程一兵 澳大利亞工程院院士、澳大利亞 Monash（蒙納士）大學終身榮譽教授、武漢理工大學學科首席教授、佛山仙湖實驗室學術委員會副主任
大家下午好！我是來自佛山仙湖實驗室的程一兵。
今天與大家分享一下我們仙湖實驗室對氫氨融合顛覆性技術及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的認識與規(guī)劃。
下面我主要從氨能的燃燒特性以及國外對氨能燃燒的研究，介紹零碳氨能技術和仙湖實驗室在氨能、氫氨融合方面的一些思考。
“雙碳”達標目前是推動能源技術革命的最大驅動力。氫能是實現(xiàn)“雙碳”達標的重要技術途徑，它的來源豐富，可以利用光伏、風電通過電解水制氫。氫既可以通過燃料電池來發(fā)電，也是一種高溫燃料，所以它是具有高熱值、高能量轉化性、無毒性的、可再生、可持續(xù)的理想清潔能源。
除了成本的挑戰(zhàn)以外，氫能還有儲運方面的諸多難題。氫氣非?；顫?，在和空氣混合以后，容易產(chǎn)生燃燒和爆炸。同時，氫是元素周期表中最小的原子，在高溫、高壓下可以穿透鋼板，因此對儲存材料的要求非常高。氫氣的液化溫度達到-253℃，因此液氫的制備過程能耗很大，安全儲運液氫成本高、技術難度大。
國內(nèi)外有一些研究把氨能作為儲氫的一個介質(zhì)。對氨本身我們并不陌生。氨是化肥，也就是氮氣和氫氣合成的氨，主要應用于農(nóng)業(yè)、化工、制藥等行業(yè)，全世界已有大規(guī)模生產(chǎn)。全球氨氣的年產(chǎn)量達到1.8億噸，而且液氨輸運的技術和安全規(guī)范已經(jīng)非常成熟。
現(xiàn)在人們把氨作為一種新能源進行研究，主要是基于兩個考量：一是作為儲氫介質(zhì)，同時它還是一個零碳燃料。
氨的新能源功能之一是作為氫能載體，因為1個氨含有3個氫和1個氮。它很容易液化，只要-33℃就可以液化，或者在常溫下10個大氣壓就可液化；氨的點火溫度比氫高很多，相對氫氣要更安全，方便運載。大家在公路上可以看到運氨的車，也可以通過管道運輸。現(xiàn)在的思路是氨合成后，一部分用于化肥，另一部分可作為氫能的載體輸運。氨的裂解也是非常成熟的技術，加溫后變成氮氣和氫氣。
氨的另一個新能源功能是作為零碳燃料，這是我今天想著重介紹的。氨本身是一種零碳化合物，同時它的能量密度很高，是液氫的1.5倍，它和氧的燃燒反應產(chǎn)物是水和氮氣。我們知道氮氣約占空氣78%，氮氣本身并不是一個有害氣體，所以氨燃燒是零碳排放。但是氨氣作為燃料應用的研究相對較少，全世界目前已知的能高溫燃燒的燃料絕大部分都是化石燃料，是含碳的燃料。真正不含碳并具有實用性的燃料只有兩種，就是氫和氨。但是氨氣燃燒有自己的特點，氨不容易燃燒，這對安全儲運是一個優(yōu)點，但對利用氨能作為燃料增加了技術挑戰(zhàn)。對氨燃燒技術，國外做了一些研究，國內(nèi)做得還不夠。高溫燃燒產(chǎn) 物是二氧化碳的一個主要來源，剛才郭烈錦院士也講到，碳排放主要來自發(fā)電、供熱和制造業(yè)。
據(jù)分析，到2050年、2060年即便全球實現(xiàn)碳中和，仍然有接近1/4的能源要依賴燃料，這一部分燃料靠什么？據(jù)分析有六大工業(yè)很難擺脫對燃料的依賴，包括海運、長途重載汽車、煉鋼、高溫工業(yè)制造（如玻璃、水泥、陶瓷）、航空、長期儲能等。
這些領域對高溫燃料的需求可能不可缺少，那么我們怎么辦？比如說建材行業(yè)，建材制造業(yè)是我國碳排放的一個大戶，占我國碳排放的14%左右。佛山是陶瓷生產(chǎn)的重鎮(zhèn)，中國很大一部分建筑陶瓷就是佛山生產(chǎn)的?；鹆Πl(fā)電、鋼鐵冶煉都是碳排放大戶，因此必須開展低碳或者零碳燃燒技術的研究。陶瓷、水泥、玻璃都是在高于1000多度的高溫下制備的，在這些領域用什么做燃料來達到碳中和？從這個角度來說，我們可以考慮用氫和氨進行燃燒。
氨燃料和其它燃料相比，它的能量密度高，具體能量成本比較低，但是氨燃料存在幾個挑戰(zhàn)：一是燃燒速度和熱值都比較低，它的燃燒速度遠遠低于氫，這對于工業(yè)應用有一定問題。二是發(fā)熱量相對來說比較低，它的熱值比其他的天然氣、氫都要低，點火比較困難，不太容易點燃和實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，對于用作燃料來說，如何讓它穩(wěn)定地燒起來就是一個技術挑戰(zhàn)。
