韩国研究人员为何押注氨，以解锁清洁氢能
韩国科学家展示了一种无需燃烧化石燃料即可制氢的方法：在高温下将氨分解为氢和氮。韩国能源研究院的工程师称，他们研发的反应器可在接近1,112华氏度（约600摄氏度）的温度下运行，产出的氢气纯度达99.97%。这种氢气适用于为车辆或建筑供能的燃料电池。该项目旨在减少氢能供应链中的二氧化碳排放，同时采用可规模化推广的材料和工艺。
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氢能已用于火车、试飞中的飞机、汽车、公交车和船舶。然而，目前大多数氢气是通过蒸汽甲烷重整天然气制取的，这一过程会排放二氧化碳。清洁制氢路线正在不断增多，包括利用风能和太阳能驱动水电解。氢气运输则是另一项挑战。氢气密度极低，长距离运输时必须压缩，或在超低温下液化。氨是一种常见的化肥原料，可提供替代方案。氨在适度条件下即可液化，其分子键中携带氢。如果能在目的地将氨裂解为清洁氢气和氮气，它就能成为连接可再生能源丰富地区与需求旺盛地区的实用桥梁。
走进KIER反应器：将氨转化为燃料级氢气
氨裂解的化学原理很直接。氨分子（NH3）在催化剂作用下受热，会分解为氢气和氮气。按配平后的反应式，两个氨分子生成一个氮分子和三个氢分子。钌是一种与铂同属贵金属的元素，因在约600摄氏度下性能良好，常被用作催化剂。KIER的装置采用这一催化路线，随后对气流进行提纯，获得燃料电池级氢气。
氢气离开裂解器时，还混有氮气和少量未反应的氨。压力摆动吸附是炼油厂常用的提纯步骤，可用于分离这些气体。多孔材料床在加压时吸附杂质，降压后释放高纯度氢气。多个吸附床在吸附和再生阶段之间循环切换，以稳定供气。KIER介绍称，反应器安装在方形金属框架内，配有管道、软管、仪表和气瓶；其控制系统会回收部分工艺气体，以维持高温，无需点燃烃类燃料。这样可避免在转化环节直接排放二氧化碳。
氨为何是高效的氢载体
氢气的储存和运输颇具难度。液氢需要在约零下253摄氏度的低温储罐中保存。蒸发损失必须加以控制，运输也需要大量资本投入。氨在约零下33摄氏度或适度压力下即可液化。化工行业早已在全球范围内大规模运输氨。对于能源产业而言，这意味着生产商可以在可再生能源成本低廉的地区合成氨，用船运输，再在靠近终端用户的地方进行裂解。
韩国的工业试验正在提升这一模式的可信度。Syzygy Plasmonics与乐天化学在蔚山测试了一套全电动氨裂解系统。该装置实现了81%的能效和99%的转化率，日产氢气约290公斤。据报告，其能耗约为每公斤氢气11千瓦时，设计目标为每公斤8千瓦时。合作方计划开发一座小型商业化工厂，以满足当地需求。这些成果表明，氨进口路线有望服务于韩国、日本及其他能源需求旺盛的地区。
从实验室走向道路与船舶：氨能如何改变交通运输
燃料电池汽车需要极高纯度的氢气，因为聚合物电解质膜电堆中的催化剂对杂质十分敏感。KIER报告的99.97%纯度符合这一要求。一种可能的部署方式是建设区域枢纽，接收氨后就地裂解，并将提纯后的氢气输送至加氢站。船厂、港口和物流园区是早期系统的理想选址，因为这些地方已经具备处理危险品和大规模能源流的条件。
直接以氨为燃料的发动机
韩国工程师也在探索将氨直接用作燃料。由韩国机械与材料研究院牵头、现代汽车和起亚参与的联盟，发布了一款高压发动机，可将纯氨直接喷入燃烧室。团队通过协调多级燃料喷射与可变气门正时，并强化点火系统，提高了运行稳定性和动力表现。一套专有的尾气后处理系统可减少氮氧化物和未燃烧氨，以改善空气质量。该设计无需气态氨重整器，从而简化部分应用。其目标应用包括船舶推进、离网发电和重型车辆，相关部署计划正在评估中，拟于2027年推进。
构建供应链：船舶、储罐与工厂
大规模氢能贸易将依赖专用船舶和储存设施。HD韩国造船海洋工程公司获得了美国船级社对一款氢气运输船储罐的原则性认可，该储罐采用真空绝热技术，可将温度维持在接近零下253摄氏度的低温。该公司及合作方正在研究一艘8万立方米液氢运输船。液氢储罐的研发进展，也与现有氨运输船队相辅相成，后者可同步支持能源运输。
