在開(kāi)發(fā)一種易于供應(yīng)的液氨直噴燃燒技術(shù)，進(jìn)一步推進(jìn)氨摻燒方面的開(kāi)發(fā)（見(jiàn)圖2）。我國(guó)有兩家單位率先實(shí)現(xiàn)了工程驗(yàn)證，分別是皖能集團(tuán)、合肥能源研究院聯(lián)合開(kāi)發(fā)的國(guó)內(nèi)首創(chuàng)8.3 MW純氨燃燒器在300 MW火電機(jī)組一次性點(diǎn)火成功并穩(wěn)定運(yùn)行2 h和國(guó)家能源集團(tuán)搭建的40 MW燃煤鍋爐燃燒實(shí)現(xiàn)世界最大比例的混氨燃燒（35%氨氣），這標(biāo)志著我國(guó)燃煤鍋爐混氨技術(shù)進(jìn)入世界領(lǐng)先賽道。國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司的現(xiàn)有示范結(jié)果表明，在摻氨比例和氨注入位置一定的情況下，摻氨燃燒后生成的NOx污染物比燃煤工況還要低。若現(xiàn)有煤電機(jī)組均實(shí)施35%混氨燃燒，每年可減少9.5×108 t二氧化碳排放量。經(jīng)相關(guān)測(cè)算，當(dāng)煤炭?jī)r(jià)格為1400元/t、碳價(jià)為500元/t時(shí)，摻氨發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性可與煤電相競(jìng)爭(zhēng)。

圖2 氨/煤共燃旋流燃燒器示意圖

（四）氨 ? 氫燃料電池

燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，理論上更加高效環(huán)保。氨的氫含量高且重整制氫裝置簡(jiǎn)單，產(chǎn)物不含導(dǎo)致燃料電池中毒的一氧化碳，作為燃料電池的原料使用優(yōu)勢(shì)顯著，勢(shì)必會(huì)成為研究熱點(diǎn)。在間接供氨式燃料電池系統(tǒng)中，只需在已有的燃料電池氣體入口處加裝氨分解制氫裝置，基于成熟的技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)良好的氨  ?  氫轉(zhuǎn)換。利用已有的燃料電池技術(shù)，在相同溫度下氨燃料能夠達(dá)到與氫燃料相近的功率密度，可以替代純氫用于新能源汽車(chē)。氨 ?  氫燃料電池在終端用戶(hù)側(cè)的成本僅為1元/(kW·h)或0.25元/km，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。但也存在一些問(wèn)題需要平衡：氨分解產(chǎn)生的氫氣需要純化和壓縮，過(guò)程會(huì)消耗大量的能量。此外，氨裂化反應(yīng)器和氫氣壓縮系統(tǒng)的集成會(huì)使整個(gè)體系過(guò)程增加。目前氨燃料電池尚處于起步研究階段，各項(xiàng)性能還不完善。為滿(mǎn)足商業(yè)化需求，還需要攻克長(zhǎng)壽命運(yùn)行穩(wěn)定性的難題。

四、氨能產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)

（一）合成氨產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

目前，合成氨的生產(chǎn)過(guò)程還未實(shí)現(xiàn)綠色。基于傳統(tǒng)的合成工藝，全球每年合成氨產(chǎn)量為2×108 t左右，主要產(chǎn)自四個(gè)國(guó)家：中國(guó)、印度、俄羅斯和美國(guó)，并在全球范圍內(nèi)進(jìn)行貿(mào)易。中國(guó)和印度雖然合成氨產(chǎn)量巨大，但也是氨的主要進(jìn)口國(guó)，而俄羅斯則是主要的出口國(guó)，約70%合成氨（約1.7×108 t）用于出口（見(jiàn)圖3）。

