程一兵院士:氢-氨融合颠覆性产业化技术发展趋势
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2021-12-24 15:30
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程一兵 澳大利亚工程院院士、澳大利亚 Monash(蒙纳士)大学终身荣誉教授、武汉理工大学学科首席教授、佛山仙湖实验室学术委员会副主任


大家下午好!我是来自佛山仙湖实验室的程一兵。


今天与大家分享一下我们仙湖实验室对氢氨融合颠覆性技术及产业化发展的认识与规划。


下面我主要从氨能的燃烧特性以及国外对氨能燃烧的研究,介绍零碳氨能技术和仙湖实验室在氨能、氢氨融合方面的一些思考。


“双碳”达标目前是推动能源技术革命的最大驱动力。氢能是实现“双碳”达标的重要技术途径,它的来源丰富,可以利用光伏、风电通过电解水制氢。氢既可以通过燃料电池来发电,也是一种高温燃料,所以它是具有高热值、高能量转化性、无毒性的、可再生、可持续的理想清洁能源。


除了成本的挑战以外,氢能还有储运方面的诸多难题。氢气非常活泼,在和空气混合以后,容易产生燃烧和爆炸。同时,氢是元素周期表中最小的原子,在高温、高压下可以穿透钢板,因此对储存材料的要求非常高。氢气的液化温度达到-253℃,因此液氢的制备过程能耗很大,安全储运液氢成本高、技术难度大。


国内外有一些研究把氨能作为储氢的一个介质。对氨本身我们并不陌生。氨是化肥,也就是氮气和氢气合成的氨,主要应用于农业、化工、制药等行业,全世界已有大规模生产。全球氨气的年产量达到1.8亿吨,而且液氨输运的技术和安全规范已经非常成熟。


现在人们把氨作为一种新能源进行研究,主要是基于两个考量:一是作为储氢介质,同时它还是一个零碳燃料。


氨的新能源功能之一是作为氢能载体,因为1个氨含有3个氢和1个氮。它很容易液化,只要-33℃就可以液化,或者在常温下10个大气压就可液化;氨的点火温度比氢高很多,相对氢气要更安全,方便运载。大家在公路上可以看到运氨的车,也可以通过管道运输。现在的思路是氨合成后,一部分用于化肥,另一部分可作为氢能的载体输运。氨的裂解也是非常成熟的技术,加温后变成氮气和氢气。 


氨的另一个新能源功能是作为零碳燃料,这是我今天想着重介绍的。氨本身是一种零碳化合物,同时它的能量密度很高,是液氢的1.5倍,它和氧的燃烧反应产物是水和氮气。我们知道氮气约占空气78%,氮气本身并不是一个有害气体,所以氨燃烧是零碳排放。但是氨气作为燃料应用的研究相对较少,全世界目前已知的能高温燃烧的燃料绝大部分都是化石燃料,是含碳的燃料。真正不含碳并具有实用性的燃料只有两种,就是氢和氨。但是氨气燃烧有自己的特点,氨不容易燃烧,这对安全储运是一个优点,但对利用氨能作为燃料增加了技术挑战。对氨燃烧技术,国外做了一些研究,国内做得还不够。高温燃烧产 物是二氧化碳的一个主要来源,刚才郭烈锦院士也讲到,碳排放主要来自发电、供热和制造业。 


据分析,到2050年、2060年即便全球实现碳中和,仍然有接近1/4的能源要依赖燃料,这一部分燃料靠什么?据分析有六大工业很难摆脱对燃料的依赖,包括海运、长途重载汽车、炼钢、高温工业制造(如玻璃、水泥、陶瓷)、航空、长期储能等。 


这些领域对高温燃料的需求可能不可缺少,那么我们怎么办?比如说建材行业,建材制造业是我国碳排放的一个大户,占我国碳排放的14%左右。佛山是陶瓷生产的重镇,中国很大一部分建筑陶瓷就是佛山生产的。火力发电、钢铁冶炼都是碳排放大户,因此必须开展低碳或者零碳燃烧技术的研究。陶瓷、水泥、玻璃都是在高于1000多度的高温下制备的,在这些领域用什么做燃料来达到碳中和?从这个角度来说,我们可以考虑用氢和氨进行燃烧。 