下面介紹一下國外在這方面做的一些研究。這個方面在國內(nèi)研究得相對較少，我重點介紹一下日本在這個方面做的一些研究。
日本政府在2014年啟動了日本重整戰(zhàn)略，要重整日本的經(jīng)濟，設立了10個國家重大研究計劃，其中之一就是能源載體重大研究計劃，投資約合人民幣2.5億元，耗時5年。這個計劃的出發(fā)點就是為了解決氫能儲運困難的問題。他們尋找了三個比較有可能作為氫能儲運載體的技術，一是液氫，就是把氫液化；二是用有機化合物合成的含氫有機化合物；三是氨。他們主要研究了這三種液態(tài)氫能載體的制造、運輸、儲運和應用。這里面包括三大塊：一是怎么樣合成、制備這三種液態(tài)燃料，二是怎么樣安全地運輸這三種液態(tài)燃料，三是怎么樣應用這三個氫的載體。
日本很多著名的大學和企業(yè)，比如東北大學、大阪大學、三菱重工等都參與了這項研究，其中對包括氫能和氨能的燃燒技術做了很多的研究，我著重介紹一下燃燒的情況。首先介紹一下在內(nèi)燃機里的燃燒。這是日本東北大學小林秀昭教授牽頭做的氨燃燒研究。如果氨氣能形成視頻上所顯示的這樣的穩(wěn)定燃燒，就可以工業(yè)應用了，但是能將氨氣燃燒成這樣不是很容易，這里面有很多技術挑戰(zhàn)。
通過日本研究人員的研究，可以看到要使氨穩(wěn)定燃燒非常困難，它很可能燒了一下會熄火。所以怎么樣能夠使氨進行高速穩(wěn)定燃燒，日本在這方面做了很多的工作，他們的技術現(xiàn)在已經(jīng)到了可以應用的階段。日本的東北大學、豐田和IHI公司對氨燃燒的渦輪機、汽輪機都進行了研究。因為日本不像中國有巨大的硅酸鹽建筑材料制造業(yè)，所以日本的重點是用于發(fā)電。
氨的燃燒不會有碳排放，但是可能產(chǎn)生氮氧化合物。日本對如何控制氨燃 燒產(chǎn)物里的氮氧化合物也做了很多研究，他們能夠把氮氧化物控制在100ppm甚至10ppm以下。這是三菱重工目前在開發(fā)的4萬千瓦100%純氨燃燒發(fā)電機，2025年要實現(xiàn)實用化。
這個視頻是氨燃燒在工業(yè)窯爐的應用，可用于鋼鐵、玻璃、陶瓷行業(yè)。這個工作主要是日本大阪大學的赤松史光教授牽頭的，他們是在實驗室里面用模擬的工業(yè)爐，用氨來燃燒10-100千瓦的燃燒爐。雖然爐子比較小，但是這個燃燒器是工業(yè)級規(guī)模的。我剛才講了，要實現(xiàn)這樣的穩(wěn)定火焰本身就是一門技術，日本在這方面做了相當?shù)难芯?，取得了比較好的結果。他們在10千瓦的爐子上和船用的內(nèi)燃機上都做了很多研究。
他們這個研究計劃從2014年到2018年，在這些重大研究計劃成果的基礎上，日本政府通過經(jīng)產(chǎn)省，也就是相當于我們的工業(yè)部，對零碳燃料作出了一個重大的調(diào)整。今年4月份的報道，日本經(jīng)產(chǎn)省認為氨能更適合作為燃料進行實際使用，因此政府做了一個重大調(diào)整，優(yōu)先使用氨能作為實現(xiàn)2050年碳中和達標的清潔燃料。我覺得這個信息一定要引起我們國家的重視，因為日本這是在十多個企業(yè)和大學聯(lián)合研發(fā)了5年以后，政府作出了這樣一個調(diào)整，同時還制定了氨燃料發(fā)展的線路圖，規(guī)劃到2030年、2050年如何實現(xiàn)零碳高溫的燃燒技術。
今年10月份，日本政府公布了第六版能源戰(zhàn)略計劃，里面第一次把氫能和氨能的燃燒納入國家能源戰(zhàn)略計劃中，第一次明確提出優(yōu)先推廣氫、氨混燒的發(fā)電技術。他們并不是一開始就100%用氫、氨取代化石能源，而是分步進行，首先是30%的氫氣 70%的天然氣，20%的氨氣 80%的煤粉來實現(xiàn)混燒技術，2050年要實現(xiàn)100%氨氣和氫氣的燃燒發(fā)電。我認為這代表了今后在高溫燃燒、零碳燃料的一個發(fā)展方向，應該引起我們的重視。