圖3 合成氨產(chǎn)量及進(jìn)出口詳情

在我國(guó)，近些年受到化肥價(jià)格的支撐，合成氨需求整體呈現(xiàn)擴(kuò)大態(tài)勢(shì)（見(jiàn)圖4）。截至2021年年底，中國(guó)合成氨產(chǎn)能約為6.488×107 t，占全球產(chǎn)能的三分之一左右，較2020年同比增長(zhǎng)14.5%。氨能的發(fā)展將帶動(dòng)合成氨上、中、下游產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展。合成氨主要分為三大用途，分別是農(nóng)業(yè)（尿素等肥料）、工業(yè)（化工原料、煙氣脫硝）和儲(chǔ)能（新型用途）。

圖4 我國(guó)合成氨產(chǎn)量（2005—2020年）

與氫類(lèi)似，根據(jù)原料中氫氣的碳足跡，合成氨被分為灰氨、藍(lán)氨和綠氨。灰氨中的氫氣來(lái)源于天然氣或者煤炭，由傳統(tǒng)的Haber-Bosch高溫催化工藝制備而成。藍(lán)氨是將灰氨生產(chǎn)過(guò)程中的二氧化碳進(jìn)行捕集。綠氨是基于可再生能源提供能量來(lái)源的前提下，以水為原料提供綠氫，然后與氮?dú)馔ㄟ^(guò)熱催化或者電催化等新型低碳技術(shù)制備而成。綠氨是可再生能源消納的重要方式，也是實(shí)現(xiàn)碳減排的重要途經(jīng)。氨能作為氫能補(bǔ)充，綠氨合成將會(huì)成為氫能領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一，合成氨技術(shù)未來(lái)也勢(shì)必會(huì)朝著低碳化合成技術(shù)發(fā)展。

綠氨合成技術(shù)包括溫和條件下合成氨工藝和新型合成氨工藝。溫和條件下合成氨工藝主要對(duì)氨合成催化劑進(jìn)行革命性創(chuàng)新，通過(guò)開(kāi)發(fā)高效的熱催化劑，使其在較低溫度下（≤300 ℃）具有高反應(yīng)活性，能夠在傳統(tǒng)Haber-Bosch工藝過(guò)程中實(shí)現(xiàn)低溫低壓合成氨，降低過(guò)程反應(yīng)能耗。短期來(lái)看，該方法更容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模綠氨生產(chǎn)。新型合成氨工藝包括電催化合成氨、光催化合成氨、固氮酶合成氨、等離子體法合成氨等，其中電催化合成氨技術(shù)受到較大關(guān)注（見(jiàn)圖5）。電催化合成氨技術(shù)是利用電解液中的水與空氣中的氮?dú)馍桑浔举|(zhì)是利用電催化劑在施加電能條件下N≡N不斷加氫和斷鍵，形成氨分子，實(shí)現(xiàn)電能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，有效降低反應(yīng)能壘。

圖5 氨合成催化發(fā)展歷程

（二）氨能產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

在全球減碳大趨勢(shì)下，氫能相關(guān)應(yīng)用規(guī)模將不斷擴(kuò)大，氨的市場(chǎng)需求將進(jìn)一步增長(zhǎng)。氨能產(chǎn)業(yè)對(duì)合成氨需求的增長(zhǎng)不應(yīng)危及化肥供應(yīng)，更不會(huì)危及糧食生產(chǎn)。在此情形下，合成氨基礎(chǔ)設(shè)施必須以10~15倍的速度擴(kuò)大。合成氨工業(yè)屬于能量密集型產(chǎn)業(yè)，約占全球2%的能源消耗。另外，合成氨生產(chǎn)過(guò)程中每年約有3×108 t二氧化碳排放，約占全球碳排放總量的1%。通常每生產(chǎn)1 t氨，釋放近2 t二氧化碳。合成氨行業(yè)的節(jié)能減排壓力巨大，亟需進(jìn)行綠色轉(zhuǎn)型。目前我國(guó)的國(guó)家政策鼓勵(lì)綠色低碳技術(shù)生產(chǎn)合成氨，到2025年，合成氨行業(yè)能效產(chǎn)能比例將從2020年的7%提高到15%。未來(lái)隨著行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)合成氨將新增更多的綠色節(jié)能生產(chǎn)裝置，行業(yè)產(chǎn)量也將不斷增長(zhǎng)。

