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相比氫能，氨能安全低價，便于液化和運輸文|劉丁原本將氫能作為“王牌”的日本政府，正引入氨能，希望將發電廠和船舶的燃料替換成氨，憑借燃燒技術突破，以更低的成本實現碳中和。在2021年10月發布的第六版能源戰略計劃中，日本政府首次引入氨能，提出
相比氫能，氨能安全低價，便于液化和運輸
文 | 劉丁
原本將氫能作為“王牌”的日本政府，正引入氨能，希望將發電廠和船舶的燃料替換成氨，憑借燃燒技術突破，以更低的成本實現碳中和。
在2021年10月發布的第六版能源戰略計劃中，日本政府首次引入氨能，提出到2030年，利用氫和氨所生產出的電能將占日本能源消耗的1%。
《能源戰略計劃》是日本政府根據2002年6月生效的《能源政策基本法》制定的政策，此后日本政府持續發布此文件的更新版本，披露其能源政策的方向。
在2018年發布的第五版能源戰略計劃中，日本政府提出，將氫能打造成日本的“王牌”，當時并未提及氨能。
第六版計劃中提到的2030年1%目標，主要是指在發電領域，將氫和氨用作燃料，與天然氣或煤粉等混燒發電。
日本政府于2020年10月宣布，2050年實現碳中和。第六版計劃中提到，為了實現這個目標，占排放量80%的能源部門必須努力改變，火電廠要優先使用零碳的氫、氨燃料替代煤炭等化石燃料。
日本計劃首先采用混燒技術，比如30%的氫加70%的天然氣，或者20%的氨加80%的煤粉，之后逐步提升氨和氫的混燒比例，計劃到2050年實現100%的氨、氫燃燒發電。
第六版計劃還要求火電廠利用將二氧化碳從排放源中分離、捕集、利用或封存的技術（CCUS）來實現減排。
日本產業界也正展開行動。
2021年10月，日本電力巨頭JERA的氨能混燒示范項目在其日本愛知縣碧南市的火電廠首次點火啟動。
根據計劃，此項目的氨燃料混燒比例到2024年將提高到20%，到2050年將實現100%。
JERA在2021年11月中旬宣布，計劃在未來2-3年內，每年采購50萬噸氨，用于混燒發電。
供應鏈方面的行動也已展開，日本希望從澳大利亞獲取“綠氨”（用可再生能源制造的氨氣）。
挪威化肥巨頭雅苒國際（Yara International）2021年7月宣布，將于2023年在澳大利亞試生產綠氨，并計劃將其銷售給日本的發電廠。
除了可用做發電廠的燃料，氨能還可用于航運業，因為驅動輪船的燃氣輪機，也可以采用氨能作為燃料。
雅苒國際出資建造的全球第一艘用氨能驅動的貨船雅苒·伯克蘭號，剛剛于11月22日下水首航。
12月8日，日本川崎汽船與新來島造船合作開發的氨燃料船概念設計，獲得了日本船級社的原則性批準。
氫能的高成本
日本第六版能源戰略計劃提出，2030年氫能在能源結構中的占比要達到11%，這主要指的是氫能在汽車、家庭、工業等領域的應用。
日本政府2017年提出要建設氫能社會之后，推出了氫燃料電池汽車，加氫站，還嘗試了利用氫能給居民住宅供應暖氣和熱水。在工業領域，氫能產生的熱值高，因此適用于有高溫熱需求的工業部門。
第六版計劃中也指出，日本非電力部門應該通過使用脫碳電源供電，如果是有高溫熱需求的部門，無法使用脫碳電源，那應該優先使用氫氣、合成甲烷或合成燃料，替代化石能源，以促進脫碳。
但是，由于氫能源成本高昂，在汽車領域的推廣并不順利。
2021年初，日產宣布暫停與戴姆勒及福特開發燃料電池車的合作計劃，將力量集中于發展鋰電池電動車。6月，本田也宣布停產旗下的氫能源車型，主要原因是成本過高導致銷量慘淡。
