中國儲能網(wǎng)訊：氫能儲運困難的問題限制了其大規(guī)模開發(fā)利用，亟需尋求能夠?qū)崿F(xiàn)其低成本、長距離、大規(guī)模儲運的解決方案。氨和甲醇在工業(yè)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，兩者制備原料均涉及氫氣且可通過裂解反應(yīng)生產(chǎn)氫氣，因此可作為氫的化學儲運介質(zhì)。
氫能的利用背景
隨著“雙碳”目標的提出，可再生能源進入高速發(fā)展時期。當前，我國光伏、風電的裝機容量和裝機速度均已位居世界前列，有效緩解了煤電帶來的二氧化碳、污染物排放問題，減少了化石燃料發(fā)電對能源資源的依賴。
同時，可再生能源的大規(guī)模發(fā)展也帶來了一些問題。首先，可再生能源發(fā)電具有很高的不可控性和不穩(wěn)定性，如光伏在晚間和陰雨天無法發(fā)電，風電存在反調(diào)峰特性，都會對電能質(zhì)量和供應(yīng)安全造成沖擊；其次，我國可再生能源資源分布地域差異顯著，西北地區(qū)風電資源豐富，三北地區(qū)光伏資源豐富，但大規(guī)模的可再生能源電量難以完全就地消納，而目前這些地區(qū)的輸配電基礎(chǔ)設(shè)施又難以滿足如此大量的電力外送。未來，深遠海海上風電的大規(guī)模開發(fā)建設(shè)將繼續(xù)加劇該類問題。
儲能是降低可再生能源發(fā)電波動，緩解線路堵塞問題的重要手段。目前已經(jīng)或有望實現(xiàn)大規(guī)模利用的儲能技術(shù)主要有抽水蓄能、電化學儲能、飛輪儲能、超級電容儲能等。其中，應(yīng)用最廣泛的抽水蓄能建設(shè)周期長且項目建設(shè)受地形限制；而近年來發(fā)展最迅速的電化學儲能（以鋰離子電池儲能為主）在大規(guī)模應(yīng)用時會面臨火災(zāi)安全隱患提高的風險；其他類型的儲能面臨技術(shù)或成本問題均暫未實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。更為重要的是，要實現(xiàn)“雙碳”目標還需考慮如何解決綠電難以實現(xiàn)的減碳問題，比如零碳原料對化石原料的替代。
綜上所述，將綠色電能轉(zhuǎn)化為綠色原料的相關(guān)技術(shù)值得深入探究，氫能的開發(fā)利用近年來已逐步成為國內(nèi)外能源電力領(lǐng)域關(guān)注的熱點和重點。
氫能利用現(xiàn)狀及面臨問題
氫能是一種來源廣泛、清潔環(huán)保、無碳排放、應(yīng)用場景眾多的二次能源，兼具原料和燃料雙重屬性，是本輪全球能源革命的重點。
我國對氫能發(fā)展的關(guān)注非常重視，早在2019年兩會期間，氫能首次被寫入《政府工作報告》。在2022年3月，《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021－2035年）》明確指出氫能是我國未來能源體系的重要組成部分，象征著我國氫能逐漸進入了快速發(fā)展時期。
氫能可以被認為是可再生能源開發(fā)利用和推動各行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排的中間樞紐：在制取方面，氫氣既可以由目前工藝成熟的煤、天然氣等化石能源制備，也可以通過谷電、富余核電或風光電解水制備，來源較為廣泛；在利用方面，氫能可以通過氫燃機、燃料電池等發(fā)電，也可以替代化石能源制氫用于石化、化工行業(yè)，還可以用于交通運輸、分布式發(fā)電等新興領(lǐng)域。
通過上述渠道，氫能可以有效促進可再生能源的高效利用和其他行業(yè)的減碳。同時，氫能還可以作為重要的調(diào)節(jié)資源實現(xiàn)可再生能源發(fā)電的長期儲存和跨地區(qū)、跨行業(yè)利用。
