“氨-氫”轉換，又一個新能源賽道

福州大學化肥催化劑國家工程研究中心主任江莉龍(右)、福大紫金氫能總經理張卿(左)研討“氨-氫”燃料電池技術。

福大紫金氫能和廈門金龍共同打造的全國首輛“氨-氫”燃料電池客車

核心提示

近日，國家能源局公布第三批能源領域首臺(套)重大技術裝備名單，福大紫金氫能研制的“10千瓦級‘氨-氫’燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)”成果榜上有名。

氫能，被譽為“21世紀終極能源”。然而，在當下節(jié)點，以制氫、儲氫、運氫、用氫為主的氫能產業(yè)鏈存在儲運難、本質安全性弱等痛點，為此，國際社會高度關注一種高效、安全的氫能載體——氨?；诎钡牡蛢r和安全運輸優(yōu)勢，近年來，世界各國均在積極開展氨能產業(yè)布局。

面對“氨-氫”能源的全球化發(fā)展趨勢，我國在“氨-氫”轉換與利用的技術積累為我們帶來了“先發(fā)優(yōu)勢”。在福建，依托福州大學建設，魏可鎂院士創(chuàng)建、江莉龍研究員領銜的化肥催化劑國家工程研究中心，率先在國際上開展以氨為儲氫介質的“氨-氫”儲能與發(fā)電技術路線。

基于國際領先的“氨-氫”能源轉換顛覆性關鍵技術，2021年12月，福州大學、紫金礦業(yè)(12.130, -0.28, -2.26%)集團股份有限公司(以下簡稱“紫金集團”)、北京海新能源科技股份有限公司(原北京三聚環(huán)保新材料股份有限公司，以下簡稱“北京三聚環(huán)保”)在福州舉行綠色能源重大產業(yè)項目戰(zhàn)略合作簽約，創(chuàng)建國內首家“氨-氫能源重大產業(yè)創(chuàng)新平臺”，共同出資成立福大紫金氫能科技股份有限公司(以下簡稱“福大紫金氫能”)，圍繞“氨-氫”綠色能源重大技術開展深度合作，力爭打造萬億級氨能、氫能、可再生能源一體化產業(yè)鏈。

在國家“雙碳”戰(zhàn)略目標的背景下，這個產學研聯合體致力于“氨-氫”能源新技術路線的成果轉化，不斷豐富拓展“氨-氫”能源應用場景，開辟氫能源產業(yè)新賽道。

打造多個全國首創(chuàng)

“氨-氫”燃料電池是什么?

在福州工業(yè)路上的福州大學化肥催化劑國家工程研究中心氨燃料電池實驗室內，一臺臺不同型號、規(guī)格的“氨-氫”燃料電池發(fā)電裝置原型機讓人眼前一亮。

福州大學石油化工學院院長、化肥催化劑國家工程研究中心主任江莉龍指著原型機一側的黃色瓶子說：“合成氨催化技術是我們中心的傳統(tǒng)優(yōu)勢，現在我們利用新一代的高效合成氨催化劑，通過液氨把氫存儲在這個瓶子里，再通過氨熱催化分解轉化成氫氣進而再發(fā)出電來。”

江莉龍解釋道：“氨通過分解生成氫氮混合氣，氫氮氣可不經分離，直接進入燃料電池發(fā)電，目前這個技術已處于初步商業(yè)化應用階段。”2022年2月，由福大紫金氫能開發(fā)的國內首座3千瓦級“氨-氫”燃料電池發(fā)電站交付中國鐵塔龍巖分公司并實現穩(wěn)定運行，為福建龍巖曹溪鎮(zhèn)一經常性離網基站提供持續(xù)不間斷的電力保障。

