氫和氨在應(yīng)對(duì)凈零排放挑戰(zhàn)中的作用

氣候變化：科學(xué)與解決方案氫和氨THEROYALSOCIETY氫和氨在使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生碳排放，因此在凈零經(jīng)濟(jì)中潛力十分巨大。這兩種都屬于多功能型燃料，生產(chǎn)及使用方式多種多樣，包括可再生能源生產(chǎn)以及難以進(jìn)行脫碳的應(yīng)用領(lǐng)域，例如重型運(yùn)輸、工業(yè)和熱能，以及能源的儲(chǔ)存和運(yùn)輸。這兩種燃料已廣泛應(yīng)用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)，但目前的生產(chǎn)模式所產(chǎn)生的溫室氣體足跡依然很高。無(wú)論是現(xiàn)有還是新型應(yīng)用，均可以通過(guò)生產(chǎn)脫碳而實(shí)現(xiàn)顯著的溫室氣體減排。然而，這兩種燃料目前都面臨一定的挑戰(zhàn)，有待技術(shù)進(jìn)步才能解決，包括燃料的生產(chǎn)、儲(chǔ)存和使用，特別是實(shí)現(xiàn)生命周期凈零排放的成本。對(duì)于氫和氨在具體實(shí)踐中，可能會(huì)對(duì)哪些領(lǐng)域產(chǎn)生關(guān)鍵影響的確定，仍需進(jìn)一步?氫和氨有潛力成為具有競(jìng)爭(zhēng)力的凈零能源來(lái)源和多種應(yīng)用的能源載體。為了更準(zhǔn)確地評(píng)估這種潛力，需要?應(yīng)優(yōu)先在重工業(yè)和重型車(chē)輛、鐵路、航運(yùn)以及能源儲(chǔ)存等具有很大潛力成為領(lǐng)先的低成本低碳替代方案的?在工業(yè)合作伙伴集群進(jìn)行大規(guī)模示范工作，通常是最具成本效益的方式，其中最適合的通常為港口地區(qū)，?在基礎(chǔ)設(shè)施等方面開(kāi)展國(guó)際合作，有助于在當(dāng)前試點(diǎn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上發(fā)展本文提出的成果，同時(shí)應(yīng)充分結(jié)合2氫是宇宙中含量最多的元素，也是公認(rèn)的能源載體。氫可用于運(yùn)輸、熱能、電力和能源儲(chǔ)存，而且，使用過(guò)程中不會(huì)排放溫室氣體，因此在凈零經(jīng)濟(jì)中具有巨大的潛力。氨是氫和氮產(chǎn)物稱為“灰”氫1。每年用于制造灰氫的天然氣除燃料中的硫等雜質(zhì)而用于氨合成的比例3。其他應(yīng)用則使用氫氣作為一種氣體混合物成分，包括工業(yè)應(yīng)用和化學(xué)制造中所用甲醇的生產(chǎn)，以及使用電弧爐工藝對(duì)鐵進(jìn)行還原，從而實(shí)現(xiàn)鋼鐵的生產(chǎn)。純氫的需求量每年氫是最輕的一種元素，體積能量密度較低，難以儲(chǔ)存和運(yùn)輸，在許多實(shí)際應(yīng)用中均需進(jìn)行壓縮或液化處理。這些需求均意味著，如今氫氣的生產(chǎn)通常需要就近完成。然而，美國(guó)墨西哥灣沿岸地區(qū)、德國(guó)和比荷盧三國(guó)等國(guó)家均有專氣及氫氣在高溫高壓的條件下及催化劑的作用下產(chǎn)生的氣體6。氨最為常見(jiàn)的用途是生產(chǎn)化3如今的SMR和哈伯法都依賴于對(duì)天然氣和煤炭等化石燃料的使用。氫生產(chǎn)每年排放8.3億噸CO2(MtCO2/yr)，而氨生產(chǎn)為420MtCO2/yr，加起來(lái)約占年度全球溫室氣氫和氨都會(huì)引發(fā)一些需要進(jìn)行管理的安全問(wèn)題。氫氣的閃點(diǎn)很低，相比汽油低很多，例彌散迅速，從而可以降低風(fēng)險(xiǎn)11,3。在設(shè)計(jì)氫氣系統(tǒng)時(shí)，十分必要的一點(diǎn)就是保持空氣流通，氨氣具有腐蝕性和毒性，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，高蒸氣壓會(huì)導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)增加。