在氫能產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)中，儲存是其他各項技術(shù)的基礎(chǔ)。在常溫常壓下，氫氣的密度為0.089克每升，僅為空氣的1/14；而將氫氣液化需要零下253攝氏度的超低溫。氫的物化性質(zhì)為其儲運帶來巨大難題，也使得氫能儲運成為了限制其大規(guī)模開發(fā)利用的痛點問題。
長管拖車的氫能運輸經(jīng)濟距離在200公里以內(nèi)，但更長距離的運輸將會降低經(jīng)濟性。液氫技術(shù)是有望實現(xiàn)氫能大規(guī)模、長距離儲運的關(guān)鍵技術(shù)，但國內(nèi)的液氫技術(shù)與國際先進水平存在較大差距，基本只用于航天領(lǐng)域。國內(nèi)在運輸氫管道總長度不足100公里，受技術(shù)、安全性等因素制約，目前仍處于小范圍試驗和應(yīng)用階段。
為了克服氫能的長距離儲運及利用難題，一些間接氫儲存、利用技術(shù)開始得到關(guān)注。其中，儲氫合金和碳材料合金還未實現(xiàn)商業(yè)化，尚難滿足實際應(yīng)用要求。氨和甲醇是目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的重要化工產(chǎn)品和原料，生產(chǎn)原料均有氫氣（目前主要為化石能源制氫），生產(chǎn)技術(shù)成熟。氨和甲醇均可以通過催化裂解反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氫氣，成為氫能的化學儲存介質(zhì)。更重要的是，氨非常容易液化，而甲醇在常溫下即為液體，兩者儲運方便且技術(shù)成熟。因此，氨和甲醇被認為是氫能利用和促進氫能儲運的重要手段。
氨技術(shù)
氨的性質(zhì)
氨是一種重要的基礎(chǔ)化工原料，廣泛用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域。目前氨儲運技術(shù)、相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施、輸運標準均已發(fā)展成熟，且液氨儲存效率高，單罐可儲存液氨4萬噸。在能源領(lǐng)域，氨作為高溫零碳燃料和高效儲氫介質(zhì)，具有以下幾點優(yōu)勢：
首先，氨的液化儲運成本低。氨液化容易（零下33攝氏度或室溫10千克大氣壓），1千克液氨公路運輸100公里運費為0.08元（不到氫的1%）。1輛40噸的罐裝運輸車可運輸26噸液氨（約含4.5噸氫），載氫量較長管拖車（載氫量不到300千克）提高1個數(shù)量級，運氨成本（約0.001元/千克/公里）較運氫成本（0.02～0.10元/千克/公里）呈數(shù)量級降低。
其次，氨的爆炸風險低。氨的火災(zāi)危險性為乙類，爆炸極限（16%～25%）較氫（4%～76%）更窄，因此利用過程更安全。其刺激性氣味是可靠的警報信號。
但氨的燃燒速率低（最大層流燃燒速度僅為0.07米每秒，天然氣為0.37米每秒，氫氣為2.91米每秒），點火能量高（為8兆焦耳，天然氣為0.28兆焦耳，氫氣為0.11兆焦耳）。
氨的來源
工業(yè)合成氨已有一百多年發(fā)展歷史，針對氨的生產(chǎn)、儲運及使用已形成了完備的產(chǎn)業(yè)鏈、行業(yè)標準及安全規(guī)范，目前氨是可以由萬噸級液化氣船運輸?shù)膰H交易產(chǎn)品。我國以煤制氫氣合成氨為主，由于天然氣資源相對匱乏，合成氨成本相對較高。在國外尤其資源豐富地區(qū)（如中東），利用天然氣合成氨的成本遠低于國內(nèi)，即使加上運費（中東至我國約400元每噸）依然具備價格優(yōu)勢。
