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雙碳行動 || 解析李駿口中應高度重視的基礎創新——“氨=氫2.0”

2021-11-4 14:19 2100 0 來自: 中國汽車報
簡介
【汽車碳中和】為了實現“雙碳”目標驅動下的節能減碳,行業對于化石能源的替代嘗試從未停止腳步。在未來20-30年,完全擺脫化石能源依賴幾乎不可能,從中國整個地緣分布的能源結構以及全世界的發展趨勢來看,內燃機 ...

【汽車碳中和】為了實現“雙碳”目標驅動下的節能減碳,行業對于化石能源的替代嘗試從未停止腳步。在未來20-30年,完全擺脫化石能源依賴幾乎不可能,從中國整個地緣分布的能源結構以及全世界的發展趨勢來看,內燃機在相當一段時間內,在交通運輸中仍具有不可替代的重要作用。

而隨著各種關于脫碳技術路線的探索,氫氣內燃機由于綠色、高效,對氫氣純度要求不高,可以實現零碳排放,逐漸被視為通向未來綠色能源的關鍵鑰匙,在越來越多場景和領域中得到應用。

但彩虹和風雨共生,機遇與挑戰并存。氫氣的儲存難度大、制備成本高等實際問題,也限制了氫能的發展。

中國工程院院士,清華大學教授李駿

日前, 中國工程院院士,清華大學教授李駿在2021中國汽車工程學會年會上做了題為《Autonomy 2.0與Ammonia=Hydrogen2.0》的主旨報告,提出中國汽車產業應高度重視的重大基礎的創新方向之一:“氨=氫2.0”,似乎為氫能大規模推廣提出了一條可行路徑。

氨或可成為氫能最佳載體

李駿指出,氫能源汽車目前存在明顯的長尾效應:“氫能汽車有數十年的研發歷史,近年來,氫能相關法規逐漸完善,按照預期將迎來氫能源汽車的大爆發,但實際上,氫能汽車評價體系涉及運輸、存儲、車載、動力、安全、成本等多方面,熱管理、載氫量、加氫標準等復雜的產業鏈問題無一不影響市場開拓,由此產生的長尾效應亟待全行業思考!

據了解,Joi Scientific公司在2016年提出Hydrogen2.0的愿景,克服氫使用受到制備、儲存、運輸和釋放能量方面的限制,全球氨能源聯盟2017年提出Ammonia=Hydrogen2.0(氨=氫2.0)的新理念,打造綠氨能源新體系解決單一氫能源存在的長尾難題。

這一理念的由來其實很好理解。氨氣是一種具有多種優勢的能源。未來能源的第一個資格要求是它們不排放會加速全球變暖的溫室氣體。由于氨像氫氣一樣燃燒時不會釋放二氧化碳,因此可以說它具有作為未來能源的資格要求。由氨(NH₃)的結構式也可看出,它攜帶的元素只有氮和氫,完全避免了碳排放的問題,另外,在氫能越來越多被商業化應用的當前,氨的穩定性、易存儲等性能,或可成為比較好的氫能載體。

相較于氫能源,“氨=氫2.0”的提出具有更豐富的內涵。據介紹,當前全球氨資源儲備豐富,制備成本更低,同時氨更易于儲存,液氨能量密度比氫高1倍,同樣體積儲存能力是液氫的2倍;在基礎設施方面,現有氨分銷渠道很成熟,成本低,人類已經從氨中實現獲益;目前商用制氨技術成熟,集合可再生能源制氨,可用性強,應用十分廣泛;安全性方面,氨可以以液態儲存,安全性極高。對環境影響小,現有氨產業鏈對環境影響可控。

對于氨能產業,全球氨能源聯盟經過多年研究,從10 個維度預測“氨是未來綠色能源的贏家”:真正的零碳燃料;能量密度高;易液化;易于運輸、設備完善;可用LNG運輸,是氫能最好的載體;產量和生產效率遠遠高于液氫;成本低;安全性高、不易爆炸;是所有交通裝備的燃料;應用廣泛(發電、農機、建材)。

對此,李駿提出,氨氫融合一體化氫能源汽車可能將會是絕佳解決方案。

氨氫融合有三大路徑

事實上,研究氨充當燃料的試驗早已在全球展開。

《中國汽車報》記者了解到,美國打造阿拉斯加、夏威夷、愛荷華三大綠色可再生氨能源基地,并在阿拉斯加開發基于地熱能量的綠色可再生氨能源制造高科技。同時長達3000英里(約合4828公里)的液氨運輸管道正在建設中,未來將覆蓋全美;基于夏威夷氨能源基地打造覆蓋亞太的氨能源運輸網絡。日本2021年4月發布“Japan embracing ammonia power to achiever 2050 zero CO₂target”氨能源戰略,表示氨已經成為應對氣候變化的國際新戰略。