在可再生資源最好的地區(qū)，綠氨的成本估計(jì)為689 美元/t，高于灰氨的價(jià)格（225 美元/t）。據(jù)預(yù)測(cè)，到2030年綠氨價(jià)格將降至464 美元/t，到2050年將降至295 美元/t（見(jiàn)圖6）。當(dāng)碳價(jià)格為127 美元/t左右時(shí)，綠氨就能與現(xiàn)有的化石合成氨生產(chǎn)相競(jìng)爭(zhēng)。2030年后，綠氨預(yù)計(jì)將通過(guò)碳捕集實(shí)現(xiàn)與灰氨的合成成本持平，這也讓用氨的下游化工企業(yè)更有動(dòng)力使用綠氨代替灰氨作為原材料。綠氨液化后的單位體積能量密度雖然不及傳統(tǒng)的化石能源，但高于綠氫。尤為重要的是綠氨的液化和運(yùn)輸產(chǎn)生的成本遠(yuǎn)低于綠氫。從“制 ? 儲(chǔ) ? 輸 ? 用”全生命周期成本來(lái)看，綠氨的成本低于綠氫。由此可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)綠氨會(huì)在能源領(lǐng)域大量使用，而化工領(lǐng)域也會(huì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)綠氨對(duì)傳統(tǒng)合成氨工業(yè)的替代。目前全球多個(gè)大型綠氫綠氨項(xiàng)目正在推進(jìn)，預(yù)測(cè)到2030年，全球宣布的綠氨項(xiàng)目年生產(chǎn)能力為1.5×107 t（54個(gè)項(xiàng)目，產(chǎn)能是當(dāng)前氨市場(chǎng)的8%），我國(guó)綠氨規(guī)劃并落地的年產(chǎn)能已超過(guò)1.56×106t。

圖6 綠氨生產(chǎn)成本

五、氨能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃

合成氨正在從傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域向能源領(lǐng)域轉(zhuǎn)變。目前國(guó)內(nèi)外正在積極布局綠氨項(xiàng)目，但其中大部分為規(guī)模較小、產(chǎn)能為2×104~6×104 t /a的試點(diǎn)項(xiàng)目。綜合來(lái)看，交通領(lǐng)域遠(yuǎn)洋船舶動(dòng)力燃料和電力行業(yè)摻氨發(fā)電將成為綠氨的主要應(yīng)用場(chǎng)景。

（一）國(guó)際方面

日本在摻氨燃燒技術(shù)方面國(guó)際領(lǐng)先。日本在發(fā)展“氫能經(jīng)濟(jì)”的基礎(chǔ)上提出了“氨能經(jīng)濟(jì)”，率先推出氨能。2021年10月，當(dāng)?shù)卣雠_(tái)了第六版能源戰(zhàn)略計(jì)劃，明確提出到2030年利用氫和氨產(chǎn)出的電能要占日本能源消耗的1%，替代電站中20%煤炭的使用量；到2050年實(shí)現(xiàn)純氨發(fā)電。高效火力發(fā)電是日本擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，借助氨來(lái)實(shí)現(xiàn)碳中和的方式，將幫助日本進(jìn)一步領(lǐng)先全球。韓國(guó)宣布將2022年作為氫氣、氨氣發(fā)電元年，爭(zhēng)取成為全球第一大氫氣、氨氣發(fā)電國(guó)。韓國(guó)計(jì)劃從2030年開(kāi)始實(shí)現(xiàn)氨燃料發(fā)電商業(yè)化，將氨燃料在發(fā)電領(lǐng)域的占比提高到3.6%。澳大利亞充分利用當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能，利用光伏制氫技術(shù)制備綠氫供合成氨使用。澳大利亞政府正在布局氨能貿(mào)易，將制備的氨氣轉(zhuǎn)變?yōu)橐喊眱?chǔ)存，通過(guò)海運(yùn)輸送到韓國(guó)和日本。美國(guó)為了應(yīng)對(duì)石油危機(jī)，當(dāng)?shù)貒?guó)家能源部支持了17個(gè)綠氨項(xiàng)目，整體上布局利用可再生能源生產(chǎn)綠氨，發(fā)布了“通過(guò)使用高密度液體能源將可再生能源轉(zhuǎn)化為燃料”計(jì)劃。歐盟第四次氫能網(wǎng)絡(luò)會(huì)議指出要加大綠氨生產(chǎn)，將綠氨作為氫能的貿(mào)易體系之一，目前正在布局綠氫合成綠氨的研究，旨在開(kāi)展綠氨在交通及工業(yè)領(lǐng)域的工程示范。沙特正在建設(shè)全球最大綠氫及合成氨工廠，預(yù)計(jì)2024年正式投產(chǎn)，并以液氨的形式進(jìn)行全球銷(xiāo)售。