陆上制造能力也在提升。现代汽车已开始在蔚山建设一座新工厂，生产新一代氢燃料电池和聚合物电解质膜电解槽。该项目投资超过6.44亿美元。工厂计划于2027年竣工，年产燃料电池约3万套。该计划旨在提升产品性能并降低成本，同时推动氢能生产关键技术在韩国本土落地。
业内人士怎么说
HD KSOE高管认为，储罐项目取得进展是推动能源运输脱碳的更广泛努力之一。
我们将继续与全球领先企业合作，推动能源转型并实现净零目标。
新型储罐、发动机和燃料电池制造项目的结合，显示各方正协同努力，将试点项目转化为完整的供应链。
韩国清洁制氢路线日趋多元
韩国实验室正在推进多种清洁制氢路线。韩国机械与材料研究院研发了一套20千瓦固体氧化物电解系统，已高效制氢超过3,000小时。固体氧化物电解在高温下运行，因此可以利用工业过程中的热量，减少电力消耗。这一路线可与钢铁厂和化工厂良好结合。
其他团队也在探索互补性化学路线。KIER科学家报告称，他们研发的催化剂可将二氧化碳转化为一氧化碳，而一氧化碳是合成燃料的重要原料。学术团队已展示利用电化学电池在室温下制取绿氨的路线。包括日本和韩国在内的国家已表示有意进口与风能、太阳能项目挂钩的绿氨，因为与氢气相比，氨更易储存和运输。
氨必须清洁，才能带来气候效益
这里有一个重要前提：以化石燃料制取的氢气生产的氨，碳足迹很大。在目的地裂解这种氨，并不能消除上游排放。分析人士还提醒，将氨或氢气与煤炭或天然气混烧，在计入全部能源和物流成本后，气候效益有限。氢能最适合率先应用于难以电气化的领域，例如钢铁、化工、远洋运输和季节性储能。韩国规划者在制定目标和标准时，正在权衡这些利弊。
风险、能效与后续关注重点
能耗是一项关键指标。蔚山氨裂解试验报告的能耗约为每公斤氢气11千瓦时，设计目标为每公斤8千瓦时。能耗降至较低水平将有助于降低成本。作为参考，氢气的低位热值约为每公斤33千瓦时。改进催化剂、优化热能整合并采用电加热，可降低裂解过程的能耗负担。
安全与排放需要谨慎设计。氨具有毒性且气味强烈，因此运营方需要配备监测和通风系统，并制定应急预案。氨用于发动机时，还需要尾气后处理来控制氮氧化物。运营方将关注催化剂和膜的耐久性，以及压缩机和泵的维护周期。企业正在设计完全依靠电力运行的裂解系统，这有助于使用风能和太阳能为其供电。KIER也在研究用于建筑的氢燃料电池，这表明交通运输和固定式发电可能同步发展。
要点
- KIER展示了可在接近600摄氏度下裂解氨的技术，在转化环节无需燃烧化石燃料，即可产出纯度达99.97%的氢气。
- 该工艺使用钌催化剂和压力摆动吸附，为燃料电池提纯氢气。
- Syzygy与乐天在蔚山测试了一套全电动裂解装置，能效为81%，转化率为99%，日产量约290公斤，能耗接近每公斤11千瓦时，设计目标为每公斤8千瓦时。
- 氨在适度条件下即可液化，且全球运输基础设施成熟，因此可作为实用的氢载体。
- KIMM、现代汽车和起亚发布了一款可使用纯氨的高压发动机，并配备尾气后处理系统以减少排放，目标应用包括船舶、离网和重型用途，计划于2027年推进。
- HD KSOE获得了一款大型液氢储罐的原则性认可，并正在研究一艘8万立方米运输船方案。
- 现代汽车正在蔚山建设一座投资6.44亿美元的工厂，生产燃料电池和聚合物电解质膜电解槽，目标是到2027年实现年产3万套燃料电池。
- 韩国也在推进用于绿氢生产的固体氧化物电解技术，并研发将二氧化碳转化为清洁燃料基础原料的催化剂。
- 分析人士提醒，若计入供应链能耗，在化石燃料发电厂中混烧氢气或氨所带来的气候效益有限，因此优先应用领域包括钢铁、化工、航运和季节性储能。
- 后续关注重点包括每公斤氢气的裂解能耗、氮氧化物控制、氨处理安全措施、绿氨来源以及大规模示范项目。