“這套設備實現了氫的即產即用和安全高效發(fā)電，破解了氫氣的儲存運輸難題，具有低噪聲、長續(xù)航等綜合優(yōu)勢。”福大紫金氫能總經理張卿介紹，倘若該設備成功實現推廣應用，為國內10%的通信基站和數據中心提供應急用電保證，預計每保供電一天，可節(jié)約燃料費用約6000萬元，實現碳減排約4萬噸。

目前，福大紫金氫能已開發(fā)出從3千瓦到百千瓦級的多系列“氨-氫”燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)。8月23日，由福大紫金氫能研發(fā)的百千瓦級“氨-氫”燃料電池發(fā)電站首次在建筑工地領域投入使用。該裝置是福大紫金與中建四局建設發(fā)展有限公司合作項目，為建筑工地提供持續(xù)不間斷的電力保障。相比柴油機發(fā)電機每千瓦時電可節(jié)省成本30%以上。

張卿介紹，“氨-氫”燃料電池發(fā)電站可用于草原、荒漠、高山、海島等離網場景，幫助用戶實現遠程了解基站狀況、長時間無人值守，實現安全、零碳、低成本供電。

氫能源作為清潔能源，其發(fā)展勢不可當，但氫氣的存儲運輸一直是限制其產業(yè)化應用的“卡脖子”難題。“以往一輛能運輸40噸的卡車只能運送250公斤左右的氫氣，運輸過程會有5%~10%的氫氣自然逃逸。而且氫的爆炸極限為4%~75%,一旦泄漏很容易發(fā)生爆炸。”江莉龍介紹。

氨作為高效儲氫介質，具有易液化儲運、安全性高和無碳排放等優(yōu)勢。在氫能戰(zhàn)略大前提下，氨能的發(fā)展和合理利用成為大勢所趨。

“氨-氫”轉化技術除了應用于“氨-氫”燃料電池發(fā)電站，還有更多應用前景。張卿介紹，通過福州大學化肥催化劑國家工程研究中心研發(fā)的“高效合成氨”和“低溫氨分解”兩項核心技術，公司著手開發(fā)分布式電源、移動電源、氨現場制氫加氫一體站、車用/船用動力及“氨-氫”燃燒內燃機等應用場景。

去年9月，全國首座“氨現場制氫加氫一體示范站”在長樂建成，標志著氨制氫加氫技術進入應用示范階段。該項目由福建石油聯合雪人股份(7.580, 0.07, 0.93%)、福大紫金氫能等福建省內新能源企業(yè)共同推進。

福州大學化肥催化劑國家工程研究中心教授、福大紫金氫能副總經理羅宇告訴記者，該加氫站以氨作為氫氣的儲能載體，通過集“氨在線制氫、分離純化、升壓加注”等功能于一體的自主創(chuàng)新制氫加氫裝備技術，實現氫氣現產現用，一輛氫燃料電池巴士不到10分鐘便可完成氫氣充注，加滿氫后能行駛近400公里。預計2025年該技術年產值超百億元，預計到2030年可減排二氧化碳5600萬噸/年。該項目還被列入省科技廳重大專題專項。

今年1月，福大紫金氫能和廈門金龍共同研發(fā)出全國首輛“氨-氫”燃料電池客車，實現氫能在汽車上的即產即用，具有“加注時間短、續(xù)航里程長、安全高效、節(jié)能環(huán)保”等多重優(yōu)點，為“氨-氫”能源在車用燃料電池領域的商業(yè)化推廣提供了一條重要的技術路徑。

羅宇向記者介紹，倘若該設備成功實現推廣應用，如覆蓋我國10%的重卡和船舶，預計年節(jié)約燃料費用280億元，有望實現年碳減排7100萬噸。

在氫能戰(zhàn)略大前提下，各國加快相關產業(yè)布局。2021年10月，日本政府發(fā)布第六版能源戰(zhàn)略計劃，首次提出引入氨能，希望以“氨-氫”能源形式實現更低成本的碳中和;韓國則宣布2022年為其氨氫發(fā)電元年，并制定了相應的發(fā)展方針和指南，力爭成為全球第一大氨氫發(fā)電國。