氨燃料和其它燃料相比,它的能量密度高,具体能量成本比较低,但是氨燃料存在几个挑战:一是燃烧速度和热值都比较低,它的燃烧速度远远低于氢,这对于工业应用有一定问题。二是发热量相对来说比较低,它的热值比其他的天然气、氢都要低,点火比较困难,不太容易点燃和实现稳定燃烧,对于用作燃料来说,如何让它稳定地烧起来就是一个技术挑战。 


下面介绍一下国外在这方面做的一些研究。这个方面在国内研究得相对较少,我重点介绍一下日本在这个方面做的一些研究。 


日本政府在2014年启动了日本重整战略,要重整日本的经济,设立了10个国家重大研究计划,其中之一就是能源载体重大研究计划,投资约合人民币2.5亿元,耗时5年。这个计划的出发点就是为了解决氢能储运困难的问题。他们寻找了三个比较有可能作为氢能储运载体的技术,一是液氢,就是把氢液化;二是用有机化合物合成的含氢有机化合物;三是氨。他们主要研究了这三种液态氢能载体的制造、运输、储运和应用。这里面包括三大块:一是怎么样合成、制备这三种液态燃料,二是怎么样安全地运输这三种液态燃料,三是怎么样应用这三个氢的载体。


日本很多著名的大学和企业,比如东北大学、大阪大学、三菱重工等都参与了这项研究,其中对包括氢能和氨能的燃烧技术做了很多的研究,我着重介绍一下燃烧的情况。首先介绍一下在内燃机里的燃烧。这是日本东北大学小林秀昭教授牵头做的氨燃烧研究。如果氨气能形成视频上所显示的这样的稳定燃烧,就可以工业应用了,但是能将氨气燃烧成这样不是很容易,这里面有很多技术挑战。 


通过日本研究人员的研究,可以看到要使氨稳定燃烧非常困难,它很可能烧了一下会熄火。所以怎么样能够使氨进行高速稳定燃烧,日本在这方面做了很多的工作,他们的技术现在已经到了可以应用的阶段。日本的东北大学、丰田和IHI公司对氨燃烧的涡轮机、汽轮机都进行了研究。因为日本不像中国有巨大的硅酸盐建筑材料制造业,所以日本的重点是用于发电。


氨的燃烧不会有碳排放,但是可能产生氮氧化合物。日本对如何控制氨燃 烧产物里的氮氧化合物也做了很多研究,他们能够把氮氧化物控制在100ppm甚至10ppm以下。这是三菱重工目前在开发的4万千瓦100%纯氨燃烧发电机,2025年要实现实用化。 


这个视频是氨燃烧在工业窑炉的应用,可用于钢铁、玻璃、陶瓷行业。这个工作主要是日本大阪大学的赤松史光教授牵头的,他们是在实验室里面用模拟的工业炉,用氨来燃烧10-100千瓦的燃烧炉。虽然炉子比较小,但是这个燃烧器是工业级规模的。我刚才讲了,要实现这样的稳定火焰本身就是一门技术,日本在这方面做了相当的研究,取得了比较好的结果。他们在10千瓦的炉子上和船用的内燃机上都做了很多研究。 


他们这个研究计划从2014年到2018年,在这些重大研究计划成果的基础上,日本政府通过经产省,也就是相当于我们的工业部,对零碳燃料作出了一个重大的调整。今年4月份的报道,日本经产省认为氨能更适合作为燃料进行实际使用,因此政府做了一个重大调整,优先使用氨能作为实现2050年碳中和达标的清洁燃料。我觉得这个信息一定要引起我们国家的重视,因为日本这是在十多个企业和大学联合研发了5年以后,政府作出了这样一个调整,同时还制定了氨燃料发展的线路图,规划到2030年、2050年如何实现零碳高温的燃烧技术。 


今年10月份,日本政府公布了第六版能源战略计划,里面第一次把氢能和氨能的燃烧纳入国家能源战略计划中,第一次明确提出优先推广氢、氨混烧的发电技术。他们并不是一开始就100%用氢、氨取代化石能源,而是分步进行,首先是30%的氢气+70%的天然气,20%的氨气+80%的煤粉来实现混烧技术,2050年要实现100%氨气和氢气的燃烧发电。我认为这代表了今后在高温燃烧、零碳燃料的一个发展方向,应该引起我们的重视。 