傳統(tǒng)合成氨工藝被稱為哈伯-博施法，是利用化石燃料制備的氫氣與空氣分離的氮氣反應(yīng)來實現(xiàn)，其基本反應(yīng)原理為N2+3H2=2NH3，該反應(yīng)具有可逆性，在一定條件下能夠?qū)睔廪D(zhuǎn)化為氫氣。由于氨氣容易液化和運輸，因此可以將氫氣合成氨氣后運輸并在需要時將氨氣轉(zhuǎn)化為氫氣實現(xiàn)氫能的儲存和釋放。將傳統(tǒng)合成氨工藝中的化石能源制氫用綠氫替代，則可以實現(xiàn)綠氨的生產(chǎn)，并進一步促進綠氫的儲運和利用。
除了哈伯-博施法，氨氣新合成技術(shù)主要有低溫低壓合成氨、光/電催化合成氨等。新合成技術(shù)旨在降低能耗，但目前效率低、壽命短，短期內(nèi)無法得到商業(yè)化應(yīng)用。
低溫低壓合成綠氨。2022年3月，以色列的GenCell能源公司宣布，他們可使水在極低的溫度和壓力下直接生產(chǎn)綠色氨。日本技術(shù)提供商TDK公司宣布計劃繼續(xù)投資和開發(fā)GenCell創(chuàng)新的零排放綠色氨合成項目。
光/電催化合成氨。目前化學化工領(lǐng)域最熱門的課題之一，通過光/電催化反應(yīng)直接催化空氣中氮氣生產(chǎn)氨氣。該技術(shù)難度高，目前轉(zhuǎn)化效率低，使用壽命短，尚處于實驗室研發(fā)階段。
氨的儲運及利用
目前，氨氣被認為是一種應(yīng)受到相關(guān)標準及法規(guī)管制的有害物質(zhì)，其處理需要專業(yè)知識和技能，針對氨的貯存及運輸，我國已制定相應(yīng)標準，如《液氨貯存和運輸技術(shù)要求》（GB/T 40060－2021）。氨作為有毒物質(zhì)，需要采用鋼瓶或槽車罐裝，罐裝鋼瓶或槽車應(yīng)符合國家勞動局頒發(fā)的“氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程”“固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程”等有關(guān)規(guī)定。氨儲運設(shè)計和運用已經(jīng)得到立法，安全的利用技術(shù)已經(jīng)確立。總體而言，氨氣的儲運技術(shù)較為成熟，相關(guān)標準及規(guī)定較為完善，具備一定的應(yīng)用基礎(chǔ)。
在工業(yè)領(lǐng)域，氨已在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、制冷等細分行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，通過綠氫代替化石能源制氫合成氨，可促進各類產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)綠色升級。這方面的技術(shù)核心為綠氫對于灰氫的替代；在能源領(lǐng)域，氨燃燃燒技術(shù)和氨燃料電池技術(shù)可減少化石燃料的使用，降低碳排放。同時，可通過氨能制氫促進氫能利用。
氨能的利用可以分為直接氨利用技術(shù)和間接氨利用技術(shù)（氨轉(zhuǎn)氫）。直接利用技術(shù)包括傳統(tǒng)用氨工業(yè)、氨燃燒技術(shù)、氨燃機、氨內(nèi)燃機、直接氨燃料電池等，將氨的化學能直接轉(zhuǎn)化為動能、電能等利用。間接利用技術(shù)是將氨氣催化重整為氫氣用于工業(yè)、能源、交通（加氫站）等領(lǐng)域，氨主要起載體作用促進氫的儲存、運輸。
氨能的綠色利用途徑如下圖所示，其實現(xiàn)基礎(chǔ)為基于可再生能源綠氫替代灰氫實現(xiàn)綠氨的制備。合成的綠氨可以直接用于原有氨工業(yè)和直接氨能源技術(shù)，如（摻）氨燃機、氨燃料電池等。同時，綠氨可以作為綠氫的儲運介質(zhì)實現(xiàn)長距離運輸，通過催化重整、分離純化等技術(shù)得到高純度氫，可以用于加氫站或者經(jīng)短距離運輸后用于工業(yè)、分布式能源、化工領(lǐng)域。
