氢和氨在应对净零排放挑战中的作用

气候变化：科学与解决方案氢和氨THEROYALSOCIETY氢和氨在使用过程中不会产生碳排放，因此在净零经济中潜力十分巨大。这两种都属于多功能型燃料，生产及使用方式多种多样，包括可再生能源生产以及难以进行脱碳的应用领域，例如重型运输、工业和热能，以及能源的储存和运输。这两种燃料已广泛应用于工业和农业，但目前的生产模式所产生的温室气体足迹依然很高。无论是现有还是新型应用，均可以通过生产脱碳而实现显著的温室气体减排。然而，这两种燃料目前都面临一定的挑战，有待技术进步才能解决，包括燃料的生产、储存和使用，特别是实现生命周期净零排放的成本。对于氢和氨在具体实践中，可能会对哪些领域产生关键影响的确定，仍需进一步•氢和氨有潜力成为具有竞争力的净零能源来源和多种应用的能源载体。为了更准确地评估这种潜力，需要•应优先在重工业和重型车辆、铁路、航运以及能源储存等具有很大潜力成为领先的低成本低碳替代方案的•在工业合作伙伴集群进行大规模示范工作，通常是最具成本效益的方式，其中最适合的通常为港口地区，•在基础设施等方面开展国际合作，有助于在当前试点项目的基础上发展本文提出的成果，同时应充分结合2氢是宇宙中含量最多的元素，也是公认的能源载体。氢可用于运输、热能、电力和能源储存，而且，使用过程中不会排放温室气体，因此在净零经济中具有巨大的潜力。氨是氢和氮产物称为“灰”氢1。每年用于制造灰氢的天然气除燃料中的硫等杂质而用于氨合成的比例3。其他应用则使用氢气作为一种气体混合物成分，包括工业应用和化学制造中所用甲醇的生产，以及使用电弧炉工艺对铁进行还原，从而实现钢铁的生产。纯氢的需求量每年氢是最轻的一种元素，体积能量密度较低，难以储存和运输，在许多实际应用中均需进行压缩或液化处理。这些需求均意味着，如今氢气的生产通常需要就近完成。然而，美国墨西哥湾沿岸地区、德国和比荷卢三国等国家均有专气及氢气在高温高压的条件下及催化剂的作用下产生的气体6。氨最为常见的用途是生产化3如今的SMR和哈伯法都依赖于对天然气和煤炭等化石燃料的使用。氢生产每年排放8.3亿吨CO2(MtCO2/yr)，而氨生产为420MtCO2/yr，加起来约占年度全球温室气氢和氨都会引发一些需要进行管理的安全问题。氢气的闪点很低，相比汽油低很多，例弥散迅速，从而可以降低风险11,3。在设计氢气系统时，十分必要的一点就是保持空气流通，氨气具有腐蚀性和毒性，在标准条件下，高蒸气压会导致风险增加。不过，氨气在达到一定浓度后，便很容易通过气味觉察出来，然而此时的浓度远未达到产生持久性健康危害的了数十年，但对于新的应用领域而言，仍需重从环境角度出发同样需要对氨气的新应用领域进行评估，因为氨基肥料会通过氧化亚氮产生生物多样性下降，此外，氨气还会与其他污染物反应形成颗粒物，进而造成空气污染。研究对于两种情况而言，即便有些看法并未反映出真实的风险，公众接受度都会面临一定的气候变化：科学与解决方案氢和氨氢和氨为低碳能源的供应创造了机会，能推动2050年净零排放目标的实现。然而，根本任务是实现这两种物质的脱碳生产，因为目前其生产均为重工业生产，行业层面的碳足迹远大于制氢的方法有多种，每种方法的碳足迹各不石燃料（通常为天然气）制成的。可以使用传统的SMR技术，而目前正在探索新型技术，原料而非单独燃烧天然气来提供能量14。虽然这项技术无法完全实现净零目标，但据估计，种变化形式，包括新型膜、溶剂、吸附剂和催甲烷是一种强效温室气体，因此必须小心预蓝氢目前已经大规模运行，例如，在美国德克“绿”氢是利用可再生电力，通过电解分离出水中的氢，从而实现零碳的一种制氢方式。目前最成熟的技术为碱性电解槽，但对于间歇式可再生能源的应用而言效果不佳。聚合物电解质源的波动反应迅速，处于早期部署阶段。固体高，发展尚不成熟，但效率可能更高。绿氢依赖可再生电力，因此可能会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氢均依赖于电解生产，那么每年将需要3600太其他可能途径包括通过甲烷热解制成的“蓝绿”氢——在无氧环境中进行加热，这个过程产生行电解产生的“粉红”氢。