2022年3月23日,國家發(fā)展和改革委員會,、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)》,明確了氫能是國家能源體系的重要組成部分.最近20多年來,氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),、氫能關(guān)鍵材料與核心部件、氫能汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展,、氫能儲運技術(shù)等方面國內(nèi)外取得了長足的進展.但目前在世界范圍內(nèi),氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍然面臨著氫跨區(qū)域、高安全,、低成本,、大規(guī)模儲運難的重大瓶頸;科技部在“十四五”氫能技術(shù)國家重點研發(fā)計劃重點專項中,將純氫與天然氣摻氫管道輸運技術(shù)和液氫儲運技術(shù)列入支持計劃.另一方面,擴大氫能的重大應用場景仍然是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn).
本文提出氨氫融合新能源領(lǐng)域的交叉前沿科學技術(shù)問題及重點研究方向,同時提出加強交叉前沿科學技術(shù)問題研究的重要政策建議,為解決氫能儲運面臨的重大難題和擴大氫能的重大應用場景提供戰(zhàn)略性方向引領(lǐng).
1 氨氫融合新能源交叉科學前沿戰(zhàn)略研究的意義
1.1 氨氫融合新能源已成為國際清潔能源領(lǐng)域
前瞻性和戰(zhàn)略性發(fā)展方向
氨氫融合新能源指的是:以氨和氫作為直接能源或能源載體的新能源體系.氫和氨(NH3)都是零碳清潔能源,都可以通過可再生能源獲得,二者可以相互轉(zhuǎn)化;通過綠氫可以合成綠氨,通過綠氨裂解可以高效制備綠氫,二者在不同應用場景可以分別使用,也可以混合使用、協(xié)同增效.
2014年,日本政府將氨能技術(shù)列入國家戰(zhàn)略性創(chuàng)新計劃(SIP),并制定了氨燃料技術(shù)2021~2050發(fā)展路線圖(https://www.ammoniaenergy.org/articles/japans-road-map-for-fuel-am-monia/).2019年,全球氨能源聯(lián)盟提出“Ammonia=Hydrogen2.0”新理念,打造氨/氫能源新體系.韓國正在打造全球第一氫氨發(fā)電國,并將2022年定為“氫氨發(fā)電元年”.歐盟2020年公布氫能歐洲計劃,并制定了氨氫能源發(fā)展計劃;荷蘭制定了上風電和太陽能制氨計劃,挪威全球第一艘氨燃料動力油輪投入運營.我國國家發(fā)展和改革委員會,、國家能源局2022年2月發(fā)布《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》,將規(guī)?；l(fā)展氫(氨)高能量密度儲能技術(shù)納入該實施方案.
1.2氨氫融合新能源技術(shù)為解決氫能儲運的重大難題提供有效途徑
氫氣在常壓下液化溫度為?253°C,液化能耗很高.氣態(tài)氫氣的儲運密度很低,一輛40t氫氣運輸車(20MPa),只能運輸氫氣約250kg,氫氣的經(jīng)濟運輸半徑小于200公里.氨是高效儲氫介質(zhì),含氫質(zhì)量分數(shù)17.6%.合成氨已有100多年的歷史.氨在常壓下–33°C或室溫下1MPa即可液化.液氨的儲運技術(shù),、基礎(chǔ)設(shè)施、運輸標準都很成熟,可通過公路,、水路和長距離管道運輸,且運輸成本低廉(公路運輸成本僅為氫氣的1%,水路和管道運輸成本僅為氫氣的1‰).液氨作為氫的高效儲運介質(zhì)可以將氫的經(jīng)濟運輸半徑從150~200公里增加至數(shù)千公里以上.但傳統(tǒng)合成氨是通過高溫高壓(400~500°C,15~20MPa) Haber-Bosch(H-B)合成法,消耗大量天然氣資源,、產(chǎn)生高CO?排放.傳統(tǒng)液氨裂解制氫技術(shù)存在能耗高、反應條件苛刻,、制氫純度低以及無法實現(xiàn)車載原位高效制氫等突出問題,其挑戰(zhàn)主要是高效低溫催化劑及小型化,、強化傳熱傳質(zhì)反應器的設(shè)計制造.傳統(tǒng)氨氫分離工業(yè)上主要采用變壓吸附技術(shù)或鈀膜分離技術(shù)來實現(xiàn),該技術(shù)設(shè)備體積大、能耗高(變壓吸附30%~40%,、鈀膜分離25%~35%),、但含氨富氫氣體中氫具有理論氧化電位接近于標準零電位的特征,因此,氨氫分離正在向高效電化學分離方向發(fā)展(能耗可低于10%),挑戰(zhàn)在于耐氨質(zhì)子交換膜、抗氨中毒電催化劑的材料支撐.
