气候变化：科学与解决方案氢和氨1气候变化：科学与解决方案|简报4氢和氨在应对净零排放挑战中的作用概要氢和氨在使用过程中不会产生碳排放，因此在净零经济中潜力十分巨大。这两种都属于多功能型燃料，生产及使用方式多种多样，包括可再生能源生产以及难以进行脱碳的应用领域，例如重型运输、工业和热能，以及能源的储存和运输。这两种燃料已广泛应用于工业和农业，但目前的生产模式所产生的温室气体足迹依然很高。无论是现有还是新型应用，均可以通过生产脱碳而实现显著的温室气体减排。然而，这两种燃料目前都面临一定的挑战，有待技术进步才能解决，包括燃料的生产、储存和使用，特别是实现生命周期净零排放的成本。对于氢和氨在具体实践中，可能会对哪些领域产生关键影响的确定，仍需进一步的研究、开发、示范和部署。思路•氢和氨有潜力成为具有竞争力的净零能源来源和多种应用的能源载体。为了更准确地评估这种潜力，需要进行研究、开发、示范和部署。•应优先在重工业和重型车辆、铁路、航运以及能源储存等具有很大潜力成为领先的低成本低碳替代方案的行业进行氢和氨示范工作。•在工业合作伙伴集群进行大规模示范工作，通常是最具成本效益的方式，其中最适合的通常为港口地区，尤其是进行了海上风电集成的港口地区。•在基础设施等方面开展国际合作，有助于在当前试点项目的基础上发展本文提出的成果，同时应充分结合推动进一步创新的研究成果。2气候变化：科学与解决方案氢和氨1.氢和氨的现状1.1背景氢是宇宙中含量最多的元素，也是公认的能源载体。氢可用于运输、热能、电力和能源储存，而且，使用过程中不会排放温室气体，因此在净零经济中具有巨大的潜力。氨是氢和氮的化合物，也是一种强大的零碳燃料。1.2氢和氨的传统生产与使用目前最常用的制氢工艺是蒸汽甲烷重整(SMR)，产物称为“灰”氢1。每年用于制造灰氢的天然气和煤炭量分别约为全球的6%和2%2。纯氢的全球产量中约有51%用于炼油厂（例如用于去除燃料中的硫等杂质），而用于氨合成的比例约为43%3。其他应用则使用氢气作为一种气体混合物成分，包括工业应用和化学制造中所用甲醇的生产，以及使用电弧炉工艺对铁进行还原，从而实现钢铁的生产。纯氢的需求量每年约达7000万吨(MtH2/yr)，相比20世纪70年代增长了三倍3。氢是最轻的一种元素，体积能量密度较低，难以储存和运输，在许多实际应用中均需进行压缩或液化处理。这些需求均意味着，如今氢气的生产通常需要就近完成。然而，美国墨西哥湾沿岸地区、德国和比荷卢三国等国家均有专门的氢气管道网络4,5。氨是通过哈伯法(Haber-Bosch)工艺，利用氮气及氢气在高温高压的条件下及催化剂的作用下产生的气体6。氨最为常见的用途是生产化肥、用作制冷剂，以及制造塑料及其他产品。氨(NH3)的体积能量密度比氢高，方便储存和运输。全球的氨产量约为175Mt/yr6。如今的SMR和哈伯法都依赖于对天然气和煤炭等化石燃料的使用。氢生产每年排放8.3亿吨CO2(MtCO2/yr)，而氨生产为420MtCO2/yr，加起来约占年度全球温室气体(GHG)排放的2%7,8,9。1.3氢和氨的安全性及环境因素氢和氨都会引发一些需要进行管理的安全问题。氢气的闪点很低，相比汽油低很多，例如，在-43°C下10。但是其在空气中需要达到较高浓度（4%，而汽油只需达到1.6%的浓度）才能燃烧，而且密度低，空气扩散率高，因此弥散迅速，从而可以降低风险11,3。在设计氢气系统时，十分必要的一点就是保持空气流通，同时还要进行泄漏检测。氨气具有腐蚀性和毒性，在标准条件下，ı高蒸气压会导致风险增加。不过，氨气在达到一定浓度后，便很容易通过气味觉察出来，然而此时的浓度远未达到产生持久性健康危害的浓度6。虽然氢气和氨气已在多种行业安全使用了数十年，但对于新的应用领域而言，仍需重新进行测试。从环境角度出发同样需要对氨气的新应用领域进行评估，因为氨基肥料会通过氧化亚氮产生GHG排放，而且还会产生过量的氮，从而导致生物多样性下降，此外，氨气还会与其他污染物反应形成颗粒物，进而造成空气污染。研究表明，氢气对气候或臭氧层的影响非常小12。对于两种情况而言，即便有些看法并未反映出真实的风险，公...