“绿色”氨作为海洋燃料的未来
朗伊尔城（Longyearbyen）是斯瓦尔巴特群岛（Svalbard）最大的城镇，并且可能成为Finnmark风力发电场生产的绿色氢或氨的首批大规模消费者之一。图片来源访问斯瓦尔巴特群岛。
液化石油气船快船土星。照片来源Solvang ASA。
在Hamnefjell风力场的电缆沟在芬兰北部的芬马克郡。照片信用Multiconsult。
氨，与肥料和清洁剂中使用的刺激性溶液相同，可能有一天成为在全球范围内运输可再生能源的关键。当前，有许多政府和公司项目正在评估将风，太阳能，潮汐和核能等多余的可再生能源转化为氨，然后再转化为可用能源的可行性。
氨或NH3以其纯粹的形式由一个氮和三个氢原子组成，使其成为化学结合过量可再生能源的理想候选者。像其他几种化学化合物一样，氨气也可以由化学运输船以液态形式运输给最终用户。基于其接近周围的液化点，与氢相比，将氨输送更长的距离可能更具吸引力。卸载后，氨可以通过燃料电池，燃气轮机或内燃机转换回可用的能量和热量。
为了推动建立碳中和型社会，挪威等国家正在考虑一些项目，这些项目将大规模地证明这一概念。为了确定其技术和经济可行性，进行了一项研究，以确定挪威大陆最北部的县芬马克市产生的多余风能是否可以转化为压缩氢气或氨气，然后输送到偏远的斯瓦尔巴群岛。这些项目是通过船舶在全球范围内运输可再生能源的潜在新规范的例子。为了进一步阐明该主题，本文探讨了挪威的斯瓦尔巴特群岛项目，并考虑了海运业如何在这个不断增长的能源市场中发挥重要作用。
液化石油气船Clipper Odin。照片来源Solvang ASA。 斯瓦尔巴特群岛案例研究
尽管仍在评估不同的发电技术，但如果挪威政府决定继续向斯瓦尔巴特群岛供应氨，它将标志着第一个通过氨提供社区供热和电力的大型项目。芬马克与斯瓦尔巴德群岛之间将氨视为能源载体的对话始于决定于2016年关闭斯瓦尔巴德群岛的传统燃煤电厂。根据Statkraft目前的估计，协助挪威政府的主要企业合作伙伴之一，目前的煤炭储量只会持续到2025年。之后，煤炭要么需要通过散货船运到岛上，要么将建立一个新的热电联产电厂。
挪威国家石油公司（Statkraft）在挪威严峻的北部大陆约800公里外，最近获得了许可，以进一步开发两个大型风力发电场，分别位于芬马克（Finnmark）的拉吉夫达（Raggivudda）和哈姆奈费尔（Hamnefjell）气田。作为“挪威最高效的风力发电厂之一”，Statkraft渴望在该地区开发更多产能，以利用理想的风力发电条件。但是，Statkraft必须克服的一个挑战是风电场与挪威的国家电网隔离。这阻止了风场Varanger Kraft的所有者将多余的能源出售给挪威其他地区和国外。正是从这两个有趣的问题集中，可再生能源专家开始考虑将氨作为将能源从生产现场传输到客户的一种方法。
为了解决这些后勤问题，并可能在多个工业部门中创造更多的商机，Statkraft和许多知名的研究与化学公司着手评估替代方案。 Statkraft在一份题为“斯瓦尔巴德群岛的可再生能源供应–朗伊尔城”的翻译报告中进行了总结，探讨了各种碳中和技术，这些技术可以将Finnmark中产生的可再生能源运输到斯瓦尔巴特群岛。
作为起点，可行性研究考虑了为斯瓦尔巴特群岛社区提供服务的以下要求和假设。第一个假设是，Statkraft将能够扩大Finnmark地区的风力发电量，以实现40至50 MW的装机容量。到2025年，该装机容量将每年产生约3800吨氢气，用于运输到斯瓦尔巴特群岛。作为最终用户，朗伊尔城是斯瓦尔巴特群岛的主要城市，需要40吉瓦时（GW-hrs）的电力和70瓦时。每年GW-hrs。基于此要求，斯瓦尔巴特群岛将需要安装12兆瓦的电力和15兆瓦的热力的生产能力。此外，考虑到斯瓦尔巴群岛居民对燃料运输的严重依赖，建议的解决方案必须能够提供30天的热电缓冲。
Nel Hydrogen Solutions生产的电解槽，用于通过电解过程将水转化为氢气和氧气。照片来源Nel ASA。
可再生氢的运输方法
为了将“链式”可再生能源从Finnmark转移到斯瓦尔巴特群岛的最终用户，Statkraft分析了四种替代能源的运输方式。这些介质或“能量载体”包括压缩氢，液态氢，结合在甲醇中的氢和结合在氨中的氢。为了缩小这些可能性，Statkraft考虑了25年的总拥有成本。经过深入分析，Statkraft得出结论，压缩氢和结合在氨中的氢具有最低的总拥有成本，并满足所有要求。
所提出的所有四种解决方案的关键是电解过程。在电解过程中，电流通过水，该水被分解为氢和氧。这个想法是，来自芬马克（Finnmark）的风电场的多余风能将通过电解器送出以产生氢气，然后将氢气用作四种替代方案的原料。