與此同時，韓國也緊緊跟上。今年的11月16日，韓國政府的工商能源部公布了氨能和氫能的高溫燃燒計劃。他們成立了一個氫氨發(fā)電示范促進領導小組，目標就是推動氫、氨與天然氣、煤混合燃燒發(fā)電。2030年氨能發(fā)電要占全國發(fā)電量3.6%，而且要逐步地把煤發(fā)電用煤、氨混合發(fā)電取代，2050年要實現(xiàn)完全零碳氨燃料發(fā)電達到21.5%，氫能發(fā)電13.8%，所以韓國的計劃是2050年約35%左右的高溫發(fā)電是氫、氨完成的。我們國家一定要從現(xiàn)在就跟上研究。我們現(xiàn)在研究氫能燃料電池汽車，這是完全正確的，但是我們也要重視用氫能和氨能作為一種零碳的高溫燃料的研究和應用。
澳大利亞目前在積極布局向日本和韓國提供氨燃料，因為澳大利亞的陽光非常充足，他們在澳洲制氫制氨，把氨能用海運輸送到日本和韓國。
這是今年2月份丹麥建立的歐洲最大的綠氨生產(chǎn)基地，1GW的綠氨生產(chǎn)基地。這是兩個星期前挪威第一艘用零碳氨燃料發(fā)動機作為動力的貨輪下水。
實際上中國是世界上氨氣產(chǎn)量最大的國家，因為我們是農(nóng)業(yè)大國，我們的化肥需要氨，氨的價格在市場上稍低于天然氣價格，氨3500-4000元/噸，3-4元 /公斤，這個價格遠遠低于氫，氫現(xiàn)在約60多元/公斤。目前我國的合成氨多是用煤和天然氣制備，在高溫450度、200個大氣壓下制備。氨的合成有100多年歷史，技術非常成熟，但是目前它面臨的問題是，所用的氫是化石能源制備的灰氫，所以氨是灰氨，不能減少碳排放。因此怎么樣用綠氫合成綠氨，這是下一步的挑戰(zhàn)。氨的合成里面70-80%的成本來自于氫，所以氫、氨是緊緊連在一塊的兩個技術，要想把綠氨用廉價的方式制出來，必須要有廉價的綠氫。
澳大利亞主要是用太陽能電解水制氫，然后用傳統(tǒng)的哈伯-博世工藝合成氨。另一個方式就是天然氣制氫、加碳捕獲，即用藍氫來合成藍氨。廉價的光伏就會產(chǎn)生廉價的綠氫和綠氨。因為澳洲的陽光非常充足，光伏發(fā)電成本較低，根據(jù)今年8月-10月的統(tǒng)計，澳洲的綠氫成本已經(jīng)做到3.75澳幣/公斤，大約16-19元人民幣/公斤，這個價格與中國目前天然氣制氫差不多了。如果這個價格還能夠繼續(xù)降低，那么合成廉價的綠氨完全有可能。另外，更超前的是用電化學制氨，目前這還是處于實驗室研究階段。
在對國際信息的研究、研判和梳理下，佛山仙湖實驗室制定了相應的氨能研究規(guī)劃。我們實驗室的重點研發(fā)方向是與氫能應用相關的新材料、新技術，因此，實驗室制定了氫氨融合新技術的發(fā)展規(guī)劃。我們認為氫氨融合是國際清潔能源的前瞻性、顛覆性、戰(zhàn)略性的技術發(fā)展方向，是解決氫能發(fā)展的重大瓶頸的有效途徑，同時也是實現(xiàn)高溫零碳燃料的重要技術路線。我們希望在仙湖實驗室盡快建立氫氨融合燃燒實驗室，建立一流的研發(fā)隊伍，實現(xiàn)零碳的內(nèi)燃機和零碳的高溫工業(yè)爐穩(wěn)定燃燒。同時，我們也希望盡快和佛山的陶瓷行業(yè)開展合作，能夠幫助他們在生產(chǎn)過程中減碳，首先實現(xiàn)碳達峰，再進一步向碳中和發(fā)展。
電解水制氫和燃料電池汽車仍然是仙湖實驗室的一條研究主線。在電解水制氫的基礎上，我們要研究二代的綠氨合成技術，車載的氫氨分離器技術，并研制氫氨融合的內(nèi)燃機，用于大功率的卡車和輪船。同時我們還要開發(fā)零碳的氫和氨的燃燒技術，幫助硅酸鹽行業(yè)、發(fā)電行業(yè)首先實現(xiàn)碳達峰和碳中和，這是我們的規(guī)劃。
小結：我認為氨是一個便于安全輸運的儲氫介質(zhì)，同時也是一個可再生的零碳燃料。氨作為一種零碳燃料對硅酸鹽建材和火力發(fā)電行業(yè)實現(xiàn)碳達峰和碳中和具有重要的意義。國外在這個方面已經(jīng)做了比較早的布局，我們國家還剛剛起步。仙湖實驗室要搶占先機，在國內(nèi)率先成立專門的研發(fā)機構，組織人員和團隊開展具有一定規(guī)模的綠氨制備、氫氨融合內(nèi)燃機燃燒和氫氨高溫窯爐燃燒技術的研發(fā)，為我國制造業(yè)實現(xiàn)“雙碳”達標做出貢獻。
謝謝大家。