与此同时,韩国也紧紧跟上。今年的11月16日,韩国政府的工商能源部公布了氨能和氢能的高温燃烧计划。他们成立了一个氢氨发电示范促进领导小组,目标就是推动氢、氨与天然气、煤混合燃烧发电。2030年氨能发电要占全国发电量3.6%,而且要逐步地把煤发电用煤、氨混合发电取代,2050年要实现完全零碳氨燃料发电达到21.5%,氢能发电13.8%,所以韩国的计划是2050年约35%左右的高温发电是氢、氨完成的。我们国家一定要从现在就跟上研究。我们现在研究氢能燃料电池汽车,这是完全正确的,但是我们也要重视用氢能和氨能作为一种零碳的高温燃料的研究和应用。 


澳大利亚目前在积极布局向日本和韩国提供氨燃料,因为澳大利亚的阳光非常充足,他们在澳洲制氢制氨,把氨能用海运输送到日本和韩国。 


这是今年2月份丹麦建立的欧洲最大的绿氨生产基地,1GW的绿氨生产基地。这是两个星期前挪威第一艘用零碳氨燃料发动机作为动力的货轮下水。 


实际上中国是世界上氨气产量最大的国家,因为我们是农业大国,我们的化肥需要氨,氨的价格在市场上稍低于天然气价格,氨3500-4000元/吨,3-4元 /公斤,这个价格远远低于氢,氢现在约60多元/公斤。目前我国的合成氨多是用煤和天然气制备,在高温450度、200个大气压下制备。氨的合成有100多年历史,技术非常成熟,但是目前它面临的问题是,所用的氢是化石能源制备的灰氢,所以氨是灰氨,不能减少碳排放。因此怎么样用绿氢合成绿氨,这是下一步的挑战。氨的合成里面70-80%的成本来自于氢,所以氢、氨是紧紧连在一块的两个技术,要想把绿氨用廉价的方式制出来,必须要有廉价的绿氢。 


澳大利亚主要是用太阳能电解水制氢,然后用传统的哈伯-博世工艺合成氨。另一个方式就是天然气制氢、加碳捕获,即用蓝氢来合成蓝氨。廉价的光伏就会产生廉价的绿氢和绿氨。因为澳洲的阳光非常充足,光伏发电成本较低,根据今年8月-10月的统计,澳洲的绿氢成本已经做到3.75澳币/公斤,大约16-19元人民币/公斤,这个价格与中国目前天然气制氢差不多了。如果这个价格还能够继续降低,那么合成廉价的绿氨完全有可能。另外,更超前的是用电化学制氨,目前这还是处于实验室研究阶段。 


在对国际信息的研究、研判和梳理下,佛山仙湖实验室制定了相应的氨能研究规划。我们实验室的重点研发方向是与氢能应用相关的新材料、新技术,因此,实验室制定了氢氨融合新技术的发展规划。我们认为氢氨融合是国际清洁能源的前瞻性、颠覆性、战略性的技术发展方向,是解决氢能发展的重大瓶颈的有效途径,同时也是实现高温零碳燃料的重要技术路线。我们希望在仙湖实验室尽快建立氢氨融合燃烧实验室,建立一流的研发队伍,实现零碳的内燃机和零碳的高温工业炉稳定燃烧。同时,我们也希望尽快和佛山的陶瓷行业开展合作,能够帮助他们在生产过程中减碳,首先实现碳达峰,再进一步向碳中和发展。 


电解水制氢和燃料电池汽车仍然是仙湖实验室的一条研究主线。在电解水制氢的基础上,我们要研究二代的绿氨合成技术,车载的氢氨分离器技术,并研制氢氨融合的内燃机,用于大功率的卡车和轮船。同时我们还要开发零碳的氢和氨的燃烧技术,帮助硅酸盐行业、发电行业首先实现碳达峰和碳中和,这是我们的规划。 


小结:我认为氨是一个便于安全输运的储氢介质,同时也是一个可再生的零碳燃料。氨作为一种零碳燃料对硅酸盐建材和火力发电行业实现碳达峰和碳中和具有重要的意义。国外在这个方面已经做了比较早的布局,我们国家还刚刚起步。仙湖实验室要抢占先机,在国内率先成立专门的研发机构,组织人员和团队开展具有一定规模的绿氨制备、氢氨融合内燃机燃烧和氢氨高温窑炉燃烧技术的研发,为我国制造业实现“双碳”达标做出贡献。


谢谢大家。


来源:汽车燃油电池之家