综述：氨作为航运和航空燃料：机遇、环境效益与风险

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Ammonia as a fuel for shipping and aviation: Opportunities, environmental benefits and risks

　　

迫切需要减少温室气体（GHGs）排放以缓解气候变化的影响，这要求摆脱化石燃料。本综述全面评估了可再生氨作为交通运输领域替代燃料的潜在用途，特别关注航空和航运，探讨其减少温室气体（GHGs）排放的潜力。分析了关键的氨相关技术，包括低碳生产路径（例如电气化哈伯-博世（Haber-Bosch，HB）工艺和新兴电催化氮还原）、燃料利用路线（内燃机（ICE）、燃气轮机和直接氨燃料电池）以及用于制氢的氨裂解系统。从技术可行性、基础设施准备度和安全性角度评估了存储和分配选项。深入讨论了腐蚀、泄漏、溢出危害及相关成本等关键挑战。本文强调了采用氨作为燃料的环境效益和挑战，特别关注其对空气质量的影响，以及随后对健康和生态系统的影响。本综述还提供了一个独特的视角，通过分析现有监管框架下欧洲当前和预测至2030年的氨排放（NH₃），排除了交通中基于氨的燃料的额外贡献。这使得能够识别减排目标与未来能源路径之间的潜在差距。总体而言，尽管可再生氨提供了强大的脱碳潜力，但其大规模部署带来了重大的环境和技术挑战，需要综合且基于政策的评估。

以下是对论文主体部分内容的专业总结，保留了文章中的小标题，每段总结符合小标题内容，去除了引用文献标识和图示标识，专业术语用英文缩写备注，并注意了上下角标格式。

**1. 引言**

交通运输行业的脱碳对于向净零经济转型至关重要，该行业每年排放约8?Gt温室气体（GHGs），占全球GHG排放量的约21.6%。国际海事组织（IMO）的目标是到2030年将GHG排放量减少40%，到2040年减少70%，到2050年实现净零排放（与2008年水平相比）。由于电池的续航里程和能量密度有限，难以完全实现远洋运输的脱碳。氨作为一种不含碳的分子，作为航运燃料正引起广泛关注。与氢相比，氨每升的氢含量比液氢高约50%，比700巴下的压缩氢高2.1倍，因此是一种高效的替代燃料和氢载体。在航空领域，国际民用航空组织（ICAO）设定了到2050年实现碳中和的目标，重点发展可持续航空燃料，包括绿色氨和氢。氨具有多种适合作为清洁燃料的特性：在涡轮机、内燃机（ICE）和燃料电池中使用氨作为燃料不会产生CO₂排放，但可能产生NO_x和PM_2.5等其他污染物；氨可由地球上丰富的水和空气合成，提高了能源供应安全性；其体积能量密度（标准温度和压力（STP）下为11.5?MJ/L）和气态氢（10.8?kJ/L）相比更具优势；氨可跨行业应用，包括化肥生产、储能和交通，其储能不受地质限制且成本效益优于电池；现有氨存储和分配基础设施（全球年产约1.8亿吨）可支持其应用扩展。然而，氨也存在挑战：它具有毒性和腐蚀性，吸入会损伤呼吸道；其可燃性差，点火温度高、火焰速度慢；其燃烧会产生氮氧化物（NO_x）并可能转化为强效温室气体一氧化二氮（N₂O）；以及清洁氨生产技术（如电气化哈伯-博世（Haber-Bosch，HB）工艺和电催化氮还原）需要创新以提高效率、降低成本。现有综述研究缺乏对技术、经济、环境风险和政策方面的综合评估。因此，本综述旨在提供高级别讨论，聚焦于航运和航空两个关键交通部门，特别关注空气质量影响、排放控制策略以及与环境相关的挑战，以支持未来研究、行业决策和政策制定。本综述的创新之处在于：联合分析航空和航运部门；将生产、存储、分配、燃料利用和氨裂解技术整合在一个框架内；详细讨论环境影响，特别是空气质量和健康影响；以及分析欧洲当前和预测至2030年的氨排放（NH₃）与现有监管框架的兼容性。

