氢基能源的绿色画卷和应用拼图—论绿色氢氨的生产与利用
全球正在进入氢能2.0时代，氢能产业逐渐向绿氨、绿色甲醇等“泛氢”能源方向发展。我国作为传统合成氨生产利用大国，近年来在绿氢和绿氨生产利用方面积极发力，预计到2035年，我国合成氨总消费量将达到1.2亿吨，受国家“碳中和”战略和供给侧改革的影响，传统合成氨产业走向绿色生产成为必然趋势。
“氢-氨”能源密不可分，作为当前最热门的零碳燃料，绿氢和绿氨之间存在着密切的生产和利用关系，绿氨的直接生产原料为氢气和氮气，绿氨可作为绿氢的储运载体，二者的高效转化利用是实现未来绿色发展的重要支柱。
从绿电到绿氢、绿氨生产利用，整个产业图谱颇为庞大，涉及到至少三个工程领域：一是风电和光伏发电，属于电力领域；二是利用电解槽电解水制取氢气，属于电化学领域；三是从空气中分离氮气，再跟氢气合成氨，又属于化工领域。前端通过太阳能、风能、波浪能、潮汐能等可再生能源电力为电解槽供电，实现电解水制取氢气，利用绿氢和分离氮气在一定的温度和压力条件下，通过催化反应生成氨，绿氨通过运输到加注站，可实现直接加注利用或者转化为氢气使用。
电解水制氢技术主要包括碱性电解水（ALK）、质子交换膜电解水（PEM）和固体氧化物电解水（SOE）等。碱性电解水制氢是在碱性电解质环境下电解水制备氢气，电解质一般为KOH或者NaOH溶液，相比质子交换膜和固体氧化物电解，碱性电解水制氢可以采用非贵金属催化剂，电解槽使用寿命当前可达15年，商业成熟度较高，且国内存在丰富案例，因此在成本上具有较大优势。
质子交换膜电解水技术是使用质子交换膜代替碱性电解水的隔膜和碱性电解质，并使用纯水作为电解水制氢原料。和碱性电解水技术相比，PEM制氢技术存在电流密度大、氢气纯度高、响应速度快等优点，容易与风电光伏等可再生能源结合，是目前电解水制氢的理想方案，但受制于电解槽强酸高氧化的工作环境和贵金属催化剂，技术研发和商业化进程仍然不成熟，有待于技术的进一步发展进步。
高温固体氧化物电解水制氢技术目前处于技术示范阶段。SOEC使用固态陶瓷作为电解质，在500-1000摄氏度高温下反应，其实验室成果表明可达到或接近100%的转换效率，催化剂也不依赖于贵金属，因此SOEC有望被应用于CO2回收、燃料生产和化学合成品。该技术制氢过程中的电化学性能效率更高，但缺陷是在高温下机械性能波动、材料寿命缩短、升温速率长，这些缺陷都制约着SOEC技术的应用场景选择和商业化大规模应用。
1972年国外实验研究开辟了光解水制氢的新途径，人们设想通过太阳能直接光解水制氢是否是未来制氢的最佳途径。光解水制氢主要发生三个过程，即光吸收、光电荷迁移、表面氧化还原反应，进而产生氧气和氢气。目前太阳能到氢能的转化过程受到材料、催化剂、转换效率限制，需要进一步研究以获得长足发展。
在双碳政策背景下，利用可再生能源电解水制氢合成绿氨得到了长足且快速的发展，目前已形成了三种合成氨技术，传统的哈伯法合成氨技术、低温低压合成氨技术、多种技术路线并行，主要包含有：直接电催化合成氨，等离子体结合催化剂合成氨和低温常压合成氨，技术路线各有所长。
能源转化与储存的桥梁：绿氢的储存和运输存在一定困难，而绿氨可以作为绿氢的储存和运输载体。将绿氢转化为绿氨后，便于储存和运输，在需要氢气时再通过相应的反应将其释放出来，实现了能源的有效储存和转化。
产业协同发展：绿氢、绿氨的产业发展相互关联、相互促进。例如，绿氢产业的发展为绿氨的生产提供了稳定的原料供应；绿氨的市场需求增长，也会推动绿氢产业的规模扩大和技术进步。氨燃料电池是氨能源化的重要技术，具有高度的燃料灵活性，可以直接使用氨作为燃料，尾端产生氮氧化物、水及其它物质，氮氧化物通过技术手段处理，减少对环境的污染。
近两年来，国外电解水绿氢制备绿氨项目已被Air Products、Siemens、OCP、Thyssen Krupp和Fertiberia等大型公司商业化。国内方面，国家能源集团、国电投、京能集团等均布局多个绿氨示范项目。未来十年，全球绿色合成氨市场预计将以惊人的速度发展，绿氢驱动的绿氨将成为未来液体燃料的重要组成。
