氨-氢能源路线在氢能交通领域具有哪些优势与劣势?

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氨-氢能源路线在氢能交通领域具有哪些优势与劣势?

氢气(H 2 )来源广泛,具有高能量密度、高转化效率和清洁性的优点。随着社会和经济进步,在人们对环保、效率、低碳能源的需求推动下,氢能有望成为未来能源的重要构成,在低碳社会中发挥重要作用。根据国际氢能委员会预测,到2050年,氢能将减少 CO 2 排放60亿吨,创造2.5万亿美元的市场价值,在全球能源中所占比重有望达到18%。

氨作为全球大量生产的基础化工产品,也非常适合用于H 2 载体。氨具有易液化(-33℃)、体积能量密度大(液氨的体积能量比液氢高50%)、运输储存设施可与丙烷通用、制造成本低、本身可作为无碳燃料等优点。氨除了可以分解为氢气,也可以在大型燃气轮机中直接燃烧,燃烧高效且不产生 CO 2 ,是目前大型发电的研究热点方向之一。主要储氢载体的理化性质见上图所示。

从理想的燃料生产效率和实际运输方面分析,裂解过程需要500°C的高温才能生产高纯度氢气(99.97%,特别是用于汽车),这需要4.2GJ/吨氨(包括H 2 损失)能量输入。由于PEMFC极易受到微量氨的影响(0.1×10 -6 ),因此氨转化的氢气必须通过高效的纯化和分离系统进行精华提纯,这将额外消耗0.5 GJ/吨氨。

因此,氨分解氢气的纯化过程不可避免地产生大量成本。同时,整个过程还可能导致1.7 GJ/吨氨的总热损失。此外,氨分解后,还需要2.0~4.3GJ/吨氨的额外电能将氢气压缩,以重新填充燃料电池汽车(FCEV)700bar的储氢瓶。通说上述计算,氨的总转化效率为61.0%~68.5%。此外,裂化反应器与氢气压缩系统的集成可能会使燃料加注和填充过程复杂化。由于裂化系统的复杂性,以及在杂质存在下催化剂的性能和寿命,可能会进一步限制氨的应用。

此外,负责将氨催化分解为氢气的SOFC阳极材料在连续运行过程中应该具备稳定、耐用和耐高温特性,但目前阳极材料的退化仍然是SOFC商业化的主要障碍。最近,Minutillo等人提出了一种基于以氨为燃料的SOFC技术的新型工厂配置,用于在加氢站现场制氢时同步生产电力。进一步改进SOFC和氨分解技术对于实现这样的概念是必要的。氨内燃机虽然不需要从氨中还原氢气,但除了会产生NOx排放外,还可能导致诸如点火困难、火焰速度低、压缩率更高等其他问题。

氨作为可行的氢储能材料确实具有巨大潜力,但与液氢相比,使用氨作为氢载体的运输体系在整体的电-燃料-电(PFP)效率方面没有明显优势。另外,裂解过程对大量能量的需求限制了其未来的应用。此外,净化和压缩后的氢气用于供应燃料电池汽车的财务和能源成本都很高,其中投入的电能和热能成本难以通过其他方面的收益回收。

除了其技术挑战外,氨的毒性(OSHA暴露限值为50×10 -6 )、亲水性和腐蚀性也需要大量基础设施,以避免意外泄露和设备腐蚀。一般认为,氨可以作为固定发电的燃料,使用SOFC为偏远地区供电。但作为氢载体,虽然其能量密度高,但还原氢气需要大量的能量以裂解和压缩,限制了它的应用。从应对气候变化的角度看,采用以绿氢为原料来合成氨,替代传统以化石能源为原料的合成氨工艺,是比采用氨作为氢载体更为有效的方法。

基于氨的低价和安全运输优势,原本将氢能作为“王牌”的日本政府,正在引入氨能,希望将发电厂和船舶的燃料替换成氨,凭借燃烧技术突破,以更低的成本实现碳中和。2021年10月,日本政府发布第六版能源战略计划,首次提出引入氨能,具体体现在:“到2030年,利用氢和氨所生产出的电能将占日本能源消耗的1%。”

此外,在韩国产业通商资源部2021年12月7日主持召开的第二次氢气和氨气发电推进会议上,韩政府宣布将2022年作为氢气氨气发电元年,并制定发展计划和路线图,力求打造全球第一大氢气和氨气发电国。会议宣布,政府2022年共将投入400亿韩元用于有关设备基础设施建设,并于2023年前制定“氢气和氨气发电指南”,推广有关技术在LNG发电站使用。

12月10日,福州大学、北京三聚环保新材料股份有限公司、紫金矿业集团股份有限公司在福州举行绿色能源重大产业项目战略合作签约,成立合资公司,创建国内首家“氨-氢能源重大产业创新平台”,围绕“氨-氢”绿色能源重大技术开展深度合作,加快推动科技成果转化。福州大学江莉龙研发团队率先实现了新型的低温“氨分解制氢”催化剂的产业化,探索了以氨为氢能载体的颠覆传统高压储氢方式,为发展“氨-氢”绿色能源产业奠定了坚实的基础

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