不過(guò)，氨氣在達(dá)到一定濃度后，便很容易通過(guò)氣味覺(jué)察出來(lái)，然而此時(shí)的濃度遠(yuǎn)未達(dá)到產(chǎn)生持久性健康危害的了數(shù)十年，但對(duì)于新的應(yīng)用領(lǐng)域而言，仍需重從環(huán)境角度出發(fā)同樣需要對(duì)氨氣的新應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行評(píng)估，因?yàn)榘被柿蠒?huì)通過(guò)氧化亞氮產(chǎn)生生物多樣性下降，此外，氨氣還會(huì)與其他污染物反應(yīng)形成顆粒物，進(jìn)而造成空氣污染。研究對(duì)于兩種情況而言，即便有些看法并未反映出真實(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，公眾接受度都會(huì)面臨一定的氣候變化：科學(xué)與解決方案氫和氨氫和氨為低碳能源的供應(yīng)創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，能推動(dòng)2050年凈零排放目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。然而，根本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)這兩種物質(zhì)的脫碳生產(chǎn)，因?yàn)槟壳捌渖a(chǎn)均為重工業(yè)生產(chǎn)，行業(yè)層面的碳足跡遠(yuǎn)大于制氫的方法有多種，每種方法的碳足跡各不石燃料（通常為天然氣）制成的?？梢允褂脗鹘y(tǒng)的SMR技術(shù)，而目前正在探索新型技術(shù)，原料而非單獨(dú)燃燒天然氣來(lái)提供能量14。雖然這項(xiàng)技術(shù)無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)凈零目標(biāo)，但據(jù)估計(jì)，種變化形式，包括新型膜、溶劑、吸附劑和催甲烷是一種強(qiáng)效溫室氣體，因此必須小心預(yù)藍(lán)氫目前已經(jīng)大規(guī)模運(yùn)行，例如，在美國(guó)德克“綠”氫是利用可再生電力，通過(guò)電解分離出水中的氫，從而實(shí)現(xiàn)零碳的一種制氫方式。目前最成熟的技術(shù)為堿性電解槽，但對(duì)于間歇式可再生能源的應(yīng)用而言效果不佳。聚合物電解質(zhì)源的波動(dòng)反應(yīng)迅速，處于早期部署階段。固體高，發(fā)展尚不成熟，但效率可能更高。綠氫依賴可再生電力，因此可能會(huì)受到可再生能力水平的限制。例如，如果目前全球使用的所有氫均依賴于電解生產(chǎn)，那么每年將需要3600太其他可能途徑包括通過(guò)甲烷熱解制成的“藍(lán)綠”氫——在無(wú)氧環(huán)境中進(jìn)行加熱，這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生行電解產(chǎn)生的“粉紅”氫。核電也可以提供零碳），其他途徑包括生物方法，即基于厭氧分解變化“綠”氫是利用可再?gòu)亩鴮?shí)現(xiàn)零碳的4圖1氫核電力--'氫核電力--'廠廠氣候變化：科學(xué)與解決方案氫和氨通過(guò)采用目前的哈伯法工藝，利用煤炭制取的氨稱為“棕氨”，而使用天然氣制取的氨則稱為“灰氨”。由藍(lán)氫和綠氫產(chǎn)生的氨分別稱為藍(lán)氨和綠氨。如果要將排放降至最低，則需要可再生電力作為哈伯法工藝制取藍(lán)氨和綠氨的能量來(lái)源（圖2）。對(duì)于電力、運(yùn)輸、熱能和能源儲(chǔ)存凈零目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)而言，氫和氨可謂潛力巨大。然而，在實(shí)際中，某些應(yīng)用領(lǐng)域可能在不同時(shí)間范圍內(nèi)都有更適合的替代技術(shù)，而且成本也更低，例如諸多應(yīng)用領(lǐng)域均涉及結(jié)合氫氧（空氣來(lái)源）的燃料電池，無(wú)需燃燒即可制取清潔的電能、熱能和水能。