目前國(guó)際上氨能在交通領(lǐng)域的研究走在前列。日本、韓國(guó)正在研發(fā)推出氨燃料汽車(chē)。2020年7月，韓國(guó)現(xiàn)代尾浦造船公司設(shè)計(jì)了載重5×104 t的氨動(dòng)力船，預(yù)計(jì)2025年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。2021年11月22日，全球最大的氨生產(chǎn)商挪威Yara公司建造的全球第一艘氨動(dòng)力貨船下水成功。2022年5月22日，世界上第一臺(tái)氨動(dòng)力零碳拖拉機(jī)在紐約石溪大學(xué)首次運(yùn)行。俄羅斯正在研發(fā)氨燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

（二）國(guó)內(nèi)方面

國(guó)內(nèi)氫氨融合產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目布局逐漸加快，氫氨融合技術(shù)路徑漸受熱捧。《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》明確指出拓展氨儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)展依托可再生能源制氨的新型儲(chǔ)能技術(shù)試點(diǎn)示范，并被列為重點(diǎn)示范。2022年3月發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021—2035年）》中提出，積極引導(dǎo)合成氨等行業(yè)由高碳工藝向低碳工藝轉(zhuǎn)變，促進(jìn)高耗能行業(yè)綠色低碳發(fā)展。2022年4月印發(fā)了《科技部關(guān)于發(fā)布國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料”等重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)2022年度項(xiàng)目申報(bào)指南的通知》，提出包括分布式氨分解制氫技術(shù)與灌裝母站集成、氨燃料電池、摻氨清潔高效燃燒等與氨能有關(guān)的技術(shù)。自上述政策發(fā)布以來(lái)，多家單位紛紛進(jìn)行布局。明拓集團(tuán)有限公司、中國(guó)化學(xué)華陸公司將以綠氫和空分氮?dú)鉃樵希ㄔO(shè)中國(guó)首臺(tái)1.2×106 t綠氫電催化合成綠氨項(xiàng)目，推動(dòng)形成綠色低碳產(chǎn)業(yè)鏈。中國(guó)氫能有限公司擬在烏拉特后旗工業(yè)園區(qū)投資建設(shè)綠氫示范項(xiàng)目，同時(shí)利用低溫低壓催化技術(shù)合成年產(chǎn)近3×105 t的綠氨。慶華煤化集團(tuán)有限公司、和寧化學(xué)有限公司、漢氫科技有限公司、太陽(yáng)山能源開(kāi)發(fā)有限公司共同組建寧夏氨氫產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。蘭州新區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目計(jì)劃建設(shè)以年產(chǎn)6×104 t綠氨和氫能交通應(yīng)用為核心的示范應(yīng)用中心。福州大學(xué)、三聚環(huán)保新材料股份有限公司、紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司三家單位聯(lián)合創(chuàng)建國(guó)內(nèi)首家“氨 ? 氫能源重大產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺(tái)”。歐神諾陶瓷有限公司、德力泰科技有限公司、佛山仙湖實(shí)驗(yàn)室成立發(fā)起先進(jìn)零碳燃燒技術(shù)聯(lián)合創(chuàng)新研發(fā)中心，成為國(guó)內(nèi)首家擬開(kāi)展氨氫高溫窯爐零碳燃燒技術(shù)的單位。中國(guó)石油化工集團(tuán)有限公司、福大紫金氫能科技股份有限公司已經(jīng)合作建成全國(guó)首座氨制氫、加氫一體化示范站。國(guó)家電投集團(tuán)北京重燃能源科技發(fā)展有限公司、合肥能源研究院雙方將針對(duì)氫能與氨能、燃?xì)廨啓C(jī)等領(lǐng)域發(fā)力。上海船舶研究設(shè)計(jì)院完成了1.8×105 t氨燃料貨船的設(shè)計(jì)。江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司與勞氏船級(jí)社、瓦錫蘭集團(tuán)合作，設(shè)計(jì)了氨燃料動(dòng)力超大型運(yùn)輸船。

