中国工程院院士李骏:氨氢一体化是新能源汽车最佳方案

双碳行动 || 解析李骏口中应高度重视的基础创新——“氨=氢2.0”| 中国汽车报

为了实现“双碳”目标驱动下的节能减碳，行业对于化石能源的替代尝试从未停止脚步。在未来20-30年，完全摆脱化石能源依赖几乎不可能，从中国整个地缘 分布的能源结构以及全世界的发展趋势来看，内燃机在相当一段时间内，在交通运输中仍具有不可替代的重要作用。
而随着各种关于脱碳技术路线的探索，氢气内燃机由于绿色、高效，对氢气纯度要求不高，可以实现零碳排放，逐渐被视为通向未来绿色能源的关键钥匙，在越来越多场景和领域中得到应用。
但彩虹和风雨共生，机遇与挑战并存。氢气的储存难度大、制备成本高等实际问题，也限制了氢能的发展。

中国工程院院士，清华大 学教授李骏
日前， 中国工程院院士，清华大学教授李骏在2021中国汽车工程学会年会上做了题为《Autonomy 2.0与Ammonia=Hydrogen2.0》的主旨报告，提出中国汽车产业应高度重视的重大基础的创新方向之一：“氨=氢2.0”，似乎为氢能大规模推广提出了一条可行路径。
氨或可成为氢能最佳载体
李骏指出，氢能源汽车目前存在明显的长尾效应：“氢能汽车有数十年的研发历史，近年来，氢能相关法规逐渐完善，按照预期将迎来氢能源汽车的大爆发，但实际上，氢能汽车评价体系涉及运输、存储、车载、动力、安全、成本等多方面，热管理、载氢量、加氢标准等复杂的产业链问题无一不影响市场开拓，由此产生的长尾效应亟待全行业思考。”
据了解，Joi Scientific公司在2016年提出Hydrogen2.0的愿景，克服氢使用受到制备、储存、运输和释放能量方面的限制，全球氨能源联盟2017年提出Ammonia=Hydrogen2.0（氨=氢2.0）的新理念，打造绿氨能源新体系解决单一氢能源存在的长尾难题。
这一理念的由来其实很好理解。氨气是一种具有多种优势的能源。未来能源 的第一个资格要求是它们不排放会加速全球变暖的温室气体。由于氨像氢气一样燃烧时不会释放二氧化碳，因此可以说它具有作为未来能源的资格要求。由氨（NH₃）的结构式也可看出，它携带的元素只有氮和氢，完全避免了碳排放的问题，另外，在氢能越来越多被商业化应用的当前，氨的稳定性、易存储等性能，或可成为比较好的氢能载体。
相较于氢能源，“氨=氢2.0”的提出具有更丰富的内涵。据介绍，当前全球氨资源储备丰富，制备成本更低，同时氨更易于储存，液氨能量密度比氢高1倍，同样体积储存能力是液氢的2倍；在基础设施方面，现有氨分销渠道很成熟，成本低，人类已经从氨中实现获益；目前商用制氨技术成熟，集合可再生能源制氨，可用性强，应用十分广泛；安全性方面，氨可以以液态储存，安全性极高。对环境影响小，现有氨产业链对环境影响可控。
对于氨能产业，全球氨能源联盟经过多年研究，从10 个维度预测“氨是未来绿色能源的赢家”：真正的零碳燃料；能量密度高；易液化；易于运输、设备完善；可用LNG运输，是氢能最好的载体；产量和生产效率远远高于液氢；成本低；安全性高、不易爆炸；是所有交通装备的燃料；应用广泛（发电、农机、建材）。
对此，李骏提出，氨氢融合一体化氢能源汽车可能将会是绝佳解决方案。
氨氢融合有三大路径
事实上，研究氨充当燃料的试验早已在全球展开。
《中国汽车报》记者了解到，美国打造阿拉斯加、夏威夷、爱荷华三大绿色可再生氨能源基地，并在阿拉斯加开发基于地热能量的绿色可再生氨能源制造高科技。同时长达3000英里（约合4828公里）的液氨运输管道正在建设中，未来将覆盖全美；基于夏威夷氨能源基地打造覆盖亚太的氨能源运输网络。日本2021年4月发布“Japan embracing ammonia power to achiever 2050 zero CO₂target”氨能源战略，表示氨已经成为应对气候变化的国际新战略。
李骏表示，全球正在进入“氨=氢2.0”时代，氨能源技术正从灰氨向蓝氨和绿氨发展。根据氨能源协会报告，目前氨每年大约生产2亿吨，是世界上产量第二大的化工商品。而每吨合成氨产生1.8吨CO₂，我国合成氨年产5000万-6000万吨，占全球产量的25%-30%。目前合成氨是第一代灰氨，2030年前生产第二代零碳蓝氨（天然气裂解和CO₂捕集）和第三代可再生能源合成氨都是未来不远的规划。

