氨—零碳肥料、燃料和能源储存（英）

氨水: 零碳带tiliser, 燃料和能源存储 政策简报 政策简报 政治和科学经常大大 不同的时间尺度。一个政策制定者寻求新政策将通常需要证据 答案在几周或几个月,而需要年设计进行研究 严格处理一个新政策的问题。的延长调查主题的价值 不能被低估,但当这不是可能的证据是比没有强。 英国皇家学会的一系列政策简报是一种新的机制,旨在桥 鸿沟。的专业技术人员 英国皇家学会和更广泛的科学社区,这些政策简报提供 当前的快速和权威性的综合体证据。这些简报当前 知识和问题 围绕一个政策仍有待回答 问题的定义往往与一个合作伙伴。 氨:零碳肥料, 燃料和能源存储 发表:2020年2月DES5711ISBN:978-1-78252-448-9 英国皇家学会© 这个工作许可条款下的文本CreativeCommons的归因执照它允许无限制的使用,提供了吗原作者和来源被认为。 许可证可以在: creativecommons.org/licenses/by/4.0 图像不受本授权。 这个报告可以在网上查看: royalsociety.org/green-ammonia 封面图片©2020KBR公司。保留所有权利。 内容 执行概要4 介绍6 目前的合成氨储存和运输基础设施8 氨:健康和环境方面的考虑10 1.氨的脱碳生产12 1.1目前的合成氨生产过程--褐氨12 1.2蓝色氨气生产--利用蒸汽甲烷中的蓝色氢气 含有碳捕获和储存（CCS）的重整（SMR）。14 1.3绿色合成氨生产--利用电解水的绿色氢气14 1.3.1研究的机会16 1.4绿色氨合成的新方法19 2.新的绿色零碳使用氨21 2.1可持续能源的储存和运输22 2.2用于运输和提供氢气的氨气26 2.3氨气作为运输燃料的技术机会28 2.4使用氨加热和冷却32 2.5能量转换效率32 3.国际视野：活动和未来机会34 3.1日本34 3.2澳大利亚35 3.3中国35 结论36 附件一:定义37 附录B:确认38 执行概要 的生产绿色的氨有能力影响 转向零碳。 未来的零碳能源的场景基于风能和太阳能 突出的角色。匹配需求能源与低碳能源供应 安全,从这些断断续续的来源,需要长期可持续能源存储。 这个简报认为机会和与生产相关的挑战和将来使用的零碳氨 在这份报告被称为绿色氨。 绿色的生产氨的转型能力的影响零碳通过脱碳 目前主要用于化肥生产。也许是重要的是,它有以下 氨被用作肥料 超过一个世纪,已经基本 提供足够的食物来养活的重要性我们的地球。目前氨生产 主要是通过蒸汽吗改革的甲烷生产氢 这是送入氨合成通过吗哈伯博斯的过程。氨生产目前占全球的1.8%左右二氧化碳的排放。 脱碳选项主要目标通过整合生产氢 碳捕获和储存或通过生产氢通过水的电解使用可持续的电力。 潜在的用途:氨使用并带来挑战。 人类改变全球氮循环, •作为媒介来存储和运输 化学能量,能量 通过直接与空气反应释放或全部或部分分解的 氨释放出氢气。 •作为运输燃料,通过直接燃烧一个引擎或通过化学反应 空气中的氧气在燃料电池中产生电力汽车。 •存储热能通过 吸收水和通过阶段材料状态(之间变化 液体变成气体)的例子。 以其相对较高的能量密度3千瓦时/升和现有的全球运输和存储基础设施, 氨形成的基础, 综合全球可再生能源 存储和分销解决方案。这些特性表明氨随时可以 竞争选择运输零- 碳能源通过公路、铁路、船舶或管道。 主要是通过应用氨- 全球化肥为基础,是一个贡献者减少生物多样性,广泛的空气质量问题和温室气体排放 在世界各地。氨的新用途存储、运输和利用 因此,可再生能源,必须与环境影响, 特别强调避免和有效消除氮氧化物的排放氨释放。 找到负担得起的和有效的解决方案所有这些挑战,展示技术 可行性、开发适宜的法规和实施安全 程序将打开更多的是至关重要的在全球范围内对一个灵活的路线低碳能源的未来。 