氨的燃點為651攝氏度，點火溫度較高且燃燒緩慢，容易發(fā)生斷火，因此需要對燃燒器進行改進或采用混氨燃燒模式。目前國內(nèi)的混氨燃燒技術(shù)，已實現(xiàn)了40兆瓦燃煤鍋爐燃燒35%比例混氨燃料，氨氣燃盡率達到99.99%。在交通領(lǐng)域，挪威海工船船東Eidesvik和瓦錫蘭曾對一艘海洋工程輔助船（Offshore Support Vessel，OSV）進行改裝，這也是全球首次在OSV上應(yīng)用氨燃料驅(qū)動，改裝后可使用70%的混合氨燃料來運行。而其最終目標是要在最低燃點燃料需求的條件下，實現(xiàn)100%氨燃料作為動力。
氨燃料電池技術(shù)是另一項值得關(guān)注的重點，包括直接氨燃料電池和間接氨燃料電池等。直接氨燃料電池直接使用氨氣作為燃料，氨氣進入陽極，分解成氮和氫，質(zhì)子穿過電解質(zhì)與陰極側(cè)氧氣反應(yīng)生成水，也是一種零碳的應(yīng)用方式。但該技術(shù)難度高，尚處于實驗室研究階段，短時間內(nèi)難以實現(xiàn)實際應(yīng)用。間接氨燃料電池是利用了氨的氫能載體作用，通過間接氨電池系統(tǒng)中的裂解制氫系統(tǒng)使氨氣中的氮-氫分離，以生產(chǎn)出高純度氫氣供氫燃料電池系統(tǒng)工作。液氨的體積能量密度是液氫的1.53倍，這種方式可以解決重型車輛長續(xù)駛里程難題，但缺點是系統(tǒng)較為復雜，需要較高溫度對氨氣進行催化重整制氫，短期內(nèi)有望成為促進氫能和氫燃料電池發(fā)展的重要手段。
目前限制氨氣作為燃料利用的主要因素還有一點：氨氣的利用成本較高。雖然氨氣單價便宜，但其熱值較低。根據(jù)換算，1立方米天然氣與2.8立方米氫氣或2.4立方米氨氣的熱值相等。由對比中可得，實現(xiàn)零碳綠氨燃料綜合利用成本低于天然氣，是利用氨氣作為能源利用實現(xiàn)“雙碳”目標的重要保證。
氨是已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的化學品，制備、儲運、利用方面均有成熟技術(shù)。氨可以由綠氫制備，又能夠通過催化裂解反應(yīng)重新得到氫氣，從而促進氫的儲運。將氨作為燃料可以實現(xiàn)零碳排放。因此氨有望成為提高可再生能源利用效率、促進氫能利用、降低碳排放的重要手段。
但氨氣作為燃料時主要面臨著如何實現(xiàn)可控點火、如何實現(xiàn)穩(wěn)定高溫燃燒，以及如何降低氮氧化物等污染物排放的三大技術(shù)挑戰(zhàn)。
甲醇技術(shù)
甲醇的性質(zhì)
甲醇既是重要化工原料，也是一種燃料，根據(jù)其化學屬性，其具有能量載體、便攜燃料、化工原料3種重要角色。與氨類似，甲醇也已經(jīng)建立了成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，已經(jīng)在油氣、樹脂、塑料、粘結(jié)劑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時甲醇也能夠通過催化裂化反應(yīng)制備氫氣，因此同樣可以作為氫能的載體促進氫能的儲運和應(yīng)用。甲醇作為能源載體，與乙醇、氫氣、氨等類似，可以充當清潔能源。與上述能源分子相比，甲醇具備如下優(yōu)勢：
首先，與乙醇不同，甲醇不依賴糧食發(fā)酵釀造，不會引起相關(guān)糧食問題。甲醇加入添加劑之后可與汽油保持長時間混合穩(wěn)定。其次，利用氫氣合成甲醇和甲醇儲運技術(shù)成熟，且甲醇更容易儲存和運輸。甲醇催化重整制氫技術(shù)成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)氫氣和甲醇之間的可逆轉(zhuǎn)化，可以促進氫的儲運。最后，氨燃燒速度慢、點火能量高，因此氨氣燃燒穩(wěn)定性差。而甲醇燃燒速度快于氨、點火能夠量低，因此甲醇燃燒穩(wěn)定性好。