豐田此前大力研發推廣氫能源車型，其總裁豐田章男曾公開表示對鋰電池電動車持保留態度。但豐田在12月14日發布的全球電動車戰略中，卻宣布將在2030年之前投入30款包括鋰電池電動車、氫能源電動車等在內的電動車型，并且將雷克薩斯品牌轉型為純電動車品牌。
這意味著豐田不再把賭注全部壓在氫能源上。
氨能的低價與可靠
雖然氫能源擁有諸多優點，但難以儲存和運輸。
氫是元素周期表上最輕的元素，很容易泄露，對儲存容器要求高，并且氫氣非常活潑，與空氣混合后很容易發生燃燒和爆炸。
如果遠距離運輸氫，需要將其液化，在常壓狀態下，需要將其溫度降低到-235攝氏度以下，能耗較高。如果以管道運輸，則需要克服純氫以及摻氫的氣體給管道帶來的安全隱患，攻克氫氣管道的材料難題。
于是，氨進入視野。
氨是由一個氮原子和三個氫原子組成的化合物，是天然的儲氫介質；在常壓狀態下，只需要將溫度降低到-33攝氏度，就能夠將氨液化，便于安全運輸。目前全球八成以上的氨被用于生產化肥，這讓氨擁有著完備的貿易、運輸體系。理論上，可以用可再生能源生產氫，再將氫轉換為氨，運輸到目的地。
這樣的事情已在澳大利亞發生——利用太陽能發電，用電能將水中的氫提取出來，再將氫轉換為氨，液化之后，船運到日本的電廠。
但是，氨運輸到目的地后，仍然面臨至少兩個挑戰。
第一，如果將氨轉換為氫，其轉換過程會造成能量損耗，另外，也需要開發專門的大容量設備、純化技術等。
第二，如果直接將氨作為燃料，則需要克服氨不容易燃燒的缺陷。氨燃燒的產物是水和氮，不造成碳排放，但是氨的燃燒速度低于氫，發熱量也低于氫和天然氣，將其點燃并持續穩定燃燒比較困難。
氨能的技術突破
日本在氨直接燃燒方面已取得顯著進展。
日本政府在2014年啟動了日本重振戰略，撥付了500億日元的研發經費（約25億元人民幣），設立了10個多部門聯動的戰略性創新研究項目，其中能源載體項目下的氨直接燃燒課題已形成許多成果。
此課題由日本東北大學流體科學教授小林秀昭負責，參與單位包括：日本大阪大學，日本國立研究機構“產業技術綜合研究所”（AIST），三菱重工，三菱日立電力，豐田，以及日本燃氣輪機、渦扇發動機、軍艦制造商IHI公司，日本工業氣體和空分設備制造商大陽日酸公司等。
2018年，此課題組展示了可以抑制一氧化氮產生的新型氨氣燃燒技術，核心工藝是將氨氣與空氣攪渾，形成旋渦狀燃燒。燃燒氨雖不排碳，但會產生氮氧化物，也會污染大氣，因此這項技術意義重大。
課題組還實現了20%氨氣和80%天然氣在2000kW級燃氣輪機中的穩定混燒。
2019年，課題組開發了一種將液態氨直接噴到燃燒器上以實現穩定燃燒的技術。此前，為了向燃氣輪機中壓入大量的氨氣，不得不采用諸如蒸發器之類的輔助設備，而新技術則不需要此類設備，從而降低了成本。
2021年3月，課題組成功實現了70%的液氨在2000kW級燃氣輪機中的穩定燃燒，并能同時抑制產生氮氧化物。
參與此課題的IHI公司表示，有信心在2025年之前實現氨燃氣輪機商業化，2021年10月啟動的JERA氨能發電示范項目，就是IHI公司與JERA合作而來；
三菱重工則正開發4萬kW級的100%氨專燒燃氣輪機，計劃在2025年以后實現商業化，引入發電站。
發電領域、工業領域是碳排放的主要來源，如果氨能源能夠替代化石能源，成為新型燃料，將大大有助于日本實現2050年碳中和的目標。
（作者為《財經》研究員，《財經》記者馬霖對此文亦有貢獻，編輯：馬克）
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