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6月27日，科研人員維護(hù)純氨燃料內(nèi)燃機(jī)。本報(bào)記者 徐旻昊 攝/視覺安徽

6月28日，全球首艘純氨燃料內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力示范船舶“氨暉號(hào)”在合肥市巢湖水域首航。本報(bào)記者 徐旻昊 攝/視覺安徽

在合肥巢湖岸邊，“氨暉號(hào)”身披首航成功橫幅靜靜停泊著。

這艘船是全球首艘純氨燃料內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力示范船舶，搭載一臺(tái)200kW的高速氣體內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組、2臺(tái)100kW推進(jìn)電機(jī)及雙槳推進(jìn)系統(tǒng)，滿載50噸，額定航速為10節(jié)。

它的首航成功，原理性驗(yàn)證了純氨是可以燃燒的，邁出了純氨作為燃料使用的第一步。2019年成立的合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心能源研究院，有著為國(guó)家能源安全以及解決人類能源終極問題提供科學(xué)和技術(shù)支持的使命，“氨暉號(hào)”的誕生可以說是研究院將國(guó)家重大戰(zhàn)略需求與科技創(chuàng)新緊密相連的生動(dòng)例證。

一艘碳排放近零的船

沒有黑煙、二氧化碳近零排放，這是“氨暉號(hào)”鮮明的特征。

為什么選擇純氨作為船舶燃料？“氨主要由氫氣和氮?dú)夂铣芍迫。且环N富氫的無碳燃料，也是化肥工業(yè)的重要原料。”合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心能源研究院（安徽省能源實(shí)驗(yàn)室）氫能源和氨應(yīng)用研究中心副主任吳殿武說，氨具有能量密度高、易于液化、成本較低、儲(chǔ)運(yùn)安全、工業(yè)基礎(chǔ)良好等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用潛力巨大。

吳殿武進(jìn)一步解釋，氨的體積能量密度是氫的3倍，意味著相同體積的燃料罐，氨能提供更遠(yuǎn)航程。同時(shí)，氫需要零下253攝氏度的極端低溫儲(chǔ)存，氨在低壓或零下33攝氏度環(huán)境即可液化保存。

因此，氨成為大規(guī)模船舶應(yīng)用的理想選擇，既解決了氫燃料的儲(chǔ)運(yùn)難、使用貴等難題，又解決了鋰電池續(xù)航不足的短板。

氨的優(yōu)勢(shì)這么多，為什么不早早用它作為新能源？氨的應(yīng)用存在著點(diǎn)火難、火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷⑷紵环€(wěn)定等難題。2024年，中國(guó)科協(xié)發(fā)布的“十大前沿科學(xué)問題”中將“實(shí)現(xiàn)氨氫融合燃料零碳大功率內(nèi)燃機(jī)高效燃燒與近零排放控制”列入其中，可以看出，把氨作為內(nèi)燃機(jī)燃料實(shí)現(xiàn)的難度極大。

“國(guó)際上，通常用‘雙燃料模式’點(diǎn)燃氨氣，即將一種易點(diǎn)燃的燃料與氨通過一定比例混合，把氨點(diǎn)燃。”吳殿武告訴記者，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性采用等離子體點(diǎn)火方式點(diǎn)燃氨氣，等離子體點(diǎn)火能產(chǎn)生高能電子、自由基等活性粒子，具有點(diǎn)火效率高、低點(diǎn)火能量需求、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，能完美地解決氨的燃燒難問題。

讓氨從自己的“身體”里源源不斷裂解并控制氫濃度，這是項(xiàng)技術(shù)活兒。

吳殿武介紹，借助等離子體的高能量，可以實(shí)現(xiàn)氨的冷態(tài)快速點(diǎn)火。團(tuán)隊(duì)將氨進(jìn)行了改性處理，使一部分的氨氣裂解成氮?dú)夂蜌錃狻榱烁玫卣{(diào)控氫、氨比例，團(tuán)隊(duì)還專門成立了一個(gè)小組，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，終于找到最佳的解決方案。

邁出純氨作為燃料使用第一步

“這種點(diǎn)火方式得益于團(tuán)隊(duì)多年的技術(shù)積累，也是大科學(xué)裝置衍生出來的技術(shù)轉(zhuǎn)化。”吳殿武介紹，能源研究院是安徽省政府和中國(guó)科學(xué)院共同發(fā)起，由中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、安徽理工大學(xué)4家單位合作共建的新型研發(fā)機(jī)構(gòu)。

“2019年研究院成立之初，在李建剛院士的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)開始布局純氨燃料方面的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)首次提出作為氫能補(bǔ)充的氨能工程化實(shí)施戰(zhàn)略研究。”吳殿武說，最初，我們是在5千瓦的發(fā)動(dòng)機(jī)上做摻燃實(shí)驗(yàn)，沒有做純氨，幾經(jīng)探索，才最終實(shí)現(xiàn)純氨的穩(wěn)定燃燒，畢竟，純氨才是真正的零碳排放。