李駿表示,全球正在進入“氨=氫2.0”時代,氨能源技術正從灰氨向藍氨和綠氨發展。根據氨能源協會報告,目前氨每年大約生產2億噸,是世界上產量第二大的化工商品。而每噸合成氨產生1.8噸CO₂,我國合成氨年產5000萬-6000萬噸,占全球產量的25%-30%。目前合成氨是第一代灰氨,2030年前生產第二代零碳藍氨(天然氣裂解和CO₂捕集)和第三代可再生能源合成氨都是未來不遠的規劃。

李駿在主旨報告中提到的五大融合方向,也強調了氨-氫燃料融合,主要有三個方面:第一,打造車載氨氫融合零碳燃料平臺。液體氨把氫氣帶入汽車,車載氨重整制氫技術的創新解決了車載儲氫瓶對于整車設計的困擾,基于熱裂解催化分離技術打造車載氨氫融合零碳燃料平臺,既用于燃料電池,也可用于內燃機,實現“從油箱到車輪”的碳中和。他進一步指出,液氨體積和質量能量密度都適合車用燃料,解決重型車輛長續駛里程難題,百公里燃料成本最低。

第二,打造車載氨氫融合燃料電池系統。其中,間接氨電池系統(DSU+PEMFC)中的車載DSU使氨氣中的氮-氫分離,純氫氣供PEMFC系統工作;直接氨電池系統,氨氣進入陽極,分解成氮氣和氫氣,氫質子穿過電解質層與陰極側氧氣反應生成水。

第三,打造氨氫融合新能源零碳排放內燃機。氨具有氫載體和零碳燃料兩大優勢作用,可用于燃料電池、內燃機、燃氣輪機等動力,實現“從油箱到車輪”的碳中和。氨氫融合新能源內燃機,在柴油機基礎上改變9個總成零部件,實現基于氨氫的混合氣燃燒,柴油機產業碳中和時代仍有巨大意義。

或將最早應用到飛機或船舶

有關氨氫轉換的研究,全球領域很早就有所開展。 同濟大學教授、燃料噴射與燃燒所所長李理光教授介紹:“早在2004年,美國汽車工程協會就成立了氨能源委員會分會專門研究這個問題,目前已經取得了一些相應的成果。在船用機上,尤其是大型船舶,已經實現應用。這里的氨用的不是純氨,有的是和柴油混合,有的和天然氣混合,實際上是混合燃燒的燃料!

德國PTB國家實驗室佛南德斯教授在上海汽車工程學會年會技術分會上發表了“未來潛在燃料氨的燃燒特性”的演講,介紹了他們團隊有關氨的研究成果。他也指出:“造船業正在積極考慮是否大規模部署氨燃料,這是一個非常適合的領域!

近年來,國際上正在開發使用氨的飛機發動機,汽車發動機和船舶發動機,如基于氨的發動機開發模型SABER,最初是為高超音速飛行而開發的反應發動機。就船舶而言,私營公司已經在開發氨發動機,F代Mipo造船公司最近收到了英國勞埃德船級社(LR)要求開發氨燃料船的請求,并計劃在未來五年內將氨推進船商業化。

在汽車領域,其中一個代表性案例是韓國能源研究所制造的氨引擎,將液化石油氣和汽油均轉換為汽油。確切地說,它是一種由70%的氨和30%的汽油混合而成的燃料,經研究測試,裝有該發動機的汽車以60-80km/h的速度完成了測試。根據主持該研究的Jongnam Kim博士的解釋,當70%的汽車燃料被氨替代時,二氧化碳的排放量也減少了70%。此外,現有的液化石油氣加氣站基礎設施只需稍作改動就可以用作氨氣加氣站,這被認為是增加氨氣發動機商業化可能性的一個優勢。李駿則表示,國外已經有主機廠制定氨能源汽車發展戰略,布局液氨內燃機前瞻研發。

雖然氨被認為是不錯的零碳燃料,但也有不少人對這一新趨勢持謹慎態度。 工信部甲醇汽車推廣應用專家指導委員會秘書長魏安力認為,從實際應用和落地的角度來看,氨的大規模推廣還有很長的路要走!安荒苤灰驗樗缓荚鼐驼f它是完全綠色的能源。氨從哪里來,氨的制備是否符合零碳,氨的氣味非常難聞,以及液氨具有腐蝕性等等問題要如何解決,現在尚沒有確切答案!彼f。

佛南德斯教授則指出:“從氨的適用性來看,它可能不是最佳的燃料選擇,但如果加上一些補劑可能會形成很好的結果。長遠來看,氨是非常有潛力的燃料,是非常突出的能源載體,甚至未來可以替代氫!

李理光也認為,雖然現在技術還不是很成熟,但是氨能作為一個新的零碳趨勢,頗具現實意義。

文:張雅慧 編輯:薛亞培 版式:趙方婷


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