核电也可以提供零碳），其他途径包括生物方法，即基于厌氧分解变化“绿”氢是利用可再从而实现零碳的4图1氢核电力--'氢核电力--'厂厂气候变化：科学与解决方案氢和氨通过采用目前的哈伯法工艺，利用煤炭制取的氨称为“棕氨”，而使用天然气制取的氨则称为“灰氨”。由蓝氢和绿氢产生的氨分别称为蓝氨和绿氨。如果要将排放降至最低，则需要可再生电力作为哈伯法工艺制取蓝氨和绿氨的能量来源（图2）。对于电力、运输、热能和能源储存净零目标的实现而言，氢和氨可谓潜力巨大。然而，在实际中，某些应用领域可能在不同时间范围内都有更适合的替代技术，而且成本也更低，例如诸多应用领域均涉及结合氢氧（空气来源）的燃料电池，无需燃烧即可制取清洁的电能、热能和水能。2019年，燃料电池的产量突破了1千兆瓦(GW)大关，预计将像锂离子电池一样，转向量产“千兆瓦工厂”，从而继续大幅氨的体积能量比氢高，一些特定应用领域已开始考虑使用氨（图3）。在必要情况下，可以在运输后将氨进行“裂解”，分解为氢或者氨氢混合物。同时，也可以直接用于高温固体氧化热能和能源储存Committee)发布的《第六次碳预算》(Sixth绿氢或蓝氢的总容量将扩大到相当于目前电力领域的近三分之一，并推广到不太适合电气化的领域，特别是工业和航运领域20。基于电解水制氢和哈伯法工艺完全脱碳的绿氨生产原理示意氢氢水水6氢在工业中具有广泛的潜在应用。当前应用领域包括合成氨、甲醇和钢铁的提炼和生产，在使用绿氢或蓝氢的情况下，便可以减少或消除除了当前应用之外，零碳氢还可以用于高温热源以及还原和反应过程。一份英国报告指出，将被氢取代23。瑞典的一家商用钢厂首次将氢用于炼钢生产的高温加热24。在工业中，氨还可用于高温过程燃烧，而且已用于精炼中的硫回收25。目前，重型车辆的电池能量密度无法提供远程解决方案，而氢燃料电池或氢源燃料则提供了(FCEV)更加经济实惠，而且技术已经成熟，因此，氢燃料汽车在汽车市场的发展前景并交车中的使用能够形成大规模的供应链，那么截至2020年，氢燃料汽车持有量最高的国家气候变化：科学与解决方案氢和氨叉车可谓是氢燃料电池的一大利基市场。目前，氢燃料叉车的数量已超出氢燃料小型汽航运碳排放强度至少降低40%，而低碳氨是实现这一目标强有力的候选燃料，因此对所有海运国家/地区而言均裨益无穷33。目前，为了确保以氨为燃料运行的大型燃料电池能够安全有效地为舰载系统提供电力，已陆续开展一些项目。具体包括计划对日本的一艘大型散货船安装氨燃料系统，以及在世界上最大的滚装邮轮——挪威彩色幻想号上安装氨燃料系统试航德国已投入运行氢燃料电池驱动列车，荷兰和英国等国家也在开展试验。对于未实现电气化铁路建设的路线，氢燃料列车可谓是零碳之选3。而在此方面所面临的挑战包括储存问题，因为燃料需求量大约是柴油的8倍，而如果使用电解燃料，对可再生能源的需求又航空工业也在探索氢和氨燃料的使用。例如，与此同时，英国的一个项目正在探索一种新型技术，希望将部分绿氨分解成氢气，制造出一种混合燃料，通过稳定燃烧模拟航空燃料，从而使现有的引擎和飞机实现零排放燃料的使用38。反应而生产出用途广泛的合成燃料。这种燃料可能会成为航空机队的一种低碳型普适性替代氢气可以在地下洞室中以气态形式进行压缩，也可以进行液化处理，或者（对于无人机之类的小型应用）结合到金属氢化物等固态材料中。储存时，氢必须以气体形式压缩至大气压料广泛用于矿物肥料，因此储存技术的发展已氢和氨都是应对电力需求季节性变化的首选，也可以作为可再生能源间歇性发电的短期后备之选。此外，还可以将氢或氨用于将太阳能和风能充足地区的可再生能源所产生的能源输送氢或氨还可以使用燃料电池或者驱动涡轮机进行发电41,42。目前已开始规划使用燃料电池的千兆瓦级发电厂工作，而较小规模的发电厂已接在涡轮机中燃烧发电。然而，这一过程需要对设备和工艺进行更改，虽然制造商正在开发可充氢的涡轮机，但这种技术尚未得到大规模阳光和风能充足的国家，包括许多低收入国家，可以将所产生的能源以氢或氨的形式储存起来，用于多种用途，从工业和交通运输到用于紧急服务的电力和偏远地区的能源供应等方方面面45。