通過開發(fā)規(guī)?；统杀究稍偕茉淳G氨制備,、液氨安全低成本運輸、一站式低能耗高效裂解制氫加氫,、小型車載氨裂解分離系統(tǒng)(DSU)等氨氫融合新能源技術(shù),為解決氫能跨區(qū)域,、高安全、低成本,、大規(guī)模儲運的重大難題提供有效途徑.
1.3 氨氫融合新能源技術(shù)為我國高溫制造,、交通、發(fā)電等行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”達標提供顛覆性創(chuàng)新技術(shù)
氨和氫是兩種僅有的具有工業(yè)應用價值的零碳燃料.目前我國高溫制造,、交通,、發(fā)電等行業(yè)使用的燃料主要是天然氣、煤等化石能源,是碳排放的主要來源,其中高溫制造(建材,、鋼鐵),、交通、發(fā)電行業(yè)的碳排放分別約占我國總碳排放的28%,、10%,、38%,對低碳和零碳燃料及其工業(yè)燃燒技術(shù)提出了迫切和重大需求.純氫、純氨和高比例混氫,、混氨燃料在開放式高溫工業(yè)窯爐和封閉式內(nèi)燃機或燃氣輪機中的工業(yè)燃燒技術(shù)研究在世界范圍內(nèi)尚處于起步階段,并且硅酸鹽建筑材料和金屬材料的工業(yè)窯爐氨氫燃燒過程與材料成型成性過程協(xié)同控制技術(shù)在世界范圍內(nèi)還處于空白.通過開發(fā)高溫工業(yè)窯爐氨氫融合零碳燃燒技術(shù),、氨氫融合零碳交通運輸裝備技術(shù)、氨高溫燃燒氮氧化物排放物控制技術(shù)等顛覆性技術(shù),可以開辟氫能新的重大應用場景,為我國高溫制造,、交通,、發(fā)電等行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”達標提供顛覆性創(chuàng)新技術(shù).
1.4 氨氫融合新能源科學技術(shù)是多學科交叉領(lǐng)域重大前沿
氨氫融合新能源科學與技術(shù)涵蓋可再生能源綠氨制備科學技術(shù)、高溫工業(yè)窯爐氨氫融合零碳燃燒科學技術(shù),、氨氫融合零碳交通運輸裝備科學技術(shù),是能源科學與技術(shù),、材料科學與工程、化學與化學工程,、動力工程與工程熱物理,、交通運輸工程等學科交叉領(lǐng)域的重大前沿,也是這些交叉領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性難題.
(1)規(guī)?；统杀究稍偕茉淳G氨制備是可再生能源到電能再到化學能的轉(zhuǎn)換過程,其核心學科領(lǐng)域是高效能源轉(zhuǎn)化材料與儲能技術(shù)和化學反應動力學,涉及能源科學與工程、材料科學與工程,、化學與化學工程,、界面物理與化學等學科的交叉.