李骏在主旨报告中提到的五大融合方向，也强调了氨-氢燃料融合，主要有三个方面：第一，打造车载氨氢融合零碳燃料平台。液体氨把氢气带入汽车，车载氨重整制氢技术的创新解决了车载储氢瓶对于整车设计的困扰，基于热裂解催化分离技术打造车载氨氢融合零碳燃料平台，既用于燃料电池，也可用于内燃机，实现“从油箱到车轮”的碳中和。他进一步指出，液氨体积和质量能量密度都适合车用燃料，解决重型车辆长续驶里程难题，百公里燃料成本最低。
第二，打造车载氨氢融合燃料电池系统。其中，间接氨电池系统（DSU+PEMFC）中的车载DSU使氨气中的氮-氢分离，纯氢气供PEMFC系统工作；直接氨电池系统，氨气进入阳极，分解成氮气和氢气，氢质子穿过电解质层与阴极侧氧气反应生成水。
第三，打造氨氢融合新能源零碳排放内燃机。氨具有氢载体和零碳燃料两大优势作用，可用于燃料电池、内燃机、燃气轮机等动力，实现“从油箱到车轮”的碳中和。氨氢融合新能源内燃机，在柴油机基础上改变9个总成零部件，实现基于氨氢的混合气燃烧，柴油机产业碳中和时代仍有巨大意义。
或将最早应用到飞机或船舶
有关氨氢转换的研究，全球领域很早就有所开展。 同济大学教授、燃料喷射与燃烧所所长李理光教授介绍：“早在2004年，美国汽车工程协会就成立了氨能源委员会分会专门研究这个问题，目前已经取得了一些相应的成果。在船用机上，尤其是大型船舶，已经实现应用。这里的氨用的不是纯氨，有的是和柴油混合，有的和天然气混合，实际上是混合燃烧的燃料。”
德国PTB国家实验室佛南德斯教授在上海汽车 工程学会年会技术分会上发表了“未来潜在燃料氨的燃烧特性”的演讲，介绍了他们团队有关氨的研究成果。他也指出：“造船业正在积极考虑是否大规模部署氨燃料，这是一个非常适合的领域。”
近年来，国际上正在开发使用氨的飞机发动机，汽车发动机和船舶发动机，如基于氨的发动机开发模型SABER，最初是为高超音速 飞行而开发的反应发动机。就船舶而言，私营公司已经在开发氨发动机。现代Mipo造船公司最近收到了英国劳埃德船级社（LR）要求开发氨燃料船的请求，并计划在未来五年内将氨推进船商业化。
在汽车领域，其中一个代表性案例是韩国能源研究所制造的氨引擎，将液化石油气和汽油均转换为汽油。确切地说，它是一种由70%的氨和30%的汽油混合而成的燃料，经研究测试，装有该发动机的汽车以60-80km/h的速度完成了测试。根据主持该研究的Jongnam Kim博士的解释，当70％的汽车燃料被氨替代时，二氧化碳的排放量也减少了70％。此外，现有的液化石油气加气站基础设施只需稍作改动就可以用作氨气加气站，这被认为是增加氨气发动机商业化可能性的一个优势。李骏则表示，国外已经有主机厂制定氨能源汽车发展战略，布局液氨内燃机前瞻研发。
虽然氨被认为是不错的零碳燃料，但也有不少人对这一新趋势持谨慎态度。 工信部甲醇汽车推广应用专家指导委员会秘书长魏安力认为，从实际应用和落地的角度来看，氨的大规模推广还有很长的路要走。“不能只因为它不含碳元 素就说它是完全绿色的能源。氨从哪里来，氨的制备是否符合零碳，氨的气味非常难闻，以及液氨具有腐蚀性等等问题要如何解决，现在尚没有确切答案。”他说。
佛南德斯教授则指出：“从氨的适用性来看，它可能不是最佳的燃料选择，但如果加上一些补剂可能会形成很好的结果。长远来看，氨是非常有潜力的燃料，是非常突出的能源载体，甚至未来可以替代氢。”
李理光也认为，虽然现在技术还不是很成熟，但是氨能作为一个新的零碳趋势，颇具现实意义。
文：张雅慧 编辑：薛亚培 版式：赵方婷