氢和氨都是应对电力需求季节性变化的首选，也生能源间歇性发8同时，氢也是住宅建筑供热的一种可能途径，可以完全或部分取代天然气，尽管就规模而言可能存在相当大的挑战。每户的锅炉和炊具改装费用估计在2000至4000英镑之间46。氢气还会导致钢管及铁管脆化，不过英国等国家正在研究钢管材质的转换，从金属改装为塑料47。纯氢试验项目包括荷兰鹿特丹的一座公寓楼，以及德国霍尔兹威克德的住宅48,49。其他项目则是将氢气和天然气混合用于住宅供计划扩大氢供暖与烹调试验的规模，在2023年扩大到一个社区，2025年扩大到一个村庄，2030年扩大到一座城镇52。住宅供热的主氢能满足大约四分之一的能源需求54。英国和的发展路线是，在2040年之前生产600万辆同时，氢气还掀起了一股新的商业热潮。近年来，私营部门交易量激增。例如，总部位于加拿大的燃料电池领头企业氢燃料电池公司收购57；总部位于英国的电解槽领先制造商生能源开发氢气58；总部位于英国的CeresPower主营燃料电池堆开发制造工作，目前计划中的蓝氢项目包括在公共部门扶持下，公司集团之间开展合作，围绕的问题主要是拥有产业集群的港口和海底储存通道。这类项目包目，而共同的最终计划是将英国工业排放脱碳目前已有几大千兆瓦级绿氢项目正式宣布，包其他项目计划将绿氢转换为氨进行出口。在澳目将面向澳大利亚和亚洲出口市场生产绿氢和氨气66,67。该项目位于红海沿岸的沙特阿拉伯气候变化：科学与解决方案氢和氨9随着成本的下降、效率的提高以及各个领域不断推出的最佳解决方案，氢气和氨气的潜力将工业学习速度的加快，绿氢和蓝氢在未来十年竞争力可能会明显增加69。欧盟估计，目前灰$2.40/kg，绿氢的生产成本为$3.00–如需提高蓝氢相比灰氢的竞争力，需将碳价格控制在€55-90t/CO2范围内65,70估计，到2030年，可再生氢的生产成本可能氢将在2028年左右达到成本平价，而其中的一大关键要素就是可再生电力成本50。传统的“棕”氨生产仍然是最便宜的方式，成本在每公吨$280以内，不过，若仅捕集放，蓝氨几乎可以与之竞争。绿氨的成本会受当地可再生能源成本的影响，因此差别很大，在太阳能和风能资源充裕的地区，甚至可以与人们普遍认为，在可能的情况下，最佳的使用方式就是直接使用可再生电力，但在没有直接出路的情况下，将其转化为氢气可能是最行之对于氢而言，生产地最常用的方法就是直接使用，而如果不能立即或现场使用，则可以储存起来，通过管道运输、液化处理或者通过船舶或管道拖车运输用于电力。如果仍不可行，可以将其转化为氨或其他载体进行运输，之后再转化为氢。如果不进行再转化，氨可以直接用于传统的化肥和制冷用途。氨气专家还强调，氨气的密度和“可燃性”比较特殊，适合直接用低碳氢的优点在于可减少目前使用（氨的生产、精炼和化学品）的碳足迹。接下来最有可能的应用包括发电及重型运输车辆的燃料电池和工业直接燃氢释放热能；其次是长期能源储对于氢或氨被认为是最佳方式的地方，短期投资可侧重于开展示范项目和基础设施试验来扩大规模，可以通过挑战资金或经费进行激励。对于具有增长条件的情况，例如工业港口附近和卡车车队，可以迅速开展示范项目。蓝氢可能在短期内发展迅猛，特别是对于资金由企业集群和公共部门共享的情况。而对于绿氢，则10为了充分发挥氢和氨的潜力，推动净零目标的实现，需要应对诸多研究挑战，再大规模进行于重点研究内容。开发改良电极以及新型催所有能量转换途径进行研究。在催化、电催化、膜、电化学和电化学工程等领域均存在铂和铱氧化物，而这进一步引发了矿物可用政策制定者现在可以采取行动，鼓励这类能氢和氨是实现净零能源组合的关键要素，特别是在能源密集型地区。但这并非唯一的选择，如果决策者希望确定氢和氨与替代方案相比的全部可能性，则需要加快研究、开发和示范项目的工作本简报只是探讨科学技术在全球实现净零排放和适应气候变化中作用的系列简报中的一篇。世界各国都在制定各自在本简报只是探讨科学技术在全球实现净零排放和适应气候变化中作用的系列简报中的一篇。世界各国都在制定各自在本文中的文本根据《创作共用署名许可协议》(CreativeCommonsAttributionLicense)条款授权使用，该协议允许在注明原作者和出处来源的气候变化：科学与解决方案氢和氨2