但由于甲醇易揮發(fā)，被吸入和接觸均有劇毒，且對于金屬、橡膠等物質(zhì)具有較強腐蝕性，相關(guān)安全問題值得重視。
甲醇的生產(chǎn)
傳統(tǒng)的甲醇生產(chǎn)是利用煤、天然氣等化石燃料與水和氧氣反應(yīng)得到合成氣原料（碳氧化合物和氫氣）。我國是世界最大的甲醇生產(chǎn)和消費國，2021年全國甲醇產(chǎn)能81%為煤制甲醇，其余主要為油氣制甲醇。因此采用綠氫和二氧化碳捕集技術(shù)替代化石能源合成氣中的氫和碳氧化物，實現(xiàn)“綠氫+CO2”技術(shù)的開發(fā)利用有助于實現(xiàn)甲醇產(chǎn)業(yè)的綠色升級轉(zhuǎn)型。在現(xiàn)階段甲醇生產(chǎn)研究和示范中，既可以同時利用碳捕集二氧化碳和綠氫生產(chǎn)甲醇，也可以按照具體條件分別利用二者之一（“碳捕集+灰氫、藍氫”）開展示范項目建設(shè)。
甲醇的利用
甲醇儲運技術(shù)成熟，可通過鐵路、輪船、卡車等多種方式運輸。作為重要的工業(yè)原料，在化工合成、油氣生產(chǎn)等領(lǐng)域，甲醇技術(shù)成熟并得到廣泛應(yīng)用。結(jié)合二氧化碳捕集技術(shù)生產(chǎn)甲醇并用于塑料、樹脂等生產(chǎn)，則可以實現(xiàn)固碳目的。甲醇的燃燒過程涉及碳排放，需要結(jié)合二氧化碳捕集技術(shù)實現(xiàn)碳封閉循環(huán)。
具體而言，甲醇的利用技術(shù)包括：在工業(yè)領(lǐng)域，甲醇是一種用于合成碳氫化合物（二甲醚、甲酸、乙酸、乙醇、烯烴、合成烴）、聚合物甚至單細胞蛋白質(zhì)等在內(nèi)的許多產(chǎn)品生產(chǎn)的原料，從而將二氧化碳固化在產(chǎn)品中；甲醇本身是一種品質(zhì)優(yōu)良的燃料，可以摻雜汽油作為含氧添加劑；甲醇還可應(yīng)用于內(nèi)燃機（Internal Combustion Engine，ICE）、壓縮點火式發(fā)動機上；甲醇是一種便利的能量儲備媒介，在催化裂解后得到氫氣，促進氫能的應(yīng)用。
雖然甲醇具有可燃性，但其作為燃料的應(yīng)用仍在探索，這些能源應(yīng)用多處于研發(fā)或小型試驗階段。甲醇燃料電池技術(shù)是甲醇作為能源材料的研究重點，包括直接甲醇燃料電池和間接甲醇燃料電池。直接甲醇燃料電池是直接通過甲醇的電化學反應(yīng)發(fā)電，目前技術(shù)尚處于研發(fā)階段，暫無法實際應(yīng)用。間接燃料電池是將甲醇重整為氫氣后的氫燃料電池，將甲醇催化、重整后得到高純度氫氣用于燃料電池發(fā)電，即將甲醇作為氫能的載體，關(guān)鍵技術(shù)在于甲醇催化重整制氫（催化劑為關(guān)鍵因素）技術(shù)和氫燃料電池技術(shù)。相比之下，間接甲醇燃料電池的技術(shù)更為成熟，有望在近期得到實際應(yīng)用，而直接甲醇燃料電池技術(shù)難度較大，目前處于實驗室攻關(guān)階段，短期內(nèi)難以實現(xiàn)應(yīng)用。
作為能源載體，甲醇的利用方式如下圖所示。可以結(jié)合CCUS（Carbon Capture, Utilization and Storage，碳捕集、封存及再利用）技術(shù)將綠電就地轉(zhuǎn)化為綠色燃料/原料（甲醇），通過甲醇的運輸解決可再生能源資源集中地區(qū)和利用分布不均問題。一方面可以直接利用甲醇進行工業(yè)生產(chǎn)或能源利用，還可以通過催化重整技術(shù)制氫，促進氫能利用。重整后產(chǎn)生的二氧化碳通過碳捕集技術(shù)回收并再次用于甲醇生產(chǎn)可以實現(xiàn)碳循環(huán)的閉環(huán)，無對外排放。
