日本氢能政策转向,氨能登场

作者 | 刘丁   编辑 | 马克

2022年01月11日 18:46  

本文2752字,约4分钟

相比氢能,氨能安全低价,便于液化和运输。

原本将氢能作为“王牌”的日本政府,正引入氨能,希望将发电厂和船舶的燃料替换成氨,凭借燃烧技术突破,以更低的成本实现碳中和。

在2021年10月发布的第六版能源战略计划中,日本政府首次引入氨能,提出到2030年,利用氢和氨所生产出的电能将占日本能源消耗的1%。

《能源战略计划》是日本政府根据2002年6月生效的《能源政策基本法》制定的政策,此后日本政府持续发布此文件的更新版本,披露其能源政策的方向。

在2018年发布的第五版能源战略计划中,日本政府提出,将氢能打造成日本的“王牌”,当时并未提及氨能。

第六版计划中提到的2030年1%目标,主要是指在发电领域,将氢和氨用作燃料,与天然气或煤粉等混烧发电。

日本政府于2020年10月宣布,2050年实现碳中和。第六版计划中提到,为了实现这个目标,占排放量80%的能源部门必须努力改变,火电厂要优先使用零碳的氢、氨燃料替代煤炭等化石燃料。

日本计划首先采用混烧技术,比如30%的氢加70%的天然气,或者20%的氨加80%的煤粉,之后逐步提升氨和氢的混烧比例,计划到2050年实现100%的氨、氢燃烧发电。

第六版计划还要求火电厂利用将二氧化碳从排放源中分离、捕集、利用或封存的技术(CCUS)来实现减排。

日本产业界也正展开行动。

2021年10月,日本电力巨头JERA的氨能混烧示范项目在其日本爱知县碧南市的火电厂首次点火启动。

根据计划,此项目的氨燃料混烧比例到2024年将提高到20%,到2050年将实现100%。

JERA在2021年11月中旬宣布,计划在未来2-3年内,每年采购50万吨氨,用于混烧发电。

供应链方面的行动也已展开,日本希望从澳大利亚获取“绿氨”(用可再生能源制造的氨气)。

挪威化肥巨头雅苒国际(Yara International)2021年7月宣布,将于2023年在澳大利亚试生产绿氨,并计划将其销售给日本的发电厂。

除了可用做发电厂的燃料,氨能还可用于航运业,因为驱动轮船的燃气轮机,也可以采用氨能作为燃料。

雅苒国际出资建造的全球第一艘用氨能驱动的货船雅苒·伯克兰号,刚刚于11月22日下水首航。

12月8日,日本川崎汽船与新来岛造船合作开发的氨燃料船概念设计,获得了日本船级社的原则性批准。

氢能的高成本

日本第六版能源战略计划提出,2030年氢能在能源结构中的占比要达到11%,这主要指的是氢能在汽车、家庭、工业等领域的应用。

日本政府2017年提出要建设氢能社会之后,推出了氢燃料电池汽车,加氢站,还尝试了利用氢能给居民住宅供应暖气和热水。在工业领域,氢能产生的热值高,因此适用于有高温热需求的工业部门。

第六版计划中也指出,日本非电力部门应该通过使用脱碳电源供电,如果是有高温热需求的部门,无法使用脱碳电源,那应该优先使用氢气、合成甲烷或合成燃料,替代化石能源,以促进脱碳。

但是,由于氢能源成本高昂,在汽车领域的推广并不顺利。

2021年初,日产宣布暂停与戴姆勒及福特开发燃料电池车的合作计划,将力量集中于发展锂电池电动车。6月,本田也宣布停产旗下的氢能源车型,主要原因是成本过高导致销量惨淡。

丰田此前大力研发推广氢能源车型,其总裁丰田章男曾公开表示对锂电池电动车持保留态度。但丰田在12月14日发布的全球电动车战略中,却宣布将在2030年之前投入30款包括锂电池电动车、氢能源电动车等在内的电动车型,并且将雷克萨斯品牌转型为纯电动车品牌。

这意味着丰田不再把赌注全部压在氢能源上。

氨能的低价与可靠

虽然氢能源拥有诸多优点,但难以储存和运输。

氢是元素周期表上最轻的元素,很容易泄露,对储存容器要求高,并且氢气非常活泼,与空气混合后很容易发生燃烧和爆炸。

如果远距离运输氢,需要将其液化,在常压状态下,需要将其温度降低到-235摄氏度以下,能耗较高。如果以管道运输,则需要克服纯氢以及掺氢的气体给管道带来的安全隐患,攻克氢气管道的材料难题。

于是,氨进入视野。

氨是由一个氮原子和三个氢原子组成的化合物,是天然的储氢介质;在常压状态下,只需要将温度降低到-33摄氏度,就能够将氨液化,便于安全运输。目前全球八成以上的氨被用于生产化肥,这让氨拥有着完备的贸易、运输体系。理论上,可以用可再生能源生产氢,再将氢转换为氨,运输到目的地。

这样的事情已在澳大利亚发生——利用太阳能发电,用电能将水中的氢提取出来,再将氢转换为氨,液化之后,船运到日本的电厂。

但是,氨运输到目的地后,仍然面临至少两个挑战。

第一,如果将氨转换为氢,其转换过程会造成能量损耗,另外,也需要开发专门的大容量设备、纯化技术等。

第二,如果直接将氨作为燃料,则需要克服氨不容易燃烧的缺陷。氨燃烧的产物是水和氮,不造成碳排放,但是氨的燃烧速度低于氢,发热量也低于氢和天然气,将其点燃并持续稳定燃烧比较困难。

氨能的技术突破

日本在氨直接燃烧方面已取得显著进展。

日本政府在2014年启动了日本重振战略,拨付了500亿日元的研发经费(约25亿元人民币),设立了10个多部门联动的战略性创新研究项目,其中能源载体项目下的氨直接燃烧课题已形成许多成果。

此课题由日本东北大学流体科学教授小林秀昭负责,参与单位包括:日本大阪大学,日本国立研究机构“产业技术综合研究所”(AIST),三菱重工,三菱日立电力,丰田,以及日本燃气轮机、涡扇发动机、军舰制造商IHI公司,日本工业气体和空分设备制造商大阳日酸公司等。

2018年,此课题组展示了可以抑制一氧化氮产生的新型氨气燃烧技术,核心工艺是将氨气与空气搅浑,形成旋涡状燃烧。燃烧氨虽不排碳,但会产生氮氧化物,也会污染大气,因此这项技术意义重大。

课题组还实现了20%氨气和80%天然气在2000kW级燃气轮机中的稳定混烧。

2019年,课题组开发了一种将液态氨直接喷到燃烧器上以实现稳定燃烧的技术。此前,为了向燃气轮机中压入大量的氨气,不得不采用诸如蒸发器之类的辅助设备,而新技术则不需要此类设备,从而降低了成本。

2021年3月,课题组成功实现了70%的液氨在2000kW级燃气轮机中的稳定燃烧,并能同时抑制产生氮氧化物。

参与此课题的IHI公司表示,有信心在2025年之前实现氨燃气轮机商业化,2021年10月启动的JERA氨能发电示范项目,就是IHI公司与JERA合作而来;

三菱重工则正开发4万kW级的100%氨专烧燃气轮机,计划在2025年以后实现商业化,引入发电站。

发电领域、工业领域是碳排放的主要来源,如果氨能源能够替代化石能源,成为新型燃料,将大大有助于日本实现2050年碳中和的目标。

(作者为《财经》研究员,《财经》记者马霖对此文亦有贡献)

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