以氨燃料为介质的全生命周期储能效率估算_王月姑
3.0
2025-03-29
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第7卷 第2期
2018 年3月
储 能 科 学 与 技 术
Energy Storage Science and Technology
Vol.7 No.2
Mar. 2018
研究开发
以氨燃料为介质的全生命周期储能效率估算
王月姑，周 梅，王兆林，郑淞生
（厦门大学能源学院，福建 厦门 361102）
摘 要：本文讨论了氨作为燃料使用会具备与传统化石燃料显著不同的环境效益，并进一步探讨了氨作为储能
介质的特点，包括储能密度和规模大、受地理条件约束小、便于运输存储等。本文还针对目前的合成氨路线从
理论分析和工业实际两个方面对合成效率进行了估算和评价。针对目前国内核能、风能、太阳能等清洁能源电
力的低谷或弃电问题，建议采用以制氨的方式存储或外运，以便于在电力不足时将其用于发电。建议并评估了
几条基于制氨并发电的路线，并基于现有氨燃料的发电效率计算了各路线在全生命周期内的总储能效率（25%～
40%）和以电换电的效率[2.5～4.0(度/10 度）]。
关键词：氨燃料；氨合成；储能效率；全生命周期
doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0160
中图分类号：TQ 028.8 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2018）02-0301-08
Life-cycle energy efficiency estimation of large-scale ammonia fuel
energy storage system
WANG Yuegu, ZHOU Mei, WANG Zhaolin, ZHENG Songsheng
(College of Energy, Xiamen University, Xiamen 361102, Fujian, China)
Abstract: In this paper, ammonia fuel as energy storage medium is introduced with its advantages of
no pollution, high volumetric energy density and convenient transportation and storage in contrast with
typical fossil fuels at first. And ammonia fuel energy storage system shows great advantages in large
scale and less restriction of geographical conditions when compared with many other traditional energy
storage methods. Besides, the energy consumption as well as the energy efficiency of several ammonia
synthesis systems is calculated theoretically and industrially. The biggest problem associated with the
cyclic and intermittent energy productions like nuclear energy, wind power, solar power and other
renewable energy, is the surplus electricity utilization. Finally, this study proposes a new solution,
where there are no carbon emissions upstream or downstream, that ammonia fuel could be
compounded using valley power or abandoned electricity and then generating electricity when the
supply of electricity is insufficient. It’s demonstrated that the life-cycle energy storage efficiency of
ammonia fuel system related aforementioned synthesis process is 25%～40% and the conversion rate
of electric power is 2.5～4.0 kW·h / 10 kW·h.
Key words: ammonia fuel; ammonia synthesis; storage energy efficiency; life-cycle
①
氨在常温下是无色有刺激性气味的气体，是世
界上大规模生产的化工产品之一。我国是合成氨大
国，每年合成氨总产能已达 6000 万吨以上，占世界
收稿日期：2017-11-14；修改稿日期：2017-12-06。
基金项目：福建省自然科学基金项目（2014J01209），厦门大学能源学
院-金隆昌氨能源及动力联合研发中心经费项目（0290K8110075）及福
建省闽江学者经费项目（X170300101）。
第一作者：王月姑（1993—），女，硕士研究生，主要研究方向为氨燃
料发动机及氨燃料储能，E-mail：belle_yue@163.com；通讯联系人：王
兆林，教授，主要研究方向为氨燃料、零排放动力、新能源汽车、微重
力流体与传热，E-mail：forestwang@xmu.edu.cn.