一种替代方案是，可以使用气体压缩机压缩氢气，然后将其存储在专用的加压容器中，然后直接运至斯瓦尔巴特群岛。 Statkraft建议将纯氢气压缩至350 bar，并将气体存储在国际标准组织（ISO）的储罐中，然后将其装入TEU并在传统的集装箱船上运输。高水平的计算显示，要达到3800吨的氢气需求量，向斯瓦尔巴特群岛提供每年所需的热量和电力，将需要4600个集装箱的负载。
传输氢的另一种方法是将物质冷却至-253摄氏度，并以大块冷冻剂液体的形式进行运输，类似于液化天然气（LNG）。正如《海事报告》之前的一篇文章中所详述的那样，包括Moss Maritime，Wilhelmsen和Kawasaki Heavy Industries在内的许多海事公司目前正在考虑创新的运输散装液态氢的方法。 Statkraft的报告得出结论，与其他考虑的方案相比，液态氢方案的总拥有成本最高。
Statkraft可行性研究中讨论的第三种运输氢的方法是通过进一步处理该物质以形成甲醇。甲醇的主要优点之一是，它与柴油和汽油等石油产品具有许多相同的品质，而这些化学品可以容易地通过现有的化学品船运输。不幸的是，该报告排除了这种运输方法，理由是缺乏主要的碳源，这些碳源非常接近，无法用作生产甲醇的原料。
Statkraft建议将风能从Finnmark传输到斯瓦尔巴特群岛的最终方法是将氢与空气中的氮结合形成氨。使用称为Haber-Bosch合成工艺的技术，加热和压缩空气中的氢和氮以形成氨。可替代地，可逆燃料电池可以直接用于产生氨。
与在大气温度和压力下以气体形式存在的纯净形式的氢气不同，可以使用比氢气少得多的能量来液化物质，从而将氨存储和保持为液体。 Statkraft估计，每年将需要26,500吨氨才能满足斯瓦尔巴德群岛的热能和电力需求，据估计，每年将需要一到两次氨LPG运载工具来运输氨。
在考虑了与这些非传统形式的能源运输相关的技术可行性和成本之后，Statkraft可行性研究得出的结论是，压缩氢和氨似乎是斯瓦尔巴特群岛案例研究的两个主要可能性。
挪威北部Finnmark县Raggividda风力发电场的涡轮机安装。图片来源：Bjarne Riesto。 运输氨
与石油化学工业中使用的其他产品类似，氨已经通过船只运输了数十年。液化石油气（LPG）载体似乎是长距离运输大量氨气的最流行方法。这些船通过使用全制冷，半制冷或全加压储罐来保持液态。
为了使氨保持液态，该物质通常存储在LPG运载工具上的LPG运载工具中，该运载工具的工作温度至少为负50摄氏度。液化石油气运输船通常运输15,000至85,000立方米的氨，最常见的体积为30、52和8万立方米。利用与液化天然气（LNG）载体相同的设计原理，LPG载体具有主要和次要屏障，以确保在制冷系统或主要屏障出现故障的情况下也能容纳所存储的氨。
在斯瓦尔巴特群岛案例研究和全球其他许多“绿色”氨项目的背景下，氨具有相对较高的能量密度和较低的能量输入（将物质保持为液态），因此颇具吸引力。在标准大气压下或在正常环境温度下，压力约为10 bar时，氨可在-34摄氏度下作为冷冻液体存储。与液态氢相比，氨的能量密度几乎是其体积的两倍，并且在通过容器将其从源头运输到最终用户时，只需较少的能量和绝缘即可将其保持液态。
然而，氨的主要缺点之一是其高度的毒性。根据美国劳工部职业安全与健康管理局（OSHA）的规定，“氨被认为是高度健康危害，因为它会腐蚀皮肤，眼睛和肺部”。此外，当与空气混合时，氨的体积浓度为15％到28％时可燃。传统上，用于肥料操作的氨原料以“无水氨”的形式运输，这意味着它可以迅速吸收到水中并形成强碱性溶液，例如氢氧化铵，在高浓度下也具有剧毒。为了确保公众和船员的安全，运送氨水的船舶必须遵守IMO制定的《国际散装液化气船舶的构造和设备规范》（IGC规范）。
有趣的是，还有许多海事工程项目正在评估使用氨作为海洋燃料的可行性。重大项目的例子包括：由荷兰海军建筑公司C-Job进行的可行性研究，以及全球船用发动机和能源系统供应商MAN ES宣布启动一项数百万美元的研究，以及开发计划，以开发氨二冲程发动机。在理想世界中，海洋和公用事业领域的研究工作可能最终形成一个全新的物流供应链，其中在加油期间将“绿色”氨气运输到LPG船上，然后在运输时将一部分物质用作船用燃料产品给客户。
无论每个项目的结果如何，从全世界各种氨项目的数量和时间来看，很明显，氨很可能在港口和水路中变得越来越普遍。基于这些事态发展，公用事业和海运业的利益相关者都应考虑密切关注事态发展，以确定这些安排在什么条件下可能有利可图。
朗伊尔城（Longyearbyen）是斯瓦尔巴特群岛（Svalbard）最大的城镇，并且可能成为Finnmark风力发电场生产的绿色氢或氨的首批大规模消费者之一。图片来源访问斯瓦尔巴特群岛。
如《海事记者与工程新闻》 2019年9月版中所述。