在未来的几十年,氨 可能使通过产生重大影响使过渡远离我们的全球对化石燃料的依赖和贡献,在大部分的减少 温室气体的排放。 图1 绿色氨生产和使用。 水 空气 电解 可持续发展的 电 分离 氢 氮 哈伯- 博世过程 可持续发展的 电 氨 现有的使用 扩展使用 能源存储发电 化肥 制冷 (破解) 在PEM燃料电池 使用 碱性 直接 燃烧 燃料电池发动机/发电机 炸药 运输燃料 纺织品和 药品 直接直接在 燃烧固体氧化物(破解) 在PEM燃料电池 发动机/发电机燃料电池 传热 相变/吸收 大部分热存储 介绍 目前氨生产 产生500几百万吨二氧化碳。 氨对全球产生了深远的影响自从发现的合成 哈伯和博世氢和氮在20世纪初德国。 今天氨的关键作用是基本的 目前的无机肥料的原料是什么？支持粮食生产的一半左右 世界人口1. 氨是一个高效的制冷剂 自1930年代以来被广泛使用工业冷商店,食品加工行业在大规模的应用越来越多空调。氨也是关键 组件生产AdBlue 车没有x控制,在制药、纺织和炸药行业。 当前全球氨产量约为176每年几百万吨,主要是通过蒸汽的改革 甲烷产生氢流入 通过哈伯博世氨合成过程 (见第一章)。氨生产是一个高度能源密集型过程消耗 每年全球1.8%的能量输出(蒸汽甲烷重整占80%以上 所需能量)和生产结果 5亿吨的二氧化碳(大约1.8%全球二氧化碳排放)2,3,4。氨合成明显最大的碳 二氧化碳排放化工过程 (图2)。随着水泥、钢铁和乙烯它是"四大"工业之一。 过程必须脱碳计划开发和实施来满足净- 2050年零碳排放目标5. 图2 2010年部分高产量化学品的温室气体排放情况4. 氨 乙烯 甲醇 丙烯 BTX 丙烯腈 苯乙烯 350 300 250 200 150 100 50 0 020 4060 产量(吨) 80100120140160 BTX-苯、甲苯、二甲苯（芳香族化学品）。这些2010年的数字是最新公布的数字。注：2018年的合成氨产量为1.76亿吨，产生约5亿吨二氧化碳（每年）。 1.SmilV.2000年《丰富的地球》。ISBN9780262194495。 2.工业生产力研究所。工业Efficiency技术数据库-氨。 3.InternationalFertiliserIndustryAssociation.2009肥料、气候变化和加强农业发展。 可持续的生产力。见https://www.fertilizer.org/Public/Stewardship/Publication_Detail。 aspx?SEQN=4910&PUBKEY=0E80C30A-A407-49D2-86B5-0BAC566D3B26（2019年5月29日访问）。 4.IEA,ICCA,Dechema.2013年技术路线图-化学工业的能源和温室气体减排通过催化过程。 5.McKinsey&Company.2018年工业部门的去碳化：下一个前沿阵地。见https://www.mckinsey.com/~/media/mckinsey/business%20functions/sustainability/our%20insights/how%20industry%20can%20toward%20a%20low%20carbon%20future/decarbonization-of-industrial-sectors-thenext-frontier.ashx（2019年5月29日访问）。 除了建立使用、氨 可以应用作为一个灵活的长期能源载体和零碳燃料。与 化石燃料,氨化学能量存储和燃料,释放能量化学键的断裂,使。氨(NH3),净能量增益从打破氮气,氢气债券,与氧气,产生氮和 水。重要的是，这意味着，如果可持续能源用于电力生产的绿色 氨,它可以持续使用 周围的空气(氮气78%)和水。 氨的储能特性 基本上是类似的甲烷。