总产量的 1/3[1]。但目前合成氨最主要用于农业，近
年来国外研究者提出氨燃料作为替代能源具有很大
潜力。氨是富氢载体，所含氢元素的质量分数达
17.6%，完全燃烧只产生氮气和水。在25℃、
1.03 MPa
或-33℃常压条件下能将氨液化，密度可达 630
kg/m3，能量密度高[2]
（高热值计：12.71 MJ/L），而
相同压力温度下氢的能量密度远不及液氨[3]。因此
氨燃料具备以下优点：清洁并可再生、热值较高、
易储存运输、辛烷值高、防爆特性好。基于氨的这
储 能 科 学 与 技 术
302 年2018 年第 7卷
一系列特点，很多学者对氨燃料展开了研究，有关
氨作为燃料用于内燃机、燃气轮机和碱性燃料电池
等国外学者已进行过大量研究[3-6]，结果表明氨作为
内燃机燃料可应用到轻型和重型车辆中[4]；氨的点
火能量高，在燃烧时需要其它燃料助燃[5]；但氨可
以同氢气、汽油、柴油和乙醇等传统（燃料）在内
燃机中混合燃烧提供动力。此外，美国、加拿大、
荷兰、日本等发达国家的研究学者均在积极探索氨
作为燃料的储能潜力[7-8]。
氨的合成及转化效率是其作为燃料能否被大力
推广的制约因素，德国有学者[9]从碳排放和热效率
的角度出发研究化石燃料合成氨技术的优化潜力，
并指出目前采用天然气重整技术吨氨最低耗能
28 GJ，转化热效率为 66.5%。国外学者对合成氨
效率分析研究较多[10-12]，其中巴西圣保罗大学机械
工程实验室的研究者[10]对甲烷蒸汽重整技术合成
氨进行 分析，得出氨转化和冷却系统 损最大占
总损失的 71%～82%，而后对其系统进行优化。传
统氨合成工艺主要是以煤、天然气等碳氢化合物为
原料的蒸汽重整技术，目前新型合成氨法包括电解
水纯电合成以及常压下熔盐法合成氨[13]等技术。我
国对氨燃料的研究还处于初级阶段，国内鲜有以氨
燃料作为储能介质的相关研究。
本文拟介绍氨燃料作为大规模储能介质与其它
储能方式对比的优势所在；并对目前大规模合成氨
厂采用各种工艺路线进行效率估算；同时，将合成
的氨作为燃料直接用于发电，结合目前发电技术估
算氨燃料全生命周期内的总储能效率。本研究将为
能源决策者就目前面临的弃电问题在能源供应体系
的选择上提供一种解决途径，为实现低碳减排、高
效的能源利用提供一种行之有效的办法。
1 氨燃料作为储能介质的环境效益
作为清洁可替代燃料，氨本身不含碳原子，完
全燃烧只产生 N2和H2O。氨与其它传统燃料的理化
性能和部分燃烧特性[14]如表 1所示，由表可知液氨
储存压力小，辛烷值高，体积能量密度值高，低位
热值虽比传统燃料（汽油、柴油、乙醇）的低，但
不存在数量级上的差异。氨燃烧需要的最小点火能
量高，火焰传播速度小，因此作为车用燃料需要配
合其它燃料助燃。
表1 几种燃料燃烧特性方面的比较
Table 1 combustion properties of fuels
性能指标 氨 氢 CNG 乙醇 汽油 柴油
化学分子式 NH3H2 CH
4C2H5OH C8H18 C12H26
压力(25℃)/MPa 1.03 70 25 0.1 0.1 0.1
辛烷值 130 130 120 89.7 85 —
能量密度/GJ·m³ 11.8 3.0 9.4 21.2 32.2 35.4
LHV/MJ·kg1 18.8 121 50.0 26.9 43.8 42.5
理论空燃比 6.14 34.8 14.4 6.52 15.4 15.14
最小点火能量/MJ 8 0.02 0.30 0.14 0.29 —
火焰速度/cm·s1 6 300 41 39 40 33
1.1 尾气排放
由于几种燃料低位热值和空燃比均存在较大差
距，基于完全燃烧的假设，本文将单位燃烧热的尾
气排放情况进行了对比。由表 2可以看出，氢的单
位燃烧热尾气排放总量最少，主要由空气燃烧剩余
的氮气组成，尾气清洁且量少；除柴油和液氢外，
其余燃料的尾气总量在 4%以内。氨燃烧不生成二
氧化碳只有水和氮气，故尾气中的氮气比例高于其
它传统燃料。由此可见，氨燃料的尾气排放总量与
其它燃料相当，但因其尾气中不含温室气体而显示
出良好的环境效益。
表2 单位燃烧热产生的尾气排放量对比
Table 2 Exhaust emission from per unit of combustion
energy
燃料 尾气总量
/kg·MJ1
二氧化碳
/kg·MJ1 水/kg·MJ1氮气/kg·MJ1
氨 0.384 0 0.085 0.298
CNG 0.368 0.055 0.045 0.268
液氢 0.298 0 0.075 0.223
乙醇 0.374 0.071 0.044 0.260
汽油 0.371 0.070 0.032 0.268
柴油 0.432 0.109 0.048 0.274
本文针对等量空气进入燃烧室的情况，分别对