(2)高溫工業(yè)窯爐氨氫融合零碳燃燒技術(shù)是以氨氫為零碳燃料在高溫工業(yè)窯爐中(硅酸鹽材料高溫窯爐、冶金工業(yè)窯爐等)實現(xiàn)高效穩(wěn)定燃燒和材料成型成性協(xié)同優(yōu)化控制的過程,其核心學科領(lǐng)域是氨氫融合零碳燃燒科學技術(shù)和高性能硅酸鹽材料與金屬材料零碳制備技術(shù),涉及材料科學與工程,、能源科學與工程,、動力工程與工程熱物理等學科的交叉.
(3)氨氫融合零碳交通運輸裝備技術(shù)是以氨氫為零碳燃料在內(nèi)燃機或燃氣輪機中實現(xiàn)高效穩(wěn)定復合燃燒和動力系統(tǒng)協(xié)同控制的過程,其核心學科領(lǐng)域是氨氫融合內(nèi)燃機復合燃燒動力學和新型動力系統(tǒng)協(xié)同控制理論,涉及動力工程與工程熱物理、化學與化學工程,、交通運輸工程等學科的交叉.
2 氨氫融合新能源交叉科學前沿顛覆性創(chuàng)新重點方向
2.1 綠氨低成本規(guī)?；苽浼夹g(shù)
綠氨低成本規(guī)模化制備涵蓋兩種重大前沿技術(shù):(1)鋰介導電化學氮還原合成綠氨,是一種“間歇式”電化學合成氨的過程,借助鋰介導活化N2,促進N2的解離.這種綠氨合成方式,是常溫低壓(1~2MPa)電催化反應過程,其優(yōu)勢是氨的高產(chǎn)率和轉(zhuǎn)換效率,可實現(xiàn)電化學多池相聯(lián)組裝,但規(guī)?；苽渚G氨的可能性還有待驗證;(2)高溫固體電解質(zhì)電化學-化學合成綠氨,是一種“固定床”型的電化學合成綠氨的新理念.這種“固定床”型的優(yōu)勢是:中溫條件下,可使用淡水或海水蒸汽為質(zhì)子源;通過全氣相反應和全固態(tài)材料,催化產(chǎn)氨效率高;通過電化學多池并聯(lián)組裝,易于規(guī)?；瓢?目前初步計算結(jié)果表明,由4個反應堆疊加形成的電化學合成氨反應系統(tǒng)(每個反應堆4萬片電極、每片電極5cm2,、電化學產(chǎn)率為100mg/(hcm2)),綠氨年產(chǎn)能約為700t.
綠氨低成本規(guī)?；苽涞年P(guān)鍵是催化方法學變革、高效催化劑開發(fā),將引領(lǐng)以新型高效能源轉(zhuǎn)化材料為核心的材料科學技術(shù)新方向和以高通量電化學反應動力學為核心的化學與化工新方向.
2.2 高溫制造業(yè)氨氫零碳燃燒技術(shù)
高溫制造業(yè)(建筑陶瓷,、金屬加工等)氨氫零碳燃燒技術(shù)涵蓋以下核心技術(shù):(1)在寬功率和寬摻混比范圍,氨的可靠點火與高效穩(wěn)定燃燒技術(shù);(2)高溫工業(yè)窯爐氮氧化物(NOx)排放與氨逃逸的有效控制技術(shù);(3)在高溫,、高濕煙氣氣氛下,氨燃料工業(yè)窯爐污染物快速響應、高精度,、高靈敏度在線檢測技術(shù);(4)利用煙氣余熱實現(xiàn)氨氣在線部分裂解的氨氫混合燃燒技術(shù);(5)高溫工業(yè)窯爐氨氫火焰與材料成型成性工藝過程協(xié)同控制技術(shù).
通過高溫工業(yè)窯爐氨氫融合零碳燃燒技術(shù)的研究與突破,引領(lǐng)以氨氫融合零碳燃燒科學技術(shù)為核心的動力工程與工程熱物理學科新方向的發(fā)展,引領(lǐng)以高性能硅酸鹽材料與金屬材料零碳制備技術(shù)為核心的材料科學技術(shù)新方向的發(fā)展,同時氨氫融合零碳燃燒技術(shù)可以用于發(fā)電與供熱行業(yè)“雙碳”達標,引領(lǐng)能源科學技術(shù)新方向的發(fā)展.
