氨气作为氢能载体和无碳燃料的研究进展与展望
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2024-08-24
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氨气作为氢能载体和无碳燃料的研究进展与展望
1.氨气作为氢能载体的背景
为了实现 2030 年“碳达峰”和 2060 年“碳中和”的目标，14 家能源电力央企在“十四五”
期间规划的新能源装机数据已超 6亿kW。当风电或光电等可再生能源大量接入电网时，
其不稳定性会对电网的安全性和供电可靠性产生威胁，造成电网弃风、弃光。将这部分弃
电利用电解水制氢技术可以将电网规模的能量存储起来，以克服可再生能源发电间歇性的
问题，增强电网的调峰能力。然而，氢气在常温下的液化压力需要 70MPa，其压缩、储存
和运输极其耗能，难以实现长距离运输。氨气在常温下的液化压力仅需 1.03MPa，通过电
化学方法直接将可再生能源存储进氨气中，有望实现可再生能源的全球输运。
2.各国的研究兴趣
目前，氨燃烧技术发展较快的国家和地区主要是资源匮乏的国家(日本)、可再生能源
丰富的国家(澳大利亚)以及可再生能源利用率高的地区(欧洲)。通过发展氨燃烧技术，日
本能够降低对化石燃料的依赖以及实现能源进口的多样化，提高能源安全；澳大利亚通过
电化学合成氨工艺的进步能够帮助其实现可再生能源的大规模出口，使其成为新能源大
国；欧洲则积极推进碳排放交易市场的建立，通过碳排放交易市场能够促进无碳燃料的规
模应用。值得一提的是，日本经济产业省已经将发展氨燃料产业的中长期目标发布在了
《绿色增长战略》之中，确定了日本到 2050 年实现“碳中和”的目标。
3.论文重点内容
（1）氨燃烧火焰传播特性
层流燃烧速度是反应燃料燃烧特性的重要参数，在验证燃烧化学反应动力学模型和确
定湍流火焰传播速度等方面发挥着重要作用。氨气/空气预混火焰的未拉伸层流火焰速度变
化目前已经得到了广泛地研究，本文将目前的研究结果汇总于图 1，并将这些结果经过光
滑和三阶多项式拟合处理后得到了氨气层流燃烧速度随当量比的变化规律。由图1可知，
氨气/空气预混火焰的最大层流火焰速度接近7cm/s，在当量比为1.05 附近时达到峰值。
与此同时，甲烷的最大层流火焰速度约为35cm/s，氢气的这一数值则在 3m/s 左右，这
说明了氨气的火焰传播要明显慢于甲烷和氢气，实际的燃烧过程中需要通过与碳氢燃料等
反应性高的燃料掺混、富氧、提高进气温度等方法来实现火焰传播的增强。
图1 氨气/空气的层流火焰速度随当量比变化
摘要：
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氨气作为氢能载体和无碳燃料的研究进展与展望1.氨气作为氢能载体的背景为了实现2030年“碳达峰”和2060年“碳中和”的目标，14家能源电力央企在“十四五”期间规划的新能源装机数据已超6亿kW。当风电或光电等可再生能源大量接入电网时，其不稳定性会对电网的安全性和供电可靠性产生威胁，造成电网弃风、弃光。将这部分弃电利用电解水制氢技术可以将电网规模的能量存储起来，以克服可再生能源发电间歇性的问题，增强电网的调峰能力。然而，氢气在常温下的液化压力需要70MPa，其压缩、储存和运输极其耗能，难以实现长距离运输。氨气在常温下的液化压力仅需1.03MPa，通过电化学方法直接将可再生能源存储进氨气中，有望实...
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