氨燃料應(yīng)用發(fā)展略快于儲(chǔ)能應(yīng)用，目前燃料電池由于成本問(wèn)題并不是氨在交通領(lǐng)域的主流路線。氨在交通領(lǐng)域的應(yīng)用雖然還處于研發(fā)階段，但從相關(guān)項(xiàng)目來(lái)看主要走內(nèi)燃機(jī)路線，此外，國(guó)內(nèi)氨在船舶領(lǐng)域的發(fā)展或快于汽車(chē)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有首個(gè)氨能船舶的規(guī)范文件，而氨在汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)文件還未發(fā)布，氨燃料在船舶領(lǐng)域應(yīng)用空間更大。

六、我國(guó)氨能產(chǎn)業(yè)發(fā)展舉措

要讓氨成為世界氣候變化解決方案的一部分，就要確保所有的合成氨都是綠色的，這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。當(dāng)前，合成氨存在高耗能、高排放等問(wèn)題，高居工業(yè)化學(xué)品生產(chǎn)中碳排放量榜首。短時(shí)間來(lái)看，綠氨還存在經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用等方面的挑戰(zhàn)，但在全球氨能經(jīng)濟(jì)體系建設(shè)下和可再生能源發(fā)展下，未來(lái)將逐步具有競(jìng)爭(zhēng)力。

（一）完善政策標(biāo)準(zhǔn)體系

為了讓綠氨生產(chǎn)成本降得更快，規(guī)模擴(kuò)展得更大，需要出臺(tái)并完善政策標(biāo)準(zhǔn)體系，在技術(shù)持續(xù)發(fā)展條件下，逐步向零碳生產(chǎn)過(guò)渡。第一，政府應(yīng)當(dāng)出臺(tái)補(bǔ)貼政策，鼓勵(lì)綠氨合成，為產(chǎn)業(yè)快速轉(zhuǎn)型提供支持。第二，政府應(yīng)當(dāng)建立產(chǎn)業(yè)政策與安全標(biāo)準(zhǔn)，為產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展打下基礎(chǔ)。第三，政府應(yīng)制定法律法規(guī)，為產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展提供依據(jù)。第四，政府應(yīng)推進(jìn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定，提升我國(guó)氨能的國(guó)際話(huà)語(yǔ)權(quán)。

（二）加快產(chǎn)業(yè)清潔轉(zhuǎn)型

基于我國(guó)能源發(fā)展趨勢(shì)，建議未來(lái)我國(guó)氨能低碳生產(chǎn)以“先立后破”的方式穩(wěn)步推進(jìn)：初期以工業(yè)副產(chǎn)氫作為過(guò)渡、后期逐漸由綠氫進(jìn)行替代，最終實(shí)現(xiàn)綠氨規(guī)模化發(fā)展。