2.3 氨氫融合零碳交通運輸裝備
氨氫融合零碳交通運輸裝備涵蓋以下核心技術(shù):(1)氨氫融合燃料重整與供給技術(shù),包括預燃點火,、氨裂解、氨噴射,、氫分離,、氫提純等;(2)氨氫融合零碳發(fā)動機創(chuàng)新技術(shù),包括液態(tài)氨缸內(nèi)直噴技術(shù)、進氣無中冷/熱廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù),、多源射流點火技術(shù),、車載氨裂解制氫/氨氫混合氣技術(shù)、燃燒系統(tǒng)技術(shù),、缸內(nèi)缸外協(xié)同排放控制技術(shù),、交叉靈活氨氫噴射策略技術(shù)等;(3)氨氫融合零碳車輛創(chuàng)新技術(shù),包括高效率的整車動力與驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型性能優(yōu)化技術(shù)、氨氫融合(混)動力系統(tǒng)構(gòu)型技術(shù),、氨氫融合復合動力系統(tǒng)構(gòu)型技術(shù),、氨氫融合復合動力底盤集成技術(shù)等.
交通運輸裝備發(fā)動機缸內(nèi)直噴引燃技術(shù)除了預燃點火引燃外,壓燃引燃也是途徑策略之一.純氨只有在大于35高壓縮比的實驗條件下才可以實現(xiàn)壓燃,所以工程上一般采用柴油壓燃來引燃氨.壓燃引燃存在兩個方面的難題:一是在這樣高的壓縮比下,工程實現(xiàn)上有一定困難;二是因柴油燃料含碳,難以實現(xiàn)凈零排放,需要增加碳排放后處理裝置.
通過對氨氫融合零碳交通運輸裝備技術(shù)的研究和突破,引領(lǐng)以氨氫融合內(nèi)燃機復合燃燒動力學為核心的動力工程與工程熱物理學科新方向的發(fā)展,引領(lǐng)以氨氫融合新型動力系統(tǒng)協(xié)同控制理論和DSU為核心的交通運輸工程學科新方向的發(fā)展.
2.4 航空發(fā)動機和燃氣輪機氨氫零碳燃燒技術(shù)
航空發(fā)動機氨氫零碳燃燒技術(shù)涵蓋以下核心技術(shù):(1)機載氨輕質(zhì)高效裂解技術(shù),包括高性能催化劑與等離子體協(xié)同裂解、快速冷啟動,、富燃等離子體預熱裂解,、高溫蜂窩催化劑快速裂解、氫氮快速分離技術(shù)等;(2)氨氫航空發(fā)動機零碳,、低NOx燃燒技術(shù),包括新型燃燒組織與燃燒室設(shè)計,、NOx排放控制、反應動力學過程高分辨測試和高精度建模等;(3)氨氫航空發(fā)動機在極端條件下的等離子體點火助燃技術(shù).
燃氣輪機氨氫零碳燃燒技術(shù)涵蓋以下核心技術(shù):(1)燃氣輪機純氧氫燃燒先進循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計;(2)氨氫燃氣輪機干法低排放微混燃燒技術(shù)(DLE);(3)富燃-猝熄-貧燃(RQL)技術(shù)在氨氫燃氣輪機中的創(chuàng)新發(fā)展,包括利用燃氣輪機排煙溫度將液氨氣化預裂解,、開發(fā)氨裂解燃燒一體化技術(shù),、利用燃燒室的高溫對氨氣進行預裂解、解決NOx排放和燃燒室冷卻的難題.
通過航空發(fā)動機和燃氣輪機氨氫零碳燃燒技術(shù)的研究和突破,引領(lǐng)高端裝備零碳與低碳重大前沿技術(shù)的發(fā)展.
