“氨-氢”转换，又一个新能源赛道
2023-10-17 21:46:59   来源： ()　   评论：0 点击：

近日，国家能源局公布第三批能源领域首台（套）重大技术装备名单，福大紫金氢能研制的“10千瓦级‘氨-氢’燃料电池分布式发电系统”成果榜上有名。

氢能，被誉为“21世纪终极能源”。然而，在当下节点，以制氢、储氢、运氢、用氢为主的氢能产业链存在储运难、本质安全性弱等痛点，为此，国际社会高度关注一种高效、安全的氢能载体——氨。基于氨的低价和安全运输优势，近年来，世界各国均在积极开展氨能产业布局。

面对“氨-氢”能源的全球化发展趋势，我国在“氨-氢”转换与利用的技术积累为我们带来了“先发优势”。在福建，依托福州大学建设，魏可镁院士创建、江莉龙研究员领衔的化肥催化剂国家工程研究中心，率先在国际上开展以氨为储氢介质的“氨-氢”储能与发电技术路线。

基于国际领先的“氨-氢”能源转换颠覆性关键技术，2021年12月，福州大学、紫金矿业集团股份有限公司（以下简称“紫金集团”）、北京海新能源科技股份有限公司(原北京三聚环保新材料股份有限公司，以下简称“北京三聚环保”)在福州举行绿色能源重大产业项目战略合作签约，创建国内首家“氨-氢能源重大产业创新平台”，共同出资成立福大紫金氢能科技股份有限公司（以下简称“福大紫金氢能”），围绕“氨-氢”绿色能源重大技术开展深度合作，力争打造万亿级氨能、氢能、可再生能源一体化产业链。

在国家“双碳”战略目标的背景下，这个产学研联合体致力于“氨-氢”能源新技术路线的成果转化，不断丰富拓展“氨-氢”能源应用场景，开辟氢能源产业新赛道。

打造多个全国首创

“氨-氢”燃料电池是什么？

在福州工业路上的福州大学化肥催化剂国家工程研究中心氨燃料电池实验室内，一台台不同型号、规格的“氨-氢”燃料电池发电装置原型机让人眼前一亮。

福州大学石油化工学院院长、化肥催化剂国家工程研究中心主任江莉龙指着原型机一侧的黄色瓶子说：“合成氨催化技术是我们中心的传统优势，现在我们利用新一代的高效合成氨催化剂，通过液氨把氢存储在这个瓶子里，再通过氨热催化分解转化成氢气进而再发出电来。”

江莉龙解释道：“氨通过分解生成氢氮混合气，氢氮气可不经分离，直接进入燃料电池发电，目前这个技术已处于初步商业化应用阶段。”2022年2月，由福大紫金氢能开发的国内首座3千瓦级“氨-氢”燃料电池发电站交付中国铁塔龙岩分公司并实现稳定运行，为福建龙岩曹溪镇一经常性离网基站提供持续不间断的电力保障。

“这套设备实现了氢的即产即用和安全高效发电，破解了氢气的储存运输难题，具有低噪声、长续航等综合优势。”福大紫金氢能总经理张卿介绍，倘若该设备成功实现推广应用，为国内10%的通信基站和数据中心提供应急用电保证，预计每保供电一天，可节约燃料费用约6000万元，实现碳减排约4万吨。

目前，福大紫金氢能已开发出从3千瓦到百千瓦级的多系列“氨-氢”燃料电池分布式发电系统。8月23日，由福大紫金氢能研发的百千瓦级“氨-氢”燃料电池发电站首次在建筑工地领域投入使用。该装置是福大紫金与中建四局建设发展有限公司合作项目，为建筑工地提供持续不间断的电力保障。相比柴油机发电机每千瓦时电可节省成本30%以上。

张卿介绍，“氨-氢”燃料电池发电站可用于草原、荒漠、高山、海岛等离网场景，帮助用户实现远程了解基站状况、长时间无人值守，实现安全、零碳、低成本供电。

氢能源作为清洁能源，其发展势不可当，但氢气的存储运输一直是限制其产业化应用的“卡脖子”难题。“以往一辆能运输40吨的卡车只能运送250公斤左右的氢气，运输过程会有5%~10%的氢气自然逃逸。而且氢的爆炸极限为4%~75%,一旦泄漏很容易发生爆炸。”江莉龙介绍。

氨作为高效储氢介质，具有易液化储运、安全性高和无碳排放等优势。在氢能战略大前提下，氨能的发展和合理利用成为大势所趋。

“氨-氢”转化技术除了应用于“氨-氢”燃料电池发电站，还有更多应用前景。张卿介绍，通过福州大学化肥催化剂国家工程研究中心研发的“高效合成氨”和“低温氨分解”两项核心技术，公司着手开发分布式电源、移动电源、氨现场制氢加氢一体站、车用/船用动力及“氨-氢”燃烧内燃机等应用场景。