在2022年的冬奧會上，我國在張家口開展了綠色甲醇作為綠氫載體的示范應(yīng)用。通過可再生能源制氫與二氧化碳反應(yīng)得到綠色甲醇。將甲醇運輸至加氫站制備氫氣并回收二氧化碳。純化后的氫氣用于燃料電池汽車動力。而二氧化碳回收再次作為甲醇制備原料，形成碳循環(huán)的閉環(huán)。
綜上所述，甲醇在我國已作為工業(yè)產(chǎn)品和中間原料實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和利用，年生產(chǎn)規(guī)模位居世界第一，具有較好的技術(shù)儲備和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。在可再生能源快速發(fā)展和“碳達峰、碳中和”背景下，甲醇技術(shù)可實現(xiàn)可再生能源綠氫技術(shù)與二氧化碳利用技術(shù)的耦合，不僅能夠促進氫能的儲運發(fā)展，還能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳的有效利用甚至可以通過塑料、樹脂等產(chǎn)品的固碳作用降低大氣中的溫室氣體含量。
氫、氨、甲醇技術(shù)對比
氫、氨、甲醇3種技術(shù)均兼具工業(yè)生產(chǎn)和能源利用雙重功能屬性。氫能的利用可以實現(xiàn)完全零碳，從理論上看是最為理想的綠色燃料和一些行業(yè)綠色升級的原料。然而，若要實現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用，面臨的挑戰(zhàn)主要是低成本高效能的燃料電池技術(shù)和安全高效的氫氣儲運技術(shù)。
首先，因氫氣體積能量密度較低，需35～70兆帕的高壓儲運，導致氫氣的儲運成本高；其次，根據(jù)我國2019年發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》預(yù)計，2050年我國將建成1萬座加氫站，按每座加氫站1500萬～3000萬元的建設(shè)成本估算，需投入高達1500億～3000億元，基建成本高；再者，2019年在挪威、韓國等國家20天內(nèi)連續(xù)發(fā)生的三起因氫氣儲罐泄露引起的爆炸事故，暴露了氫氣易燃易爆、本質(zhì)安全性弱的缺點。因此，要突破氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，亟需結(jié)合中國能源及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特點，發(fā)展成熟、安全、高效的特色儲運氫的路線及其配套產(chǎn)業(yè)鏈。
在此背景之下，氨、甲醇均兼具原料和燃料雙重屬性，兩者可通過氫氣原料制備而成，也可通過催化裂解重整技術(shù)獲得高純度氫氣，為突破氫能儲運和利用瓶頸提供了有效可行的解決途徑。
三種技術(shù)作為燃料物質(zhì)的性能對比
下表為幾種常見燃料物質(zhì)的主要性能參數(shù)?？梢钥闯?，氫氣的密度要遠小于其他幾種物質(zhì)，即使考慮液化過程，氫的壓縮和儲運效率也要遠遠低于其他幾種物質(zhì)。更為重要的是，氫的液化溫度極低，一般需達到零下 252.5攝氏度，甚至接近絕對零度（零下273攝氏度），其液化極為困難。相比之下，氨氣僅在零下33.4攝氏度就可以被液化，而甲醇在常溫下為液態(tài)，不需要額外液化處理即可儲運。因此，與氫相比，氨氣和甲醇可以更便捷、高效地進行儲運。
