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氨的优势有哪些?氨能技术发展现状如何?氨能离产业化还有多远?

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导读:氨(NH3)这种无色燃料燃烧时不排放二氧化碳。它丰富且常见,而且可以利用可再生的电力、水和空气来制造。燃料电池和内燃机都可以使用它。它与氢不同,不需要储存在高压罐或低温杜瓦瓶中。它的能量密度是锂离子电池的10倍。

1. 氨的优势

首先,氨(NH3)相对氢来说更容易运输和储存。氨比氢更不易燃,因此在这方面氨是一种更安全的燃料。此外,NH3的沸点为33.36℃,H2的沸点为-252.9℃,NH3更容易液化,所以氨储存和运输所需的能量更少。最重要的是,氨具有特殊的气味,为其潜在的致命泄露提供了早期预警,这是纯氢没有的特征。

第二,液氨是一种比液氢本身更有效且能量密度更高的氢载体。NH3是一个氮原子和三个氢原子结合在一起,与H2相比,一升液氨中的氢比一升液氢中的氢含量高,在相同体积的储存容器中可以输送更多的能量。

第三,NH3是世界上最重要的化学商品之一,也是生产最广泛的化学品之一。其包括装卸在内的运输法规和运输基础设施已经在全世界得到了广泛的布置。一般情况下,氨运输和储存在中等压力的储罐中,这意味着它可以快速应用到能源系统中需要它的特定部分。

目前氢能的利用和商业化进程缓慢,运输氢气既困难又昂贵,但一个广泛的氨输送系统已经存在,与氨气相关的设施成本比氢气低。如果用绿氢生产氨,就不会产生二氧化碳排放,与此同时,将绿氨液化然后大规模运输可能是将来氢气储运的最佳方式之一。另外,氨燃烧的产物是水和氮,不会造成碳排放,氢能产业正在向氨方向发展。

但是如果直接将氨作为燃料,则需要克服氨不容易燃烧的缺陷。氨的燃烧速度低于氢,发热量也低于氢和天然气,将其点燃并实现持续稳定燃烧比较困难。

为了尽快实现碳中和的目标,各个国家政府也越来越重视氨能的发展。

2. 氨能技术发展现状

2.1合成氨技术

2.1.1 绿氢-Haber-Bosch电化学体系制备绿氨

目前全球绿氨大部分的制备方式为:基于Haber-Bosch电化学体系,用绿氢和氮气合成绿氨。利用电解槽绿色制氢,该电解槽工作在碱性水介质或质子交换膜或固体氧化物介质中。这些电解槽利用来自太阳能、风能和潮汐能等可再生能源的电力生产绿氢。而合成氨的反应则依旧是在高压环境的合成塔中完成,氮气和氢气混合后经过压缩从塔的上部进入合成塔。经过合成塔下部的热交换器,混合气体的温度升高,并进入放有催化剂的接触室。在接触室,一部分氮气和氢气发生反应,合成了氨,混有氮气,氢气和氨气的混合气体经过热交换器离开合成塔。混合气体要经由冷凝器,将氨液化,因而将氨分离出来,而氮气和氢气的混合气体经压缩再次送入合成塔,形成循环利用,以节省原料。

2.1.2 四烷基膦酸盐电化学方法

一种全新的电化学方法制取氨,可以大幅度减少与目前的Haber-Bosch工艺有关的温室气体排放。该方法是一种使用与锂电池类似的电解质电池来制备氨气。使用可再生能源电解从空气中分离出氮气,还原生成氮化锂,从水中分离出氢气,通过电氧化还原以产生氨。这意味着氨可以完完全全成为“绿色生产”。用四烷基膦酸盐代替乙醇。这种阳离子可以稳定地经历去质子化-再质子化循环,并且提高了介质的离子电导率。

2.1.3 低温低压合成绿氨

与当今世界上通常采用的传统氨生产工艺相比,使水在极低的温度和压力下直接生产绿色氨。基于零排放碱性电池和绿色氨能技术的电力解决方案,允许不间断的电力帮助世界从柴油动力转移到清洁能源动力。

2.2氨脱氢技术

2.2.1 传统氨分解制氢

传统的氨分解变压吸附制氢工艺可分为两部分:氨分解和变压吸附纯化。液氨经预热器蒸发成气氨,然后在一定温度下,通过填充有催化剂的氨分解炉,氨气即被分解成含氢75%、含氮25%的氢氨混合气。其反应为:

2.2.2 电化学电池氨脱氢

氨遇到将其分解成氮和氢的催化剂,氢会立即转化为质子,然后通过电驱动质子穿过电化学电池中的质子导电膜。通过不断地抽离氢,推动反应的进行。从氨裂解中产生的氢可以用于燃料电池。

2.2.3 新型低温氨分解制氢

氨分解制氢催化剂及其制备方法及其在电极中的与应用。催化剂包括活性组分和载体,活性组分为钌和/或镍,载体为钡基钙钛矿,氧化锆基稀土金属氧化物,氧化铈基稀土金属氧化物,镓酸镧基钙钛矿,氧化铝中的至少一种。该催化剂可以使催化剂的热膨胀系数与电极材料的热膨胀系数接近,从而解决催化剂和电极因受热易出现分层的问题;以钌和/或镍活性组分,将其负载在载体上制得的催化剂具有较好的催化效果和较高的氨分解效率。

3. 全球主要国家氨能发展情况

3.1日本大力发展氨燃烧

2020年底,日本公布了“绿色增长战略”行动计划,氨能被重点提及。2021年4月,日本政府计划:到2050年,氢气和氨气发电将占日本总能源产量的10%左右;2023年之前将突破燃煤火力发电厂混合氨燃烧技术;2025年可将氨含量为20%的燃料投入实际应用;2040年实现100%的氨燃烧火力发电技术的开发。

3.2欧洲加大绿氨生产

2020年11月24日,欧盟第四次氢能网络会议提到要不断增加绿氨的生产。

3.3韩国氨燃烧发电提上日程

2020年12月7日,韩国产业通商资源部主持召开的“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,政府将投入400亿韩元用于有关基础设施的建设,并于2023年前制定“氢气和氨气发电指南”。

3.4中国加大氨储能研发力度

2021年5月26日-28日,上海举办了第一届“2021年氨燃料电池动力系统产业发展上海国际峰会论坛”,来自中外的能源厂家、设备供应商和配套厂家均参与其中,交流氨能发展的新机会,反响热烈。组织方响应产业界要求,半年后又举办了“第二届氨产业和氨燃料动力系统上海国际论坛”,探讨氨产业和氨燃料动力系统在航运、船舶、内燃机、飞机、汽车、市政、电力、工程、港口等清洁新能源市场的机遇与发展趋势。

2022年1月29日,国家发展改革委国家能源局关于印发《“十四五”新型储能发展实施方案》的通知提到,要加大关键技术装备研发力度推动多元化技术开发,开展储能环节关键核心技术、装备和集成优化设计研究,这其中包括氨储能。

3.5澳大利亚持续推进氨能发展

2020年9月,澳大利亚氨能源协会(AEA Australia)分会举办了第二届“氨=氢2.0会议”。会议上提出:要加强政府与行业之间的合作关系;为氨动力船舶税收开设安全培训课程;行业和政府共同出资设立氨生产技术研发中心;与日本和新加坡等国家建立绿氨有关的能源安全合作。

为了保护绿色地球,在探索工业和能源领域的脱碳技术时,氨能被反复提及。全球各国已将关注的眼光慢慢移向了氨能领域。

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