氨燃料动力船舶来了
■张云帆 肖青松 胡志强
●前不久，由中国自主研发设计的全球首艘氨燃料动力集装箱船获得来自比利时船东的订单，氨燃料动力船舶发展迎来里程碑时刻
●环保效益高，运输成本低，体积能量密度较高，氨在低碳清洁、绿色燃料领域具有较大潜力，是未来航运业脱碳的主力燃料之一
●全球能源转型进入攻坚期，世界各国都在加紧对氨燃料产业的规划部署，积极推动相关技术革新，许多大型项目已经落地
螺旋桨翻滚，掀起雪白的浪花。
在挪威奥斯陆和德国汉堡的航线间，和煦的阳光铺洒在宽广的海面上，一艘巨轮正破浪前行……
这一幕，或将是2年后，全球首艘氨燃料动力集装箱船正式上线后的场景。
据比利时船东CMB公司介绍，这艘由中船集团上海船舶研究设计院自主研发设计的氨燃料动力集装箱船将在2026年交付使用。该型轮船总长150米，配备氨燃料发动机、氨燃料储罐及保障系统，能够装载1400个标准集装箱。相比以往依靠化石燃料驱动的船舶，该型轮船的二氧化碳年排放量减少了将近95%。
中船集团上海船舶研究设计院自主研发设计的全球首艘氨动力集装箱船正在建造中。资料图片
从“氨化肥”到“氨燃料”
说到“氨”，或许会唤起人们对田园生活的回忆：农家院里堆放的一袋袋化肥中少不了它的身影，田地间时常闻到的刺激性气味有时也是拜它所赐……氨是氮和氢的化合物，在常温常压下呈气态，是世界上产量最多的无机化合物之一，有相当一部分氨被用于制造化肥。
19世纪末，随着全球人口数量激增，如何增加粮食产量成为全社会关切的话题。当时的科学家已经意识到，氮元素对农作物生长能够发挥重要作用，而氨恰好是氮元素稳定的载体，人工合成氨自然就成了当时各国科学家争先研究的对象。
1905年的一天，已经在实验室中连续工作几个月的德国化学家哈伯激动地与同事分享自己的“意外收获”：在高温高压的反应条件下，他成功在容器中制成了浓度为6%的氨气。这标志着传统工业人工合成氨技术走上历史舞台，氨的应用领域也逐步拓展。
二战期间，由于战争造成石油资源储备短缺，各国将目光投向其他可替代能源，氨燃料迎来了宝贵的发展窗口。20世纪40年代，布鲁塞尔开发了氨、煤和气体混合动力发动机，以维持战争中期的公共交通。然而，这款发动机的开发是为了克服石油短缺，而不是为了满足环境要求。战后，随着天然气和石油能够以较低的价格供应，再加上发展受生产成本及能源化应用技术成熟度等关键因素的制约，氨燃料的发展被搁置。
但人们不得不面对传统化石燃料排放越来越多温室气体的压力。2023年，国际海事组织制定了航运业碳减排目标，提出到2050年，二氧化碳排放量应比2008年下降至少70%；而氨燃料作为海洋运输业潜在的无碳燃料，被认为是“一种具有吸引力的化石燃料替代品”，重新赢得了世界各国的关注。
与其他燃料相比，氨作为燃料的优势显著——
环保效益高。氨不含碳分子，在发动机中燃烧时不会产生二氧化碳，可以显著减少温室气体的排放。同时，氨来源丰富且制备技术已经非常成熟，可以利用风能和太阳能等可再生能源进行生产制备。
体积能量密度较高。在液态下，单位体积的氨燃烧产生的热量要比氢燃料高出近50%。据悉，氨可以在1MPa左右的加压罐中或在-34℃左右的低温罐中储存。这可以在保证燃料充足的同时，帮助远洋船舶提高船体空间利用率。
运输成本低。当氨以液态被使用时，储存和输送系统无需过于复杂，仅需对常规内燃机进行微小改动，改变压缩比和更换耐腐蚀的管线即可，这大大降低了运营成本。
总之，氨的能源属性和储能属性，使其作为可持续发展动力燃料具有较大发展潜力，被人们报以较高期待。
比“氢”更优越的零碳船舶动力燃料
现如今，在应对全球气候变暖和碳减排目标的情况下，基于化石燃料的传统合成氨工业将逐渐被新的绿色制氨方案所替代——通过风能、太阳能等可再生能源发电直接制取氢气，再由空气中的氮气和氢气便可合成绿氨。
在目前关注度较高的零碳能源中，单位质量的绿氨可以产生十分可观的热量，绿氨的能量密度大大高于氢气。
或许有人会好奇，与在燃烧时同样不会产生含碳污染物的氢相比，氨具有哪些特点呢？