甲烷有四个碳氢键 可以释放能量和破碎氨有三个氮气,氢气债券 可以破碎释放能量(图3)。关键的区别是中心原子,在燃烧时,碳原子在吗甲烷产生的二氧化碳,而氨氮原子的结果 氮气,N2. 图3 甲烷和氨的结构。 H HCHHNH HH 甲烷CH4氨NH3 在室温和大气压力, 氨是一种无色、刺激性的气体。来液化散装储存,它需要通过 大气压力或压缩到10倍 冷冻到-33℃。在这种状态下，能量密度氨是大约3千瓦时/升的更少 比,但与化石燃料相比(图4)。 氢气体相比之下也大气压力和室温。 然而氢存储在一定规模被压缩到350到700倍左右大气压力或低温冷却 到-253°C。因此,存储的氢是更加困难、能源密集比氨存储和昂贵的。 图4 一系列燃料选项的体积能量密度。 柴油关键 液化石油气 汽油(辛烷)碳基燃料 零碳燃料 乙醇 液化天然气 甲醇 氨(液体,-35°C)氨(液体,25°C) 氢(液体)氢(700条)氢(350条) Li-battery(NMC) 012345678910 能量密度(千瓦时/l) 图5 氨运输基础设施，包括液氨承运人的热图和现有的氨港口设施(2017)。 关键 氨装载设施氨卸货港口设施 目前氨储存和运输基础设施 有一个高水平的成熟许多氨的储存和运输 因为其广泛的基础设施 使用作为无机化肥的原料。事实上,世界范围内建立了氨基础设施已经存在意义重大氨的海上贸易。国际 航线是行之有效的 有一个全面的网络端口在全球范围内处理氨 规模(图5),这现有的港口和航运基础设施可以启用早期的加速大规模的采用氨作为一种能源的运输向量和燃料。 最大的冷藏氨存储设施往往坐落在港口氨生产,然后发货 在国际上。作为一个规模迹象,卡塔尔化肥公司氨生产 设备有两个50000吨冷藏有一个氨储罐 总共约160米到90米的足迹 (约1.5公顷)6. 6.McDermott.QAFCO氨气储罐-Snamprogetti.见www.mcdermott.com/What-We-Do/Project-Profiles/QAFCO-Ammonia-Storage-Tanks（2019年6月10日访问）。 美国中西部地区的液化氨储存和管道分配网络7。的Kaneb (橙色线）和麦哲伦中游公司（红色线）的氨气管道分别为2000英里和1100英里长。 注：麦哲伦中流管道将于2020年退役。 圆圈区域表明了氨的吨位。最大的圆圈对应于10万吨的设施。 在英国,氨是用来制造硝酸应用于土壤肥料, 在美利坚合众国,氨 主要是直接应用到土壤里去的。因此,美国有超过10000个 氨存储网站,主要位置 在中西部(图6);虽然有一个氨设施的重要存在 洛杉矶(存储容量等城市 在洛杉矶港150000吨)。的 最高密度在爱荷华州有超过1000设施和总存储容量 800000吨。交通不仅是 路,火车和河还通过管道;3000年英里的6-8英寸碳钢管道连接11个州与定期间隔的泵 站,运输约200万吨每年的氨8. 7.美国环境保护局。设施登记服务https://www.epa.gov/frs（2019年6月5日访问）。 8.PapavinasamS.2014石油和天然气行业的腐蚀控制。海湾专业出版社，2，41-131。(doi:10.1016/b978-0-12-397022-0.00002-9)。 至关重要的是,新的应用程序 氨:健康和环境注意事项 在考虑扩大氨的角色 能源存储、氨的健康风险 一旦氨被应用于土壤从化肥或沉积 大气,它转换,通过微生物和根据土壤条件,一系列的 氨的预防接触和产生的环境风险 其他化合物包括一氧化氮、一氧化二氮 任何额外的排放。 从泄漏必须和所有的严格审查系统必须设计最小化 有效地消除这些风险。氨是腐蚀性和潜在毒性。其高蒸汽在标准条件下提高压力 这些危害风险。然而,氨很容易探测大幅的气味浓度 低于造成任何持久的健康水平的后果。 从环境的角度来看,氨 代表了一种慢性危害地球生态系统