6种燃料的尾气排放性能以及燃烧热总量进行统
计，结果见图 1。从图中可看出氨排放总量仅低于
柴油，比排放最少的氢高 11%，故几种燃料的尾气
总量差异较小。但等量空气氨释放的燃烧热高于其
它传统化石燃料，仅次于热值最高的氢燃料。换言
之，利用现有的发动机，不改变其内部构造按原有
的空气量进气，氨燃料能产生更多的能量，对于提
高发动机功率具有很大的效益，可用于超高速发动
机。若作为储能介质，能起到快速调峰的作用。
王月姑等：以氨燃料为介质的全生命周期储能效率估算
年303 第2期
图1 等量空气进量燃料的尾气排放情况
Fig.1 Emission by the same amount air intake
1.2 氮氧化合物（NO
x
）排放
尾气实验中氮氧化合物排放浓度是考察新型可
替代燃料性能的重要指标。通常尾气中的氮氧化合
物主要是由于燃料中的氮燃烧过热形成而非空气中
剩余氮气过热氧化[15]。虽然氨燃料完全燃烧情况下
不会生成 NOx成分，但在实际燃烧中由于空气与氨
在燃烧室中某些空间范围内不能按化学计量比混
合、燃烧室内燃烧温度不均匀等难控因素，会使得
氮氧化合物的生成难以避免。为了准确预测燃料中
NOx的排放与形成途径，很多学者对全面掌握和分
析氨燃料的燃烧机理做了大量研究，研究发现氨燃
烧的化学机理复杂，化学反应涉及到 18 种化学物质
以及 80 多种反应过程。燃烧产物中的 NOx主要由
NO 组成，与 NO 相比，NO2比例较小，不足 NO
的1%，可忽略不计[16]。
尾气中 NOx浓度还受其它多种因素的影响。氨
与甲烷在小型燃气轮机中混合燃烧情况下，若氨比
例较小时，空气当量比变化对尾气中 NO 排放浓度
的影响较小；若氨比例较大时，增大空气当量比会
导致尾气中的 NO 排放量增大，当空气当量比高于
1.15 时，尾气中 NOx成分会增加[17]。此外燃烧排放
的火焰稳定器能在一定程度上提高燃烧效率并降低
尾气中氮氧化合物的浓度[18]。
汽柴油机动车尾气中 NOx的最新脱除技术就包
括使用尿素或氨吸收剂[19]。而氨燃烧后的尾气中
NOx的处理可直接利用现成的燃料氨引入到尾气中
实现选择性非催化还原（SNCR）
NO 或者催化还原
NO2，将 NO 的浓度从 550g/L 降低到 10g/L[20]。
32
2NH NO O 22
3H O 1.5N
（1）
32
2NH NO NO 22
3H O 2N （2）
因此，在脱除氮氧化物方面，氨燃料燃烧的尾
气处理较传统化石燃料的燃烧尾气要简单，而且处
理成本低，因为化石燃料燃烧不仅要处理 NOx，还
要脱除 HC、PM、SO2以及 CO 等，催化剂成本高
且处理过程复杂。
除上文所述氨燃料具备良好的环境效益外，氨
的储存及运输技术均较成熟，常见的短距离车载船
运外，现有的输气管经过较小的改造即可实现液氨
的输运，故与氢相比采用液氨储能所需的基础设施
建设投资可大大减少。氨储能对地理条件要求不高，
加之国内合成氨市场成熟，运输网络完善，氨储电
可改善可再生能源位置依赖性问题，实现能量的地
域性转移，因此，氨是非常有潜力的大规模储能介
质。作为二次能源，氨的合成过程耗能较高，从全
生命周期的角度有必要讨论氨燃料的来源，故本文
先就目前合成氨工艺讨论其合成效率情况。
2 合成氨技术路线
本文提出 4种合成氨技术路线：① 天然气重整+
低温空分+H-B 技术；② 电解水+低温空分+H-B 技
术；③ 煤气化制氢+低温空分+H-B 技术；④ 电解
水+低温空分+熔盐法合成技术。具体路线阐述如
下文。
（1）天然气重整合成氨法（SMR）包括加氢脱
硫、一段转化、空气分离、二段转化、高/低温变换、
脱出 CO2、甲烷化和氨合成。该技术是目前加拿大、
美国等天然气丰富国家最为经济的大规模制氨方
法，但会消耗大量化石燃料，产生大量二氧化碳，
其步骤简图见图 2(a)。
422(l)
1.5CH 1.5N 3H O 22
1.5CO 4H O （3）
（2）煤气化技术经过 160 多年的发展，应用于
合成氨生产，适用于多种工业化炉型，具体工艺流
程见文献[21]，该合成氨总技术路线反应式见式(4)，
步骤简图见图 2(b)。
2(l) 2 2
0.885C 1.5H O +0.5N 0.135O 32
NH 0.885CO
（4）
（3）商业化电解制氢只有两条技术路线：碱性
电解以及质子交换膜电解（PEM），碱性电解水技
术更成熟，且负载范围广，可在 20%～100%之间。
电解水制氢基本原理如反应式(5)、式 (6)所示：水分
子在阴极被分解成 H+和OH，
H+在阴极得到电子生
成氢原子并进一步生成氢分子；OH则穿过电解质
膜，到达阳极失去电子后生成 H2O和O2。电解水
催化剂
摘要：
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