2019年，燃料電池的產(chǎn)量突破了1千兆瓦(GW)大關(guān)，預(yù)計(jì)將像鋰離子電池一樣，轉(zhuǎn)向量產(chǎn)“千兆瓦工廠”，從而繼續(xù)大幅氨的體積能量比氫高，一些特定應(yīng)用領(lǐng)域已開(kāi)始考慮使用氨（圖3）。在必要情況下，可以在運(yùn)輸后將氨進(jìn)行“裂解”，分解為氫或者氨氫混合物。同時(shí)，也可以直接用于高溫固體氧化熱能和能源儲(chǔ)存Committee)發(fā)布的《第六次碳預(yù)算》(Sixth綠氫或藍(lán)氫的總?cè)萘繉U(kuò)大到相當(dāng)于目前電力領(lǐng)域的近三分之一，并推廣到不太適合電氣化的領(lǐng)域，特別是工業(yè)和航運(yùn)領(lǐng)域20?；陔娊馑茪浜凸üに囃耆撎嫉木G氨生產(chǎn)原理示意氫氫水水6氫在工業(yè)中具有廣泛的潛在應(yīng)用。當(dāng)前應(yīng)用領(lǐng)域包括合成氨、甲醇和鋼鐵的提煉和生產(chǎn)，在使用綠氫或藍(lán)氫的情況下，便可以減少或消除除了當(dāng)前應(yīng)用之外，零碳?xì)溥€可以用于高溫?zé)嵩匆约斑€原和反應(yīng)過(guò)程。一份英國(guó)報(bào)告指出，將被氫取代23。瑞典的一家商用鋼廠首次將氫用于煉鋼生產(chǎn)的高溫加熱24。在工業(yè)中，氨還可用于高溫過(guò)程燃燒，而且已用于精煉中的硫回收25。目前，重型車(chē)輛的電池能量密度無(wú)法提供遠(yuǎn)程解決方案，而氫燃料電池或氫源燃料則提供了(FCEV)更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，而且技術(shù)已經(jīng)成熟，因此，氫燃料汽車(chē)在汽車(chē)市場(chǎng)的發(fā)展前景并交車(chē)中的使用能夠形成大規(guī)模的供應(yīng)鏈，那么截至2020年，氫燃料汽車(chē)持有量最高的國(guó)家氣候變化：科學(xué)與解決方案氫和氨叉車(chē)可謂是氫燃料電池的一大利基市場(chǎng)。目前，氫燃料叉車(chē)的數(shù)量已超出氫燃料小型汽航運(yùn)碳排放強(qiáng)度至少降低40%，而低碳氨是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)強(qiáng)有力的候選燃料，因此對(duì)所有海運(yùn)國(guó)家/地區(qū)而言均裨益無(wú)窮33。目前，為了確保以氨為燃料運(yùn)行的大型燃料電池能夠安全有效地為艦載系統(tǒng)提供電力，已陸續(xù)開(kāi)展一些項(xiàng)目。具體包括計(jì)劃對(duì)日本的一艘大型散貨船安裝氨燃料系統(tǒng)，以及在世界上最大的滾裝郵輪——挪威彩色幻想號(hào)上安裝氨燃料系統(tǒng)試航德國(guó)已投入運(yùn)行氫燃料電池驅(qū)動(dòng)列車(chē)，荷蘭和英國(guó)等國(guó)家也在開(kāi)展試驗(yàn)。對(duì)于未實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路建設(shè)的路線，氫燃料列車(chē)可謂是零碳之選3。而在此方面所面臨的挑戰(zhàn)包括儲(chǔ)存問(wèn)題，因?yàn)槿剂闲枨罅看蠹s是柴油的8倍，而如果使用電解燃料，對(duì)可再生能源的需求又航空工業(yè)也在探索氫和氨燃料的使用。例如，與此同時(shí)，英國(guó)的一個(gè)項(xiàng)目正在探索一種新型技術(shù)，希望將部分綠氨分解成氫氣，制造出一種混合燃料，通過(guò)穩(wěn)定燃燒模擬航空燃料，從而使現(xiàn)有的引擎和飛機(jī)實(shí)現(xiàn)零排放燃料的使用38。反應(yīng)而生產(chǎn)出用途廣泛的合成燃料。這種燃料可能會(huì)成為航空機(jī)隊(duì)的一種低碳型普適性替代氫氣可以在地下洞室中以氣態(tài)形式進(jìn)行壓縮，也可以進(jìn)行液化處理，或者（對(duì)于無(wú)人機(jī)之類(lèi)的小型應(yīng)用）結(jié)合到金屬氫化物等固態(tài)材料中。