2023年，能源研究院團(tuán)隊(duì)通過科技成果孵化，與原中國(guó)船舶集團(tuán)的專家團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合成立了深圳海旭新能源有限公司，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。

“能源研究院主要是提供原始技術(shù)，深圳海旭公司更多是開展工程化工作，‘氨暉號(hào)’相關(guān)核心裝置的研發(fā)以及生產(chǎn)是雙方團(tuán)隊(duì)共同完成。”吳殿武回憶，去年夏天，團(tuán)隊(duì)成員輪流到船舶的加工實(shí)驗(yàn)地湖北，配合落地工作，現(xiàn)場(chǎng)工程人員從早上七點(diǎn)到晚上十一二點(diǎn)，一直在廠房?jī)?nèi)進(jìn)行加工和聯(lián)調(diào)試驗(yàn)工作，船艙密閉空間很悶熱，汗水不住地順著頭和面頰往下流淌。

經(jīng)過兩年多的研究，團(tuán)隊(duì)攻克了純氨燃料等離子點(diǎn)火技術(shù)、純氨燃料持續(xù)燃燒技術(shù)、氨氣高效催化裂解產(chǎn)氫技術(shù)、氫氨混合氣體燃料在氣體內(nèi)燃機(jī)高效燃燒及控制技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，自主研制了多個(gè)系統(tǒng)裝備。

“氨暉號(hào)”在近一小時(shí)的首航里實(shí)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)，原理性驗(yàn)證了純氨是可以燃燒的，邁出了純氨作為燃料使用的第一步。

預(yù)計(jì)純氨燃料5年到10年可大規(guī)模推廣

“選擇將純氨燃料應(yīng)用在船舶內(nèi)燃機(jī)上，既是大勢(shì)所趨，也跟能源研究院一直以來的堅(jiān)持有關(guān)。能源研究院常務(wù)副院長(zhǎng)胡浩民多次提出，要始終堅(jiān)持‘需求牽引、應(yīng)用導(dǎo)向、價(jià)值創(chuàng)造’的科研理念，做有需求的科研、有應(yīng)用的科研、有價(jià)值的科研。”吳殿武表示，從產(chǎn)業(yè)前景看，低碳轉(zhuǎn)型是全球共識(shí)，綠色航運(yùn)是大勢(shì)所趨。

根據(jù)國(guó)際海事組織（IMO）的數(shù)據(jù)，全球航運(yùn)業(yè)每年大約排放10億噸溫室氣體。這個(gè)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。

航運(yùn)業(yè)僅靠節(jié)能技術(shù)和降低航速難以達(dá)成“雙碳”目標(biāo)，需要以綠色甲醇、綠氨等綠色航運(yùn)燃料替代傳統(tǒng)化石燃料。國(guó)際能源署報(bào)告預(yù)計(jì)，到2050年氨將占航運(yùn)能源需求的45%。

將科學(xué)研究緊密對(duì)接國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和社會(huì)發(fā)展迫切需求，可以讓科技創(chuàng)新的引擎作用得到最大程度釋放。能源研究院成立之初就有著為國(guó)家能源安全以及解決人類能源終極問題提供科學(xué)和技術(shù)支持的使命，“氨暉號(hào)”的誕生就是一個(gè)生動(dòng)的例證。

5年來，能源研究院通過自主研發(fā)和協(xié)同攻關(guān)，產(chǎn)生了一批國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、填補(bǔ)空白的標(biāo)志性科技成果，通過與相關(guān)企業(yè)共建協(xié)同創(chuàng)新中心、聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室等方式，協(xié)助企業(yè)解決“卡脖子”技術(shù)難題，深化產(chǎn)學(xué)研深度合作。

在吳殿武看來，“氨暉號(hào)”下水試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)預(yù)期目標(biāo)，充分驗(yàn)證了氨氫融合燃料未來可推廣應(yīng)用到海洋運(yùn)輸、陸上交通、工業(yè)和生活鍋爐以及固體燃料電池等領(lǐng)域。

中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)秘書長(zhǎng)王俊利表示，純氨動(dòng)力示范船的成功運(yùn)行，對(duì)加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的水上交通能源體系具有重大里程碑意義，未來純氨內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組如果能達(dá)到兆瓦級(jí)，應(yīng)用范圍會(huì)更加廣泛，在“雙碳”目標(biāo)背景下意義重大。

“當(dāng)前，‘氨暉號(hào)’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(yàn)，找出最為經(jīng)濟(jì)可靠的方案。”吳殿武表示，目前，氨的成本仍然很高，經(jīng)濟(jì)性較差，等到純氨燃料的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性都具備了，氨燃料就會(huì)進(jìn)一步推廣，純氨燃料的大規(guī)模推廣約在2030年到2035年實(shí)現(xiàn)。

■ 本報(bào)記者 鹿嘉惠 實(shí)習(xí)生 呂安琪