據日本《日經新聞》2021年12月的專題報道，世界上關于“綠氨技術”的主要研究機構中，福州大學研究團隊在氨相關催化劑研究方面處于世界第一位，氨相關專利技術方面處于世界第二位，相關研究成果處于世界領先地位。

產學研深度融合

氨是關系國計民生的基礎化工原料，傳統(tǒng)上廣泛應用于化肥、化纖、軍事、環(huán)保、制冷等領域。用它來作為儲氫介質，優(yōu)勢明顯。

“但在‘氨-氫’能源綠色循環(huán)路線中，是將可再生能源電力電解制氫技術結合低溫低壓的綠色合成氨技術，把大規(guī)模的風、光等可再生能源電力電解制氫后再高效合成氨，把這些綠色電力儲存在氨里，氨再作為能源運輸到全國各地使用。”江莉龍介紹。

我國傳統(tǒng)的合成氨通常以煤為原料，氫氣與空氣分離制備的氮氣在催化劑作用下在高溫高壓(溫度大于490℃及壓力大于15MPa)條件下合成氨，危險系數大，且能耗高。打破這種局面得益于我國化肥催化劑技術的進步，更直接得益于一種能在低溫低壓運行的新一代釕系合成氨催化劑。

由于國外技術封鎖，20世紀90年代末，福州大學化肥催化劑國家工程研究中心時任主任、中國工程院院士魏可鎂就帶著科研人員進行釕系合成氨催化劑攻關。

“做這個催化劑，可謂是兩代人20多年的‘屢敗屢戰(zhàn)’。”江莉龍感慨道。

今年48歲的江莉龍來自龍巖上杭一處小山村。1997年，他從福大畢業(yè)后，加入化肥催化劑國家工程研究中心，跟隨魏可鎂院士等老一輩科研人員開始研究變換制氫、合成氨等新型高效的催化劑技術。

2008年，研究團隊開展第一次釕系催化劑萬噸級實驗沒有取得完全成功，由于得不到企業(yè)投入、經費支持，工作進展緩慢。但江莉龍和團隊仍一次次鼓起勁，將催化劑的反應過程“拆開”來攻克，一步步將困難“解壓”。

2012年，該中心與北京三聚環(huán)保聯合成立福建三聚福大化肥催化劑國家工程研究中心有限公司，高校以技術入股、企業(yè)以資金入股的模式，實現了中心和企業(yè)的深度融合發(fā)展。

經過多年不懈研究攻關，2018年，該中心與北京三聚環(huán)保等開發(fā)出世界首套以煤為原料的低碳安全高效合成氨成套新技術，打破了國外近30年的技術壟斷，并實現在20萬噸低溫低壓合成氨裝置上工業(yè)應用，且連續(xù)穩(wěn)定運行4年多。

在此基礎上，該中心著手進行“氨-氫”綠色能源重大技術攻關，創(chuàng)制出使氨高效分解的新型低溫催化劑，攻克了“氨-氫”能源的關鍵技術瓶頸。

學以致用，經世濟民。彼時，江莉龍團隊有一個強烈夢想：“盡快把研究成果從實驗品變成產品，將論文寫在祖國的大地上。”

2021年底，紫金集團董事長、福州大學1977級地質專業(yè)校友陳景河來到福大，與福州大學黨委書記陳國龍和校長付賢智就產學研深度合作展開交流。

在談到如何助力國家實現“雙碳”目標時，陳景河認為，新能源革命是機遇，也是挑戰(zhàn)，應加速布局新能源賽道。雙方一拍即合，擬共同創(chuàng)建國內首家“氨-氫能源重大產業(yè)創(chuàng)新平臺”。

交流會后，正在上海出差的江莉龍接到了校領導和紫金集團總裁鄒來昌打來的電話，聽聞雙方有望共同建立“氨-氫”轉換技術創(chuàng)新平臺和高新企業(yè)的消息，江莉龍立即趕回福州。

