水面上，一場航運(yùn)減碳的競速賽正悄然上演。
最近，全球首艘純氨燃料內(nèi)燃機(jī)動力示范船“氨暉號”在安徽巢湖水域成功首航，這標(biāo)志著氨燃料在船舶領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用取得重大突破，為航運(yùn)業(yè)節(jié)能減排、綠色發(fā)展開辟出一條新路徑。
航運(yùn)業(yè)托舉著全球80%以上的國際貿(mào)易，其綠色低碳化迫在眉睫。
這兩年，與航運(yùn)燃料低碳化有關(guān)的新聞不絕于耳——特斯拉的Megapack儲能系統(tǒng)開始為遠(yuǎn)洋貨輪供電，全球首艘氫燃料電池渡輪“MF Hydra”已在挪威峽灣實現(xiàn)數(shù)百次往返，珠江口試航的甲醇雙燃料集裝箱船碳排放直降15%，硫氧化物近乎絕跡……
相比人們熟知的LNG、甲醇、氫等燃料，作為新型船舶燃料的氨何以“后來者居上”？巢湖上這艘純氨船，又將如何攜手國內(nèi)船企和科研機(jī)構(gòu)，激蕩起新能源船舶萬億藍(lán)海的創(chuàng)新漣漪？
沒有黑煙的船
7月3日下午3時30分許，氣溫飆升到38℃。當(dāng)我們來到位于巢湖東南角的散兵鎮(zhèn)時，合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院副主任吳殿武正帶領(lǐng)團(tuán)隊成員，在悶熱的碼頭辦公室開碰頭會。距此不遠(yuǎn)的岸邊，“氨暉號”身披首航成功橫幅靜靜靠泊著。
“首航很成功，但相關(guān)參數(shù)還有繼續(xù)優(yōu)化的空間。我們要繼續(xù)開展試驗，找出最為經(jīng)濟(jì)可靠的方案?！眳堑钗湔f。
頂著烈日，我們登上“氨暉號”。沿舷梯下到船艙，一組管線縱橫的動力裝備映入眼簾。這就是氨暉號的“心臟”——一臺200千瓦的高速氣體內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組、2臺100千瓦推進(jìn)電機(jī)及雙槳推進(jìn)系統(tǒng)。
氨，是化學(xué)工業(yè)的重要原料，由于其能量密度高，以及不含碳元素等特性，作為燃料應(yīng)用潛力巨大。但相比甲烷等燃料，氨的燃燒性很弱，燃點(diǎn)更高達(dá)651℃。直到2020年以前，很多人還認(rèn)為氨是不可能在內(nèi)燃機(jī)里被點(diǎn)燃的。
化“不可能”為可能。為激活氨的高燃點(diǎn)，能源研究院團(tuán)隊選擇了當(dāng)時行業(yè)內(nèi)還沒有先例的等離子點(diǎn)體火方式。
吳殿武形象地解釋：“借助等離子體的高能量，不僅可以迅速讓內(nèi)燃機(jī)溫度升高，還能將有些‘害羞’的氨燃料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，使其變得更加‘熱情奔放’，進(jìn)而提升燃燒性?！薄?/span>
從實驗室樣機(jī)到重卡內(nèi)燃機(jī)，從點(diǎn)火頭材料研發(fā)到儲氨裝置個性化設(shè)計……伴隨相關(guān)技術(shù)方案的持續(xù)迭代，氨燃料內(nèi)燃機(jī)功率越做越大。2023年，團(tuán)隊與深圳海旭新能源有限公司開展合作，將目標(biāo)瞄準(zhǔn)了純氨燃料在船用內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用。
“之前的設(shè)計方案是將柴油等傳統(tǒng)燃料與氨混合，但純氨才是真正的零碳排放。”吳殿武告訴我們，當(dāng)馬士基等巨頭紛紛開始布局氨燃料，國內(nèi)科研團(tuán)隊更不能滿足于眼前的小突破，“快馬加鞭，爭取早日形成先發(fā)技術(shù)優(yōu)勢。”
內(nèi)燃機(jī)本質(zhì)上是一個精密的燃燒腔體。為了能在封閉腔體內(nèi)實現(xiàn)長時間的穩(wěn)定燃燒，除點(diǎn)火能量要大，氨還必須從自己的“身體”里裂解出更多的氫。
氨、氫兩種氣體“個性”迥異，但一旦結(jié)合，卻能形成有趣的互補(bǔ)效應(yīng)，為內(nèi)燃機(jī)注入源源不斷的動力。
道理不難理解，真正付諸實施卻遇到了許多新問題。首當(dāng)其沖的是，氫、氨比例如何控制？
“必須要有個能即時讀取氫濃度的靈敏裝置。”研究員陳龍威鉆研氨燃料內(nèi)燃機(jī)動力系統(tǒng)多年，他告訴我們，內(nèi)燃機(jī)在結(jié)構(gòu)上大同小異，最大的考驗在于燃燒工藝和設(shè)備的適配性。
以測氫儀為例，鉛筆盒大小的裝置里布滿精密的氣體探頭，在堪比超級“高壓鍋”的內(nèi)燃機(jī)里，這些探頭如何穩(wěn)定工作？
為解決這個技術(shù)難題，陳龍威和同事們加班加點(diǎn)，在項目合作伙伴的助力下，他們僅用不到三個月就拿出了純氨內(nèi)燃機(jī)測氫儀的設(shè)計方案，“修改過的圖稿足有上百份?！?/span>
沒有黑煙、沒有異味，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：二氧化碳排放近乎為零，氮氧化物濃度不到國家標(biāo)準(zhǔn)四分之一，噪音比圖書館還低。
近一個小時的首航，“氨暉號”實現(xiàn)了純氨燃料的穩(wěn)定充分燃燒、二氧化碳的近零排放和氮氧化物的有效控制等預(yù)期目標(biāo)，驗證了氨氫融合燃料的潛力。
不含碳的燃料“新星”
航運(yùn)業(yè)每年排放多少二氧化碳？約10億噸。
這個數(shù)字相當(dāng)于每年全球汽車排放量總和的530倍，而一艘超大型集裝箱船（VLCC）燒重油一天的排放量，相當(dāng)于3萬輛家用轎車。
脫碳“生死劫”之下，世界各國紛紛押注零碳排放的新燃料。氨就是其中之一。
氨燃料的崛起堪稱一場從“增收明星”到“零碳新貴”的華麗跨界。1727年，英國化學(xué)家哈爾斯首次通過分解銨鹽制得氨（NH?），它由一個氮原子與三個氫原子緊密相擁，其核心優(yōu)勢源于“零碳基因”——不含碳元素，燃燒時主要生成氮?dú)馀c水，這就從根源上阻斷了二氧化碳排放。
但氨獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致了燃燒速度慢、點(diǎn)火要求高等缺陷。此后兩百多年，雖然合成氨技術(shù)不斷突破，但其還是主要被應(yīng)用于化肥領(lǐng)域。直到進(jìn)入新世紀(jì)，當(dāng)氣候危機(jī)敲響警鐘，當(dāng)綠電消納成為必答之題，氨才以“綠色燃料”身份在航運(yùn)業(yè)翻紅。
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