事实上，和氢相比，氨被用作燃料时在许多方面有着更为优异的特性：液氨的存储要比液氢容易得多，一般情况下，氢要降至-163℃才能实现液化，而氨降温至-34℃就能实现液化；相比于氢，氨的爆炸极限范围更窄，发生火灾和爆炸的可能性更低……
此外，更加值得注意的是，作为世界上第二大最常生产的化学品，氨的工业化生产和应用已经有百余年的历史，技术体系和储运基础设施完备。在运输方面，氨有管道、铁路、船舶等多种运输方式，液氨已经在全球范围内开展远洋贸易，现如今全球满足液氨装卸的港口超过120个。
以上多种因素使得绿氨在减排能力、基础设施完善程度、成本等方面具有独特的优势，因此航运业普遍认为，绿氨是未来航运业脱碳的主力燃料之一。
如今，世界各国都在加快探索清洁能源的“新解法”，加紧对氨燃料产业的规划部署，氨燃料的发展进入加速期——
日本在掺氨燃烧技术方面发展迅速，提出了“氨能经济”，计划到2050年实现“纯氨发电”；美国国家能源部门对可再生能源进行宏观布局，重点发展了十余个绿氨项目，推动绿氨产业在商业领域高速发展；韩国宣布将2022年作为“氨气发电元年”，计划在2030年实现氨燃料发电商业化；澳大利亚充分利用“光伏制氢技术”制备绿氢供合成氨使用，同时大力布局氨能贸易，加大对外液氨出口；沙特阿拉伯宣布投资50亿美元建设4千兆瓦的绿氨工厂，该工厂预计将于2025年投入运营，在全球范围内出口绿氨……
2022年，我国国家发改委公布了《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南》，同年针对氨能产业发布了《氨能产业发展中长期规划（2021~2035）》，积极引导合成氨等行业的技术转变，为我国氨能产业的发展指明了方向。
挑战与潜力并存，发展势头不容小觑
相关报告指出，到2050年，在船舶行业的能源结构中，氨燃料动力或将接近五成，独占“半壁江山”。此外，在燃料电池、内燃机和燃气轮机等领域，氨燃料的发展势头也不容小觑——
2023年4月，我国某电力集团燃煤机组成功实现大比例掺氨燃烧情况下的平稳运行，氨的燃尽率达99.99%，有效降低了废气中的氮氧化物浓度；
韩国能源研究所研制出了一种混合燃料汽车，这种汽车由70%的氨和30%的汽油混合而成提供动力，目前已完成了道路测试；
2023年11月，由中车大连公司自主研发的中速大功率氨燃料发动机启动成功，并将于今年应用到商船中，标志着我国已完成氨燃料发动机全产业链的协同；
2018年，美国清洁能源公司成功上市了百万千瓦级的氨燃料电池发电系统，目前已为苹果、谷歌、英特尔等多家大型企业数据中心供电……
随着技术的迭代发展，氨燃料未来有能力在更多的应用场景下替代化石燃料，诸如工业锅炉、固定式发电站、大中型航空/舰船发动机等，都是它的“未来战场”。
然而不能否认的是，氨要想成为面向社会真正的被广泛应用的可持续燃料，还需要克服一些瓶颈。
——氨的毒性。氨无色无味，但自身带有剧毒。氨的有些化合物具有刺激性气味。低浓度的氨会刺激人的眼睛、鼻子和喉咙，如果发生泄漏，人员应该立即撤离该区域，严重时需要寻求医疗。
——氨的腐蚀性。工业上，由于液氨腐蚀导致管道开裂的现象时有发生。在船上，当氨与空气中的水分接触后，形成的氨水可能会附着在船体外壳附近，从而对船体结构造成腐蚀，因此必须加强船上氨泄漏防护措施，同时加强对船体和发动机的日常维护保养，避免对船体造成伤害。
——氨的燃爆性。虽然氨比较难点燃，不容易形成可燃环境，但如果将它放在一个因为其他可燃物而形成的可燃环境中时，氨的存在会加剧燃爆时产生的后果。值得关注的是，如果可燃环境中还有一些诸如氯、次氯酸盐漂白剂等强氧化剂，氨还会与其反应，产生爆炸性化合物。这要求工作人员在处理和存储氨时要格外小心，同时要通过适当的船员培训、正确的防护装备等保证整个船舶的安全性。
不管怎样，氨燃料作为节能减排的一个能源发展路线，已经来到了我们身边。2023年4月，《中国工程科学杂志》中一篇题为《氨能应用现状与前景展望》的论文指出，目前全球多个大型绿氢绿氨项目正在推进，预测到2030年，全球宣布的绿氨项目年生产能力将达到1500万吨。
“晓风催我挂帆行，绿涨春芜岸欲平。”氨燃料发展势头强劲，具有十分广阔的开发与应用前景，值得我们期待与关注。