去年9月，全国首座“氨现场制氢加氢一体示范站”在长乐建成，标志着氨制氢加氢技术进入应用示范阶段。该项目由福建石油联合雪人股份、福大紫金氢能等福建省内新能源企业共同推进。

福州大学化肥催化剂国家工程研究中心教授、福大紫金氢能副总经理罗宇告诉记者，该加氢站以氨作为氢气的储能载体，通过集“氨在线制氢、分离纯化、升压加注”等功能于一体的自主创新制氢加氢装备技术，实现氢气现产现用，一辆氢燃料电池巴士不到10分钟便可完成氢气充注，加满氢后能行驶近400公里。预计2025年该技术年产值超百亿元，预计到2030年可减排二氧化碳5600万吨/年。该项目还被列入省科技厅重大专题专项。

今年1月，福大紫金氢能和厦门金龙共同研发出全国首辆“氨-氢”燃料电池客车，实现氢能在汽车上的即产即用，具有“加注时间短、续航里程长、安全高效、节能环保”等多重优点，为“氨-氢”能源在车用燃料电池领域的商业化推广提供了一条重要的技术路径。

罗宇向记者介绍，倘若该设备成功实现推广应用，如覆盖我国10%的重卡和船舶，预计年节约燃料费用280亿元，有望实现年碳减排7100万吨。

在氢能战略大前提下，各国加快相关产业布局。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，希望以“氨-氢”能源形式实现更低成本的碳中和；韩国则宣布2022年为其氨氢发电元年，并制定了相应的发展方针和指南，力争成为全球第一大氨氢发电国。

据日本《日经新闻》2021年12月的专题报道，世界上关于“绿氨技术”的主要研究机构中，福州大学研究团队在氨相关催化剂研究方面处于世界第一位，氨相关专利技术方面处于世界第二位，相关研究成果处于世界领先地位。

产学研深度融合

氨是关系国计民生的基础化工原料，传统上广泛应用于化肥、化纤、军事、环保、制冷等领域。用它来作为储氢介质，优势明显。

“但在‘氨-氢’能源绿色循环路线中，是将可再生能源电力电解制氢技术结合低温低压的绿色合成氨技术，把大规模的风、光等可再生能源电力电解制氢后再高效合成氨，把这些绿色电力储存在氨里，氨再作为能源运输到全国各地使用。”江莉龙介绍。

我国传统的合成氨通常以煤为原料，氢气与空气分离制备的氮气在催化剂作用下在高温高压（温度大于490℃及压力大于15MPa）条件下合成氨，危险系数大，且能耗高。打破这种局面得益于我国化肥催化剂技术的进步，更直接得益于一种能在低温低压运行的新一代钌系合成氨催化剂。

由于国外技术封锁，20世纪90年代末，福州大学化肥催化剂国家工程研究中心时任主任、中国工程院院士魏可镁就带着科研人员进行钌系合成氨催化剂攻关。

“做这个催化剂，可谓是两代人20多年的‘屡败屡战’。”江莉龙感慨道。

今年48岁的江莉龙来自龙岩上杭一处小山村。1997年，他从福大毕业后，加入化肥催化剂国家工程研究中心，跟随魏可镁院士等老一辈科研人员开始研究变换制氢、合成氨等新型高效的催化剂技术。

2008年，研究团队开展第一次钌系催化剂万吨级实验没有取得完全成功，由于得不到企业投入、经费支持，工作进展缓慢。但江莉龙和团队仍一次次鼓起劲，将催化剂的反应过程“拆开”来攻克，一步步将困难“解压”。

2012年，该中心与北京三聚环保联合成立福建三聚福大化肥催化剂国家工程研究中心有限公司，高校以技术入股、企业以资金入股的模式，实现了中心和企业的深度融合发展。

经过多年不懈研究攻关，2018年，该中心与北京三聚环保等开发出世界首套以煤为原料的低碳安全高效合成氨成套新技术，打破了国外近30年的技术垄断，并实现在20万吨低温低压合成氨装置上工业应用，且连续稳定运行4年多。

在此基础上，该中心着手进行“氨-氢”绿色能源重大技术攻关，创制出使氨高效分解的新型低温催化剂，攻克了“氨-氢”能源的关键技术瓶颈。

学以致用，经世济民。彼时，江莉龙团队有一个强烈梦想：“尽快把研究成果从实验品变成产品，将论文写在祖国的大地上。”