江莉龍回憶道：福州大學第一時間成立了由校黨委書記陳國龍和校黨委副書記張星等組成的工作專班，有關領導、技術人員多次往返于福州、廈門、上杭等地進行深入合作商談。

“當時我們的項目正在開發(fā)，已做了樣機，有幾家企業(yè)在和我們談合作。驚喜的是，陳景河董事長對這一塊技術項目認識非常深，而計劃一次性給予投資的金額遠大于其他的在談企業(yè)，只用了40多天雙方就簽訂《戰(zhàn)略合作協議書》并注冊成立公司。”江莉龍表示。

自上而下的決策，相關部門的支持，讓雙方的合作水到渠成。“大家沒想到推進這么快，這也讓一些企業(yè)后悔沒搶先一步。”江莉龍說。

股權激勵向前奔跑

2021年底，福大紫金氫能迅速抽調來自學校和企業(yè)的技術、管理人員組建團隊，為公司的第一個項目——通信基站用“氨-氫”燃料電池發(fā)電站的啟動做準備。“我們來到革命老區(qū)龍巖一座高山上的4G基站做這個項目，組織了十多人開展三個月的工業(yè)測試，在山林里搭棚，吃住在山上，在野外條件下全天候作業(yè)，福大年輕優(yōu)秀的老師和我們企業(yè)人員一起開展這項工作，春節(jié)期間也不停不歇。”張卿說。

福大紫金氫能位于福州東南科學城科創(chuàng)中心。2022年2月，該公司成立，注冊資本26667萬元，紫金集團貨幣出資占股75%、福州大學資產經營有限公司專利作價出資占股20%、北京海新能源科技股份有限公司專利作價出資占股5%，并由新成立公司出資3000萬元購買學校和北京海新能源科技股份有限公司的19件專利技術。

作為我省高校和科研院所科技成果轉化綜合試點單位之一，福州大學加大有組織社會服務的改革力度。“為調動科研人員成果轉化積極性，福大將專利轉化納入科研人員職稱聘任、碩博導遴選、績效考評等工作的考核指標，知識產權轉化收益分配向科研團隊傾斜。”福州大學科技開發(fā)部主任黃國輝介紹，此次成果轉化中，18件專利作價投資所獲得的股權及收益，70%獎勵給研發(fā)團隊;19件專利(專利申請權)轉讓獲得的貨幣收益，學校提取到賬經費稅后的10%作為管理費，剩余經費由研發(fā)團隊按《福州大學橫向項目合作經費管理辦法》進行使用，用于研發(fā)中的人員費、材料費等。

“學校的機制體制更靈活了，可以讓團隊持股。我們研發(fā)團隊獲得的股權由團隊代表持有，既是動力，也是壓力。”江莉龍表示，這是為了保證大家團結不分股，一直堅持下去，否則容易躺平。

福建省科技廳成果處負責人表示，近年來，我省持續(xù)推動職務科技成果權屬改革，目的是要著力破除制約科技成果轉化的障礙和藩籬，消除科研人員、管理人員和領導干部對開展科技成果轉化的顧慮，樹立科技成果只有轉化才能真正實現創(chuàng)新價值、不轉化是最大損失的理念，充分激發(fā)科研人員創(chuàng)新創(chuàng)造活力。

科技成果轉化渠道順暢，促進了產學研用深度融合，并加速了技術更新迭代、擴大技術推廣應用、促進科技成果轉移轉化。

在張卿看來，能把“氨-氫”轉化技術應用到實際，落地生根并推廣到商業(yè)，就是創(chuàng)新的最好體現。“公司制定實施了股權激勵，目的在于讓核心技術骨干、管理者形成一個合力，盡可能在短時間內實現產業(yè)化。”張卿表示，公司設定了每年營收增長超100%的目標，往前奔跑。