儲(chǔ)存時(shí)，氫必須以氣體形式壓縮至大氣壓料廣泛用于礦物肥料，因此儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展已氫和氨都是應(yīng)對(duì)電力需求季節(jié)性變化的首選，也可以作為可再生能源間歇性發(fā)電的短期后備之選。此外，還可以將氫或氨用于將太陽(yáng)能和風(fēng)能充足地區(qū)的可再生能源所產(chǎn)生的能源輸送氫或氨還可以使用燃料電池或者驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電41,42。目前已開(kāi)始規(guī)劃使用燃料電池的千兆瓦級(jí)發(fā)電廠工作，而較小規(guī)模的發(fā)電廠已接在渦輪機(jī)中燃燒發(fā)電。然而，這一過(guò)程需要對(duì)設(shè)備和工藝進(jìn)行更改，雖然制造商正在開(kāi)發(fā)可充氫的渦輪機(jī)，但這種技術(shù)尚未得到大規(guī)模陽(yáng)光和風(fēng)能充足的國(guó)家，包括許多低收入國(guó)家，可以將所產(chǎn)生的能源以氫或氨的形式儲(chǔ)存起來(lái)，用于多種用途，從工業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)接糜诰o急服務(wù)的電力和偏遠(yuǎn)地區(qū)的能源供應(yīng)等方方面面45。氫和氨都是應(yīng)對(duì)電力需求季節(jié)性變化的首選，也生能源間歇性發(fā)8同時(shí)，氫也是住宅建筑供熱的一種可能途徑，可以完全或部分取代天然氣，盡管就規(guī)模而言可能存在相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。每戶的鍋爐和炊具改裝費(fèi)用估計(jì)在2000至4000英鎊之間46。氫氣還會(huì)導(dǎo)致鋼管及鐵管脆化，不過(guò)英國(guó)等國(guó)家正在研究鋼管材質(zhì)的轉(zhuǎn)換，從金屬改裝為塑料47。純氫試驗(yàn)項(xiàng)目包括荷蘭鹿特丹的一座公寓樓，以及德國(guó)霍爾茲威克德的住宅48,49。其他項(xiàng)目則是將氫氣和天然氣混合用于住宅供計(jì)劃擴(kuò)大氫供暖與烹調(diào)試驗(yàn)的規(guī)模，在2023年擴(kuò)大到一個(gè)社區(qū)，2025年擴(kuò)大到一個(gè)村莊，2030年擴(kuò)大到一座城鎮(zhèn)52。住宅供熱的主氫能滿足大約四分之一的能源需求54。英國(guó)和的發(fā)展路線是，在2040年之前生產(chǎn)600萬(wàn)輛同時(shí)，氫氣還掀起了一股新的商業(yè)熱潮。近年來(lái)，私營(yíng)部門(mén)交易量激增。例如，總部位于加拿大的燃料電池領(lǐng)頭企業(yè)氫燃料電池公司收購(gòu)57；總部位于英國(guó)的電解槽領(lǐng)先制造商生能源開(kāi)發(fā)氫氣58；總部位于英國(guó)的CeresPower主營(yíng)燃料電池堆開(kāi)發(fā)制造工作，目前計(jì)劃中的藍(lán)氫項(xiàng)目包括在公共部門(mén)扶持下，公司集團(tuán)之間開(kāi)展合作，圍繞的問(wèn)題主要是擁有產(chǎn)業(yè)集群的港口和海底儲(chǔ)存通道。這類(lèi)項(xiàng)目包目，而共同的最終計(jì)劃是將英國(guó)工業(yè)排放脫碳目前已有幾大千兆瓦級(jí)綠氫項(xiàng)目正式宣布，包其他項(xiàng)目計(jì)劃將綠氫轉(zhuǎn)換為氨進(jìn)行出口。在澳目將面向澳大利亞和亞洲出口市場(chǎng)生產(chǎn)綠氫和氨氣66,67。該項(xiàng)目位于紅海沿岸的沙特阿拉伯氣候變化：科學(xué)與解決方案氫和氨9隨著成本的下降、效率的提高以及各個(gè)領(lǐng)域不斷推出的最佳解決方案，氫氣和氨氣的潛力將工業(yè)學(xué)習(xí)速度的加快，綠氫和藍(lán)氫在未來(lái)十年競(jìng)爭(zhēng)力可能會(huì)明顯增加69。