作為燃料時，氫氣具有遠超其他燃料的質(zhì)量比熱值（143每千克兆焦），但由于氫氣的密度實在過低，其單位體積的熱值并不占優(yōu)勢。而寬泛的爆炸極限也會導致氫氣利用時存在較大的安全隱患。上述問題造成將氫氣用于交通、分布式發(fā)電等領(lǐng)域時，存在能量儲存密度問題。
不過氨和甲醇作為燃料也存在各自的問題。氨的爆炸極限范圍窄，因此安全性更好。但氨燃點溫度高達651.1攝氏度，更為重要的是氨的點火能量高達680兆焦且燃燒緩慢，導致氨在燃燒時非常容易發(fā)生斷燃現(xiàn)象，造成純氨的燃燒利用非常困難，相關(guān)利用暫時處于研究和示范階段。
相比之下，甲醇在燃點和點火能量方面更具優(yōu)勢，能夠維持穩(wěn)定燃燒，但甲醇中氧含量較高，導致單位熱值較低，因此利用時需消耗更多的燃料。目前甲醇主要用于小型航模、遙控車等方面的動力來源，在大型燃燒、動力設(shè)備上應(yīng)用有限。相比于氨，甲醇的直接燃燒技術(shù)開發(fā)利用在當前技術(shù)水平下更加容易實現(xiàn)。
三種技術(shù)作為非燃料物質(zhì)的性能對比
作為廣泛應(yīng)用的工業(yè)原料，氨和甲醇分別具有各自的應(yīng)用方向：氨的應(yīng)用主要為農(nóng)藥（氮肥）、硝酸合成、純堿生產(chǎn)，也可應(yīng)用于制藥、塑料、染料生產(chǎn)，工業(yè)制冷等；甲醇的應(yīng)用主要為甲醛、樹脂、塑料、醚類化合物、防凍液等。由此可以看出，氨和甲醇分別有各自的應(yīng)用范圍，二者交集和差異主要體現(xiàn)在促進氫能儲運方面。
作為氫能的載體，無論是合成還是分解制氫，氨的反應(yīng)條件都要比甲醇要求更高（反應(yīng)溫度、壓強等），因此能耗也更高。氨的最大優(yōu)點有2個：一是效率高，通過氨氣實現(xiàn)氫能的總轉(zhuǎn)化效率可以高達90%以上；二是要求低，只需要解決綠氫來源即可實現(xiàn)綠氨的合成和氫儲運。相比之下，甲醇雖然合成溫度、壓強更低，但除了綠氫來源問題，還需要解決二氧化碳的來源問題。而利用甲醇催化重整制氫同樣會造成碳排放，因此二氧化碳捕集技術(shù)對于甲醇合成極為重要。
目前，綠色甲醇示范項目多是分別采用綠氫或二氧化碳捕集開展甲醇合成生產(chǎn)。在無二氧化碳排放的要求下，相比于甲醇，利用氨促進氫的儲運和應(yīng)用是當前技術(shù)條件下更加容易實現(xiàn)、效率更高的方式。
三種技術(shù)的未來發(fā)展
氫能可以適應(yīng)長時間、遠距離的儲存運輸，實現(xiàn)能源的跨地域轉(zhuǎn)移，解決我國能源資源分布不均的問題；通過電解水制氫，可以將豐富的可再生能源資源轉(zhuǎn)化為工業(yè)、交通等領(lǐng)域需要的燃料或原料，打破行業(yè)壁壘，實現(xiàn)能源的跨領(lǐng)域轉(zhuǎn)移。在未來能源系統(tǒng)中，氫能的關(guān)鍵作用首先體現(xiàn)在提高系統(tǒng)靈活性方面，即通過“電-氫”轉(zhuǎn)換制備綠氫，解決可再生能源的消納問題，其次是將綠氫應(yīng)用于工業(yè)、建筑、交通等部門，替代傳統(tǒng)化石原料或燃料，解決行業(yè)脫碳問題。
綠氫主要來源集中在可再生資源豐富的“三北”及西南地區(qū)，而經(jīng)濟發(fā)達的東南地區(qū)是重要的用氫需求地。要發(fā)揮氫能在未來能源體系中的關(guān)鍵作用，首先要解決其從資源中心到負荷中心的大規(guī)模輸送問題。而現(xiàn)在技術(shù)成熟的高壓氣態(tài)輸氫技術(shù)在200公里以上的長距離運氫不具備經(jīng)濟性上的優(yōu)勢，管道輸氫和液態(tài)儲運技術(shù)又暫未能達到大規(guī)模使用要求。因此利用氫氣合成氨、甲醇等可以通過化學反應(yīng)儲氫的化工產(chǎn)品是促進氫能儲運、應(yīng)用和降碳的重要手段。
