每年，通過海運排放的二氧化碳達數(shù)億噸，對氣候造成嚴重危害。當(dāng)全世界的科學(xué)家們在試驗新的推進方法來替代船上的燃料油時，作為一個國際財團的一部分，弗勞恩霍夫的研究人員正在開發(fā)氨基燃料電池。當(dāng)氨被用作電動化的船舶的燃料時，它和氫一樣環(huán)保，而且處理起來更容易、更安全。

目前，氫是可持續(xù)能源領(lǐng)域的主要焦點：有計劃使用氫為公共汽車、商用車甚至汽車提供燃料。然而，位于美因茨的弗勞恩霍夫微工程和微系統(tǒng)研究所（FraunhoferInstituteforMicroengineeringandMicrosystemsIMM）正在研究另一種原料的可能性。作為ShipFC項目的一部分，弗勞恩霍夫研究所正與13個歐洲聯(lián)盟伙伴合作，開發(fā)世界上第一個用于航運的氨基燃料電池。弗勞恩霍夫的研究人員負責(zé)開發(fā)催化轉(zhuǎn)換器，它可以防止產(chǎn)生有害氣候的排放物。

海運是溫室氣體排放的主要來源。根據(jù)德國環(huán)境署（UBA）提供的信息，目前世界海洋上的海運造成了全球二氧化碳排放量的2.6%。2015年，二氧化碳排放量約為9.32億噸，而且這個數(shù)字每年都在增加。顯然，迫切需要采取對策。

ShipFC項目旨在證明新的無排放推進技術(shù)可以安全、可靠、平穩(wěn)地工作，即使在大型船舶和長途航行中也是如此。該項目由挪威的NCE海事清潔技術(shù)公司協(xié)調(diào)，該公司致力于在海事領(lǐng)域開發(fā)環(huán)保技術(shù)。

氨的優(yōu)點

氨在農(nóng)業(yè)部門主要用作肥料。然而，它也可以作為一個高品質(zhì)的能源載體。IMM能源部主任兼研究所副所長GuntherKolb教授解釋說：“氨比氫有顯著的優(yōu)勢。氫必須以液體的形式儲存在-253攝氏度，或以氣體的形式儲存在700巴左右的壓力下。而液氨在標準壓力-33攝氏度下或900帕+20攝氏度下更容易儲存。這使得儲存和運輸這種能源載體變得相當(dāng)簡單和直接。”

氨在氨裂解爐中分解成氮和氫，后者隨后在燃料電池中燃燒產(chǎn)生電能。催化轉(zhuǎn)化器可確保不會產(chǎn)生有害的氮氧化物，唯一的最終產(chǎn)品是水和氮氣。

燃料電池和催化轉(zhuǎn)化器的工作原理

從氨中發(fā)電的過程與氫基發(fā)電廠的功能相似。首先，氨（NH3）被送入裂變反應(yīng)堆，在那里它被分解成氮氣（N2）和氫氣（H2），75%的氣體由氫組成，少量氨（NH3，100ppm）未轉(zhuǎn)化并留在氣流中。

其次，氮氣和氫氣被送入燃料電池，空氣被引入，讓氫氣燃燒并形成水，這個過程會產(chǎn)生電能。然而，氫并沒有在燃料電池中完全轉(zhuǎn)化。大約12%的氫和一些殘留的氨使燃料電池沒有損壞。然后，這些殘渣被送入FraunhoferIMM開發(fā)的催化轉(zhuǎn)化器中。在這里，空氣被引入，殘余物與涂有一層含有鉑的催化顆粒粉末層的波紋金屬箔接觸，這會引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。最終，唯一的最終產(chǎn)品是水和氮氣。整個反應(yīng)過程甚至不會產(chǎn)生對環(huán)境有害的氮氧化物。

IMM的研究小組也在開發(fā)含有催化劑的反應(yīng)器，這種反應(yīng)器是被動的。反應(yīng)器控制溫度和氣體流量。例如，它會在發(fā)動機啟動前預(yù)熱催化劑，因為它在冷態(tài)時效率較低。為了使廢氣凈化過程盡可能高效，流經(jīng)催化轉(zhuǎn)化器的氣體溫度可能在500攝氏度左右。

弗勞恩霍夫IMM的研究人員在開發(fā)反應(yīng)器方面有幾十年的經(jīng)驗，包括在運輸和移動領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的催化劑。總部位于美因茨的研究所有9個試驗臺，但凈化2兆瓦容量的氨燃料電池廢氣仍然是一項技術(shù)挑戰(zhàn)。“我們必須進一步發(fā)展現(xiàn)有的氨動力燃料電池技術(shù)，而且船上的催化轉(zhuǎn)化器顯然比普通汽車大得多。”科爾布說。

催化轉(zhuǎn)化器試驗臺：用于測試催化轉(zhuǎn)化器的所有功能及其在廢氣凈化中的效率。弗勞恩霍夫IMM總共有九個試驗臺。

項目的狀態(tài)

IMM團隊計劃在2021年底完成一個初始的小型原型，然后在2022年底完成一個實際尺寸的原型。2023年下半年，第一艘裝有氨動力燃料電池的船將把挪威船務(wù)公司艾德斯維克（Eidesvik）旗下的供應(yīng)船“維京能源”號（VikingEnergy）出海。之后，其他類型的船只，如貨船，將配備氨動力燃料電池。

氨的未來潛力

氨由ShipFC財團的合伙人YARA提供。這家化工公司目前生產(chǎn)的氨占全世界使用量的三分之一。ShipFC項目使用“綠色”氨，即從可再生能源生產(chǎn)的氨。

ShipFC正為一艘此前被低估的能源航母打開重大機遇。IMM研究員GuntherKolb闡述道：“我們認為氨不是氫的直接競爭對手，而是可持續(xù)能源領(lǐng)域的一個額外選擇。憑借其儲能優(yōu)勢，這項環(huán)保發(fā)電技術(shù)肯定能發(fā)揮作用。在船上使用它只是一個開始。”

氨的潛力也得到了政治層面的認可，歐盟為ShipFC項目提供了1000萬歐元的財政支持。