具體而言，第一階段，利用工業(yè)富產(chǎn)氫氣合成氨。合成氨過(guò)程的高排放是由于原料氫的生產(chǎn)來(lái)源主要以煤或天然氣為主。氯堿工業(yè)、煤焦化工業(yè)、丙烷脫氫工業(yè)等生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量氫氣，回收利用副產(chǎn)氣可以降低制氫過(guò)程中的碳排放，有利于構(gòu)建一條合成氨低碳生產(chǎn)路線。第二階段，突破溫和條件合成綠氨關(guān)鍵技術(shù)。利用可再生能源電解水技術(shù)制取綠氫，將水煤氣或天然氣排除在流程之外。然后，使用Haber-Bosch剩余流程來(lái)制備綠氨。同時(shí)，突破低溫低壓氫氣和氮?dú)夂铣砂毙录夹g(shù)，探索可再生能源與低溫低壓合成氨互補(bǔ)融合新路徑。在這個(gè)階段，為實(shí)現(xiàn)氫氨融合的持續(xù)、快速發(fā)展，需要電力成本及相關(guān)制氫設(shè)備成本的進(jìn)一步下降。第三階段，利用新型的電化學(xué)催化氮還原技術(shù)生產(chǎn)綠氨。在傳統(tǒng)路線中，制氫占一次能源消耗的75%。即便使用可再生能源電解水制氫，制氫也將占總成本的65%。在此階段將摒棄Haber-Bosch工藝，使用前沿的電催化氮還原技術(shù)，省去制氫的過(guò)程，通過(guò)氮?dú)怆娺€原直接合成氨。這項(xiàng)技術(shù)可以大大減少綠氨制備過(guò)程的復(fù)雜性，比Haber-Bosch工藝減少約20%的能耗，并且不受規(guī)模限制，適用于分布式合成氨。第四階段，將合成的綠氨應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)鈾C(jī)或者鍋爐等場(chǎng)景，努力實(shí)現(xiàn)氨能對(duì)化石燃料的替代，大幅度降低碳排放量，貢獻(xiàn)碳中和力量。在此加大氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)裝備研制力度，提升主要設(shè)備的核心競(jìng)爭(zhēng)力，突破零碳燃料的應(yīng)用技術(shù)瓶頸。

（三）開(kāi)展全產(chǎn)業(yè)鏈部署

氨能全產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋上游氨制備、中游氨儲(chǔ)運(yùn)和下游氨利用，應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)化部署。除綠氨合成外，儲(chǔ)存方面，應(yīng)當(dāng)綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和安全等因素，解決大規(guī)模液氨儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)與建設(shè)難題。運(yùn)輸方面，研究適用于我國(guó)能源發(fā)展要求的液氨管道網(wǎng)絡(luò)整體規(guī)劃，開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)距離液氨管道運(yùn)輸技術(shù)體系，支撐我國(guó)形成成熟的氨能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，面向未來(lái)氨燃料市場(chǎng)和遠(yuǎn)途貿(mào)易市場(chǎng)。應(yīng)用方面，氨能的直接或間接利用應(yīng)當(dāng)積極推動(dòng)建立氨應(yīng)用示范項(xiàng)目，提升氨能戰(zhàn)略屬性，最終形成氨能規(guī)模化應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈。

七、結(jié)語(yǔ)

本文以氨能發(fā)展為主題，梳理了氨合成、氨利用、國(guó)內(nèi)外發(fā)展戰(zhàn)略等方面進(jìn)展，明確了氨能規(guī)模化推廣面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，提出了我國(guó)氨能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路徑規(guī)劃，指出我國(guó)應(yīng)抓住低碳轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略機(jī)遇期，積極開(kāi)展氨能產(chǎn)業(yè)布局。因地制宜，統(tǒng)籌合成氨產(chǎn)業(yè)、可再生能源產(chǎn)業(yè)和氫能產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展。建議我國(guó)氨能應(yīng)用可分三階段穩(wěn)步推進(jìn)。第一階段，開(kāi)發(fā)電催化等綠氨低碳化合成關(guān)鍵技術(shù)，完善法律法規(guī)和碳市場(chǎng)體制機(jī)制；結(jié)合地方優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，啟動(dòng)一系列綠氨示范項(xiàng)目。第二階段，整合優(yōu)勢(shì)技術(shù)力量，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氨能產(chǎn)業(yè)鏈體系；同時(shí)加強(qiáng)與資源大國(guó)的合作，打造低成本氨能供應(yīng)鏈，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化推廣。第三階段，形成“低碳溫和合成氨、安全經(jīng)濟(jì)儲(chǔ)運(yùn)氨、零碳高效利用氨”的綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)重塑，助力雙碳目標(biāo)。