氨和甲醇都是已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的重要工業(yè)、化工產(chǎn)品和原材料，在“雙碳”目標背景下，有儲運便利、產(chǎn)業(yè)成熟、利用范圍廣等優(yōu)點。氨和甲醇燃料有望作為新型綠色燃料和原材料，促進氫能的儲存和利用，并在交通運輸、電力供應(yīng)等領(lǐng)域具有節(jié)能、減碳潛力。
但應(yīng)注意的是，氨和甲醇的理化性質(zhì)存在較大差異，用作燃料時的性能也不盡相同。因此二者在促進氫能利用和降低碳排放的效果方面也存在一定差異。二者面臨的技術(shù)難點和主要發(fā)展方向如下表所示。
相比之下，綠氨的生產(chǎn)僅需以綠氫替代灰氫即可實現(xiàn)，而綠色甲醇的生產(chǎn)及制氫還需要結(jié)合碳捕集技術(shù)。因此綠氨生產(chǎn)更為直接，且更容易實現(xiàn)綠氫的高效儲運而不涉及碳排放。不過氨具有較大毒性且燃燒速率較為緩慢，因此在利用氨作為能源時要注意安全問題，并重點關(guān)注氨的持續(xù)穩(wěn)定燃燒技術(shù)。而將氨作為氫能儲運載體時，要重點開發(fā)能耗更低的氨裂解制氫催化劑，提高氫氣儲運效率。
在甲醇利用時應(yīng)注意，甲醇對橡膠和部分金屬具有腐蝕作用，因此在利用甲醇時要針對性開發(fā)耐甲醇腐蝕的材料技術(shù)，并對現(xiàn)有的設(shè)備材料進行升級改造。與氨技術(shù)相比，甲醇在利用時依然容易有碳排放產(chǎn)生，因此需要結(jié)合二氧化碳的捕集、利用技術(shù)，開發(fā)零碳甚至負碳的“甲醇+二氧化碳技術(shù)”聯(lián)用，如將甲醇用于樹脂、塑料等生產(chǎn)后達到“固碳”作用，實現(xiàn)全過程的負碳排放。在促進氫能儲運方面，雖然甲醇制氫目前的轉(zhuǎn)化效率略低于氨，但甲醇的生產(chǎn)和重整制氫工藝條件比氨要求低（溫度、壓力等參數(shù)），因此單位能耗和總能源利用效率有望達到更佳水平。
因此，氨和甲醇在促進氫能儲運方面各有利弊，二者利用自身性質(zhì)推動行業(yè)實現(xiàn)脫碳各具優(yōu)勢。在“雙碳”工作實施過程當中應(yīng)統(tǒng)籌考慮，使其起到相輔相成的作用。
發(fā)展建議
在推動氫能發(fā)展進程中，以“綠氫”作為原料所生產(chǎn)的“綠氨”為實現(xiàn)行業(yè)脫碳提供了新的解決路線。目前全球各主要發(fā)達國家均在積極布局氨技術(shù)，力求在新一輪技術(shù)競爭中占得先機。我國應(yīng)立足自身技術(shù)和資源優(yōu)勢，積極開展純氨/混氨穩(wěn)定燃燒、大型氨燃機、氨動力船舶等重點技術(shù)開發(fā)。各地區(qū)政府應(yīng)積極引導可再生能源、氫能、氨技術(shù)間的融合，促進綠色合成氨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推動氨技術(shù)的開發(fā)和利用。
對于甲醇，建議綜合考慮區(qū)域碳排放情況推動項目的開發(fā)建設(shè)：利用光伏、風電、核電等開展可再生能源發(fā)電開展綠氫制備示范，結(jié)合煤電、燃氣發(fā)電、鋼鐵、可燃冰開采等高碳排行業(yè)積極開展碳捕集示范試點，同步推進“綠電+二氧化碳捕集”項目建設(shè)，實現(xiàn)清潔甲醇聯(lián)合生產(chǎn)；在應(yīng)用端積極開展甲醇燃燒、甲醇交通動力等技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新，逐步實現(xiàn)甲醇制氫在加氫站、氫燃料電池分布式供能等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。
