發展“氨-氫”能源機遇與風險并存，氣體檢測是“必選項”
發布時間：2023-09-27
我國氫能行業發展的機遇與挑戰
總所周知，氫能是一種理想的清潔能源，加快氫能產業發展是助力中國實現“碳達峰、碳中和”目標的重要路徑。
2022年3月，國家發展和改革委員會發布了《氫能產業發展中長期規劃 (2021-2035年)》，將氫能正式納入中國能源戰略體系，據預測，中國2050年氫能需求量可能達到6000x104t。
然而，若要實現氫能產業的大規模應用，其面臨的挑戰主要是低成本高效能的燃料電池技術和安全高效的氫氣儲運技術，其中氫氣儲運難和安全性差是制約氫能產業發展的主要“瓶頸”。
● 首先，氫氣因體積能量密度低需35~70 MPa的高壓儲運，導致氫氣的儲運成本高；
● 其次，根據我國2019年發布的《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》預計，2050年將建成1萬座加氫站，按每座加氫站1500萬~3000萬元的建設成本估算，需投入高達1500億~3000億元，基建成本高；
● 第三，2019年在挪威、韓國等國家20天內連續發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、本質安全性弱的缺點。
因此，要突破氫能產業發展的瓶頸，亟需結合中國能源及產業結構特點，發展成熟、安全、高效的特色儲運氫的路線及其配套產業鏈，在此背景下，液氨作為一種氫的衍生物，由于其儲氫密度高、易于儲運，同時也是一種零碳燃料，逐漸受到業界青睞。
目前，日本、韓國、澳大利亞等國均已在積極布局“氨經濟”，利用可再生能源電解水制氫后，通過“氫-氨-氫”或“氫-氨”流程完成“綠氫”的儲存和運輸。
為什么氫氨融合成趨勢？
氨為突破氫能產業瓶頸提供了可行的解決途徑
雖然氫能源擁有諸多優點，但難以儲存和運輸，而且，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。
圖片
于是，氨進入了視野
▲氨（NH3）是關系國計民生的基礎的化工原料，廣泛用于化肥、環保、軍事、制冷等領域
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。
氨作為高效儲氫介質，具有顯著優勢
高能量密度：氨的體積能量密度達約13.6 MJ·L-1，1 L液氨 = 4.9 L高壓氫（35.0 MPa）= 1200 L常溫常壓氫，成氨的能耗與氫液化的能耗相當；
液化儲運成本低：氨只需加壓至1.0 MPa即可以液態形式儲運，一輛液氨槽罐車載氨量可達30 t（約含5.29 t氫），載氫量較長管拖車運氫（載氫量不到400 kg）提高1個數量級，因此運氨成本（約0.001元·kg-1·km-1）也較運氫成本（0.02~0.10元·kg-1·km-1）呈數量級降低。
無碳儲能：氨成熟的技術體系和標準規范及低成本合成、存儲和運輸，可實現季節性、遠距離、“無碳化”的“氨-氫”儲能，且有研究表明，在目前主要研究的幾類電制液體燃料技術（液氫、液氨、液化天然氣、甲醇、有機液態儲氫）中，電制氨的成本最低，效率僅次于電制液氨。
從安全角度，氨的火災危險性僅為乙類，具有較氫氣（4%~76%）更安全的爆炸極限（16%~25%），氨燃燒發生火災和爆炸的可能性極低，且人對氨的氣味極其敏感，泄露易察覺，其刺激性氣味是可靠的警報信號。
從合成氨的途徑來看，公開資料顯示，國內有近78%的氨來源于煤炭，存在高耗能、高排放等問題，在能源轉型呼聲高漲的當下，面臨著巨大的綠色轉型壓力。
為此，以電解水制氫合成氨為代表的技術路線將成為合成氨脫碳的重要路徑，我國合成氨行業能源供給結構由化石能源向可再生能源轉換有著巨大的潛力。
在雙碳戰略目標愿景下，氨將構建起氨能能源體系，“綠電-綠氫-綠氨”成為重要發展趨勢。
雖然"氨-氫"能源是支撐可再生能源規模化利用和綠色能源產業發展的重要載體，但是在脫碳，碳中和等環節的利用過程中，"氨-氫"能源本身所存在的氣體風險也不可小覷！
Part. 01
氫氣的理化性質
氫氣是無色并且密度比空氣小的氣體（在各種氣體中，氫氣的密度最小。標準狀況下，1升氫氣的質量是0.0899克，相同體積比空氣輕得多）。因為氫氣難溶于水，所以可以用排水集氣法收集氫氣。另外，在101千帕壓強下，溫度-252.87℃時，氫氣可轉變成無色的液體。-259.1℃時，變成雪狀固體。
常溫下，氫氣的性質很穩定，不容易跟其它物質發生化學反應。但當條件改變時（如點燃、加熱、使用催化劑等），情況就不同了。
如氫氣被鈀或鉑等金屬吸附后具有較強的活性（特別是被鈀吸附），金屬鈀對氫氣的吸附作用最強。當空氣中的體積分數為4%-75%時，遇到火源，可引起爆炸。
Part. 02
氨氣的理化性質
氨具有中等毒性，但卻有很強的腐蝕性。即使空氣中的濃度非常低，只有百萬分之三十（ppm），可能來自非常小的泄漏，甚至有時是常規操作。
● 如果一個人接觸它超過15分鐘，就會導致呼吸困難；
● 在100ppm時，會出現眼睛和喉嚨的刺激；
● 在500-700ppm時，任何接觸都會變得危險，有灼傷喉嚨、皮膚、肺和眼睛的風險，可能會導致失明；
● 在更高的濃度下，死亡的風險大大增加；
傷害的嚴重程度取決于氨的確切濃度和接觸時間的長短，但在最壞的情況下，它可以導致呼吸道被灼傷，使受害者窒息。
"氨-氫"能源在生產、存儲、運輸、應用等環節，都會存在一定的危險氣體泄漏風險，，一旦發生泄漏，就容易引起爆炸、火災或是中毒，導致大量生命損失和財產安全。
因此，為了安全起見，在各個"氨-氫"能源利用環節中，需要安裝多個氣體泄漏傳感器，實時及時監測，一旦傳感器檢測到危險氣體的泄漏，需要立即發出警報并切斷氫源。
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結語
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