**2. 交通领域的可再生氨燃料**

交通领域约80%的能源需求依赖化石燃料。虽然电气化是脱碳的途径，但在航运和航空等长距离、高能耗领域受到限制。氢作为能量载体面临存储和运输难题，如低体积能量密度和高易燃性。甲醇和氨等从可再生氢化学获得的替代品是良好选择。氨比甲醇的氢含量高40%，且可由可再生氢和氮合成，无需碳或一氧化碳。氨作为氢载体允许在液态下以高于纯液态氢的体积密度存储氢，且其液化所需能量更少。目前约80%的氨用于化肥，但作为能量载体的用途即将增加。氨裂解（分解）后的副产物氮可直接返回大气，这是其作为氢载体的优势。

**2.1. 氨作为航空燃料**

氨因其比纯氢更高的体积能量密度而被提议作为飞机推进的潜在氢载体。氨在飞机系统中还具有热管理和NO_x/H₂O控制功能。历史先例包括NASA的X-15飞机使用无水氨和液氧作为燃料。当代努力包括Aviation H₂公司改造涡轮机使用氨。氨作为航空燃料的优势包括：与氢相比更高的可靠性和安全性；可用于直接氨燃料电池；对现有涡扇发动机仅需微小改造即可消除CO₂排放，无需替换为电动马达。氨可直接使用或裂解为氢用于动力系统。高技术成熟度的方案包括使用双燃料柴油-氨操作的活塞发动机驱动螺旋桨。氨燃气轮机也是替代方案。电动螺旋桨可由锂离子电池和燃料电池（氢燃料电池或直接氨燃料电池）供电。图3展示了基于氨的涡扇发动机框图，其中部分氨通过发动机排气热裂解为氢，与剩余氨混合后进入发动机，这允许集成到现有发动机架构中而无需大量重新设计。

**2.2. 氨作为航运燃料**

氨被越来越多地视为内燃机（ICE）的低碳燃料选项，尤其是在海运领域，但需解决低热值、低十六烷值、慢火焰速度和腐蚀性等技术挑战。大多数发动机材料适用于氨，但铜除外。添加柴油、汽油、氢、乙醇、二甲醚（DME）等助燃剂可改善混合燃料的着火性和火焰速度。氨/汽油混合物具有高辛烷值，避免爆震，且汽油易于存储。氨/柴油方法中氨吸入、柴油直接喷射，可提高功率和热效率；氨/生物柴油混合物产生略高的NO_x但显著降低碳氢化合物排放。氨/氢混合物可利用船上催化氨裂解反应器制氢，实现完全无碳。氨被视为绿色转型和全球脱碳努力中的关键能量载体，预计将与氢和甲醇等其他低碳燃料互补，共同实现全球可持续性目标。表2给出了氨在航空和海运中应用的技术、操作、环境和安全方面的比较。