绿氢和绿氨的生产过程接近“零碳”，应用于各领域过程中能大幅减少CO2，有助于双碳目标的实现。
①工业领域：在钢铁冶炼中，绿氢可以替代传统的焦炭作为还原剂，减少二氧化碳排放；在化工合成中，如合成氨、甲醇等过程，绿氢可以作为原料参与反应，推动化工行业的低碳转型。
根据统计2021年全球合成氨的二氧化碳直接排放量约为4.5亿吨，其中，我国合成氨碳排放量约2亿吨，属于化工行业中的高碳排放。在应对全球气候变暖和实现可持续发展的背景下，基于煤和天然气等化石燃料的传统合成氨需要大幅减排。氨自身的碳减排是重点，而经由绿电、绿氢产生的绿氨能够实现接近 “零碳”排放。
②能源领域：氢气在众多清洁能源中，因为燃烧热值高，燃烧产物无污染，被认为是最理想的清洁能源。绿氢可以用于燃料电池汽车，实现零排放的交通出行；还可以用于分布式能源系统，为家庭、商业建筑等提供电力和热能。绿氨可以作为火电厂的燃料，与煤炭等传统燃料相比，燃烧过程中产生的氮氧化物和二氧化碳等污染物较少，有助于减少火电行业的碳排放。对于航运业来说，绿氨、绿氢是一种有潜力的零碳燃料。船舶使用绿氨、绿氢作为燃料，可以满足国际海事组织日益严格的环保要求，降低航运业的温室气体排放甚至实现零碳排放。
2022年3月，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》，明确了氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，也是战略性新兴产业和未来产业的重点发展方向。根据中国氢能产业联盟预测，预计到2030年我国氢气的年需求量将达到4000万吨，其中可再生能源制氢约770万吨；到2060年碳中和的情境下，氢气的年需求量将增至1.3亿吨左右，其中70%为可再生能源制氢。
③储能领域：由于可再生能源的不稳定性和波动性，对电网的要求较高，产生的电能可通过电解水制氢的方式储存起来，起到调峰填谷的作用，提高能源系统的稳定性和可靠性。
绿氢、绿氨燃烧能够弥补可再生能源发电的不稳定性和间歇性，在我国能源转型过程中保障电力的安全。绿氨燃烧性能良好，易液化、易储存，能够为电力系统提供与传统火电类型的可调节、可调度、可控制的电力电量支撑。④ 农业领域：传统的农业生产中，氨是制造化肥的重要原料。绿氨可以用于生产绿色肥料，为农业的可持续发展提供支持。
氢能可以适应长时间、远距离的储存运输，实现能源的时空转移，解决可再生资源分布不均的问题，同时通过电解水制氢可以将丰富的可再生资源转化为工业、交通等领域需要的燃料或原料，打破行业壁垒，实现能源的跨领域转移。在未来能源体系中，氢能的关键作用在于提高能源系统灵活性，即通过“电-氢”转换制备绿氢解决可再生能源的消纳问题，其次是将绿氢应用于工业、建筑、交通等部门，替代传统化石原料或燃料，解决行业脱碳问题。
绿氢、绿氨主要来源集中在可再生资源丰富的“三北”及西南地区，而经济发达的东南地区是重要的用氢需求地。要发挥氢能在未来能源体系中的关键作用，首先要解决其从资源中心到负荷中心的大规模输送问题。而现在技术成熟的高压气态输氢技术在200公里以上的长距离运氢不具备经济性上的优势，管道输氢和液态储运技术又暂未能达到大规模使用要求。因此一方面应利用氢气合成氨、甲醇等可以通过化学反应储氢的化工产品来促进氢能储运、应用，另外应布局深远海风电光伏结合氢氨制备，打造沿海能源中心，同时为我国开发深远海提供能源供应基础。
当前绿氨和绿甲醇的生产成本高于传统合成氨和甲醇，但在“双碳”政策刺激及资金投入的推动下，绿色氢基能源制取技术将迅速发展成熟，绿氨和绿色甲醇的产量有望大幅增长，未来的发展前景将非常广阔，将有潜力成为未来替代传统化石能源的主要形式。绿色氢基能源发展道阻且长，但行则将至，如行而不缀，则未来可期！