歐盟估計(jì)，目前灰$2.40/kg，綠氫的生產(chǎn)成本為$3.00–如需提高藍(lán)氫相比灰氫的競(jìng)爭(zhēng)力，需將碳價(jià)格控制在€55-90t/CO2范圍內(nèi)65,70估計(jì)，到2030年，可再生氫的生產(chǎn)成本可能氫將在2028年左右達(dá)到成本平價(jià)，而其中的一大關(guān)鍵要素就是可再生電力成本50。傳統(tǒng)的“棕”氨生產(chǎn)仍然是最便宜的方式，成本在每公噸$280以內(nèi)，不過(guò)，若僅捕集放，藍(lán)氨幾乎可以與之競(jìng)爭(zhēng)。綠氨的成本會(huì)受當(dāng)?shù)乜稍偕茉闯杀镜挠绊?，因此差別很大，在太陽(yáng)能和風(fēng)能資源充裕的地區(qū)，甚至可以與人們普遍認(rèn)為，在可能的情況下，最佳的使用方式就是直接使用可再生電力，但在沒(méi)有直接出路的情況下，將其轉(zhuǎn)化為氫氣可能是最行之對(duì)于氫而言，生產(chǎn)地最常用的方法就是直接使用，而如果不能立即或現(xiàn)場(chǎng)使用，則可以儲(chǔ)存起來(lái)，通過(guò)管道運(yùn)輸、液化處理或者通過(guò)船舶或管道拖車(chē)運(yùn)輸用于電力。如果仍不可行，可以將其轉(zhuǎn)化為氨或其他載體進(jìn)行運(yùn)輸，之后再轉(zhuǎn)化為氫。如果不進(jìn)行再轉(zhuǎn)化，氨可以直接用于傳統(tǒng)的化肥和制冷用途。氨氣專家還強(qiáng)調(diào)，氨氣的密度和“可燃性”比較特殊，適合直接用低碳?xì)涞膬?yōu)點(diǎn)在于可減少目前使用（氨的生產(chǎn)、精煉和化學(xué)品）的碳足跡。接下來(lái)最有可能的應(yīng)用包括發(fā)電及重型運(yùn)輸車(chē)輛的燃料電池和工業(yè)直接燃?xì)溽尫艧崮?；其次是長(zhǎng)期能源儲(chǔ)對(duì)于氫或氨被認(rèn)為是最佳方式的地方，短期投資可側(cè)重于開(kāi)展示范項(xiàng)目和基礎(chǔ)設(shè)施試驗(yàn)來(lái)擴(kuò)大規(guī)模，可以通過(guò)挑戰(zhàn)資金或經(jīng)費(fèi)進(jìn)行激勵(lì)。對(duì)于具有增長(zhǎng)條件的情況，例如工業(yè)港口附近和卡車(chē)車(chē)隊(duì)，可以迅速開(kāi)展示范項(xiàng)目。藍(lán)氫可能在短期內(nèi)發(fā)展迅猛，特別是對(duì)于資金由企業(yè)集群和公共部門(mén)共享的情況。而對(duì)于綠氫，則10為了充分發(fā)揮氫和氨的潛力，推動(dòng)凈零目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，需要應(yīng)對(duì)諸多研究挑戰(zhàn)，再大規(guī)模進(jìn)行于重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。開(kāi)發(fā)改良電極以及新型催所有能量轉(zhuǎn)換途徑進(jìn)行研究。在催化、電催化、膜、電化學(xué)和電化學(xué)工程等領(lǐng)域均存在鉑和銥氧化物，而這進(jìn)一步引發(fā)了礦物可用政策制定者現(xiàn)在可以采取行動(dòng)，鼓勵(lì)這類(lèi)能氫和氨是實(shí)現(xiàn)凈零能源組合的關(guān)鍵要素，特別是在能源密集型地區(qū)。但這并非唯一的選擇，如果決策者希望確定氫和氨與替代方案相比的全部可能性，則需要加快研究、開(kāi)發(fā)和示范項(xiàng)目的工作本簡(jiǎn)報(bào)只是探討科學(xué)技術(shù)在全球?qū)崿F(xiàn)凈零排放和適應(yīng)氣候變化中作用的系列簡(jiǎn)報(bào)中的一篇。世界各國(guó)都在制定各自在本簡(jiǎn)報(bào)只是探討科學(xué)技術(shù)在全球?qū)崿F(xiàn)凈零排放和適應(yīng)氣候變化中作用的系列簡(jiǎn)報(bào)中的一篇。世界各國(guó)都在制定各自在本文中的文本根據(jù)《創(chuàng)作共用署名許可協(xié)議》(CreativeCommonsAttributionLicense)條款授權(quán)使用，該協(xié)議允許在注明原作者和出處來(lái)源的氣候變化：科學(xué)與解決方案氫和氨2