**3. 氨的存储与分配**

随着氨作为燃料的应用增加，其生产、存储、运输和分配量将显著增长。

**3.1. 氨的存储**

氨易于液化：在1?bar下于?33.577?°C液化，在20?°C下于0.857?MPa液化。液态氨可加压或冷藏存储。

**3.1.1. 加压罐或容器**
通常由碳钢制成，在环境温度和1.6–1.8?MPa压力下运行，无需制冷系统。球形存储容器因最小化壁厚而受青睐。

**3.1.2. 冷藏罐或容器**
在?33?°C和常压下运行，保温良好，容量通常为10–60千吨。另一种类型在约0?°C和较低压力下运行，制冷需求较少。

**3.1.3. 地下存储**
在美国和挪威存在氨的地下存储案例，洞穴需预处理以防止水流入，确保安全有效存储。

**3.2. 氨的分配**

**3.2.1. 容器**
洲际运输使用化学品和半冷藏液化石油气油轮。短距离（<500?km）使用卡车，成本约0.07?美元/kg。存储罐通常考虑85%可用容量以允许膨胀。

**3.2.2. 氨管道**
美国和欧洲拥有广泛的氨管道系统，长度超过4800?km。管道运输成本通常高于船舶，例如1500?km管道运输成本约0.09?美元/kg，而船舶仅需0.035?美元/kg。

**3.3. 挑战**

**3.3.1. 腐蚀**
无水氨储存容器中的钢质应力腐蚀开裂是安全问题，可通过添加水（如0.2%）和排除氧气来防止。铜及其合金不应与氨接触。

**3.3.2. 泄漏和溢出危害**
氨泄漏会对人类健康和生态系统产生负面影响，并可氧化为N₂O，由于其高温室气体潜力，即使少量泄漏也可能抵消GHG减排效益。

**3.3.3. 总体成本**
使用氨作为能量载体的总成本包括生产、存储、分配以及再转化为电或氢。电氨（e-ammonia）生产成本较高，约805–1264?美元/吨，且电-氨-电的往返效率低，目前不具竞争力，但技术进步有望改善。

**4. 环境效益与风险**

**环境效益**：主要在航运和航空部门的GHG减排。IMO估计2018年海运占全球CO₂排放约3%，目标是到2050年实现净零排放。航空业占全球CO₂排放约2%，通过欧盟排放交易计划和CORSIA等机制减排。

**环境风险**：
- **取决于生产和运输方法**：使用氨作为燃料不会排放CO₂，但若使用化石燃料生产氨则会排放GHG，且运输和存储存在溢出和泄漏风险。
- **对空气质量的影响**：氨燃烧不完全导致NH₃逸散排放，并可能形成NO_x。氨也可通过硝化、反硝化和厌氧氨氧化过程转化为N₂O，其百年全球变暖潜力约为CO₂的273倍。氨排放还导致PM_2.5形成，这是欧盟成员国过早死亡的主要空气污染物。欧洲约94%的NH₃排放来自农业，PM_2.5暴露每年导致约18.2万人过早死亡。根据《国家排放上限指令》，即使采取额外措施，2030年的NH₃排放减少仍不足以符合上限，而当前排放预测未考虑氨作为燃料的潜在贡献。
- **对健康和生态系统的毒性影响**：氨是一种有毒气体，高浓度时可导致严重呼吸损伤。但最显著的健康负担可能来自次级污染物PM_2.5（包括铵盐）和臭氧（O₃）。尽管存在这些担忧，用氨替代碳氢燃料可能在某些情况下带来净空气质量效益，因为氨基系统排放的污染物种类更有限（主要是NH₃和NO_x），但只有在氨燃烧系统实现极低NH₃和NO_x排放时才能实现。氨泄漏还可能对含水层系统造成损害。

**5. 结束语**

在航运和航空等交通部门使用氨作为燃料，考虑到其相比传统化石燃料的能量效率，有潜力为这些部门走向碳中和铺平道路。一些要求需要满足：氨的生产必须仅使用绿色能源作为原料；必须考虑并避免溢出和泄漏风险，制定控制计划；运输方法需考虑氨的易燃性、毒性、腐蚀性特点。此外，除了现有用于化肥工业的基础设施外，还需为生产、存储、分配和使用氨作为燃料建立必要的基础设施，包括规划加注站、存储设施和处理程序。在环境影响方面，主要挑战是氨作为燃料可能导致NH₃排放增加，超出当前预测，使满足排放上限要求更加困难。环境空气质量指令的修订将要求将氨作为新兴污染物进行监测和控制。因此，使用可再生氨作为替代燃料的环境影响不应仅关注其GHG减排，还需要以整体方式进一步估算氨向大气、水和生态系统的所有排放。