3 加快氨氫融合新能源發(fā)展的政策建議
3.1 建議國家將氨能納入能源戰(zhàn)略規(guī)劃
建議將氨能納入我國新能源體系.根據(jù)我國國情,開展氨能資源調(diào)研,從保障能源安全的角度,制定氨能中長期發(fā)展規(guī)劃與產(chǎn)業(yè)化應用路線圖;利用多種渠道發(fā)展氨能制,、儲,、輸、用全鏈條新技術(shù);培育持續(xù)穩(wěn)定的市場需求,積極推廣氨能應用.加快氨氫融合新能源安全檢測技術(shù),、安全評價方法與標準研究,加快制定相應的安全標準與規(guī)范.
3.2 建議國家加快啟動“西氨東輸”工程
液氨已有長距離管道輸運成熟技術(shù),美國海灣中央液氨管道全長3057公里,、已運行50年;俄羅斯陶里亞蒂至烏克蘭奧德薩液氨管道全長2471公里、已運行40年,每年輸運液氨130~300萬噸.我國現(xiàn)有天然氣輸運管道78萬公里(每百公里造價2.01億人民幣),但目前僅有液氨輸運管道161.7公里(每百公里造價2.24億人民幣).我國西部可再生能源豐富,可建設(shè)大規(guī)模廉價綠氫綠氨生產(chǎn)基地.建議國家通過財政支持和政策引導,組織全國優(yōu)勢科研和產(chǎn)業(yè)力量聯(lián)合攻關(guān),建設(shè)從西部到東部的液氨管道輸運網(wǎng)絡(luò),加快啟動“西氨東輸”工程,以滿足我國東部,、南部對氨氫新能源的迫切和重大需求.
3.3 建議國家加快啟動“一帶一路”沿線國家氨氫能源國際合作工程
“一帶一路”沿線石油,、天然氣輸出國正在謀求從化石能源出口向清潔能源出口的轉(zhuǎn)型,如沙特的“2030愿景”計劃用氨氫替代石油出口,打造萬億級新能源市場.液氨海運技術(shù)已非常成熟,全球已有120多個液氨運輸碼頭.建議我國加強能源領(lǐng)域的國際合作,在液氨進口和合成氨制備技術(shù)出口等領(lǐng)域,實現(xiàn)中國“一帶一路”倡議與沿線國家新能源政策(如沙特“2030愿景”)的國際對接,以保障我國氨能源長期穩(wěn)定的供應.
致謝 中國科學院-國家自然科學基金委學科發(fā)展戰(zhàn)略研究聯(lián)合項目(L2224040)和國家自然科學基金委重大研究計劃(92063000)資助.感謝項目專家組成員南策文院士、何雅玲院士,、成會明院士,、趙東元院士、謝在庫院士,、鄒志剛院士,、李應紅院士、鄭津洋院士,、程一兵教授,、蘇寶連教授對本項目的指導.
張莉1?*,薛勃飛2,3?*,劉玉新2,3,王宇1,2,3,吳云5,張華6,楊新春7,何帥2,3,蔣三平2,3,李駿2,3,4,張清杰1,2,3*
1.武漢理工大學材料復合新技術(shù)國家重點實驗室,武漢430070;
2.佛山仙湖實驗室,佛山528216;
3.國家能源氫能及氨氫融合新能源技術(shù)重點實驗室,佛山528216;
4.清華大學車輛與運載學院,北京100084;
5.空軍工程大學航空動力系統(tǒng)與等離子體技術(shù)全國重點實驗室,西安710038;
6.上海電機學院機械學院,上海200240;
7.中國科學院深圳先進技術(shù)研究院,深圳518055
?同等貢獻
*聯(lián)系人,E-mail:[email protected];[email protected];[email protected]
原文附件：
科學通報 氨氫融合新能源交叉科學前沿戰(zhàn)略研究 紙版發(fā)表稿.pdf
