弗劳恩霍夫研究所正在开发航运船舶用氨基燃料动力电池

每年，通过海运排放的二氧化碳达数亿吨，对气候造成严重危害。当全世界的科学家们在试验新的推进方法来替代船上的燃料油时，作为一个国际财团的一部分，弗劳恩霍夫的研究人员正在开发氨基燃料电池。当氨被用作电动化的船舶的燃料时，它和氢一样环保，而且处理起来更容易、更安全。

目前，氢是可持续能源领域的主要焦点：有计划使用氢为公共汽车、商用车甚至汽车提供燃料。然而，位于美因茨的弗劳恩霍夫微工程和微系统研究所（FraunhoferInstituteforMicroengineeringandMicrosystemsIMM）正在研究另一种原料的可能性。作为ShipFC项目的一部分，弗劳恩霍夫研究所正与13个欧洲联盟伙伴合作，开发世界上第一个用于航运的氨基燃料电池。弗劳恩霍夫的研究人员负责开发催化转换器，它可以防止产生有害气候的排放物。

海运是温室气体排放的主要来源。根据德国环境署（UBA）提供的信息，目前世界海洋上的海运造成了全球二氧化碳排放量的2.6%。2015年，二氧化碳排放量约为9.32亿吨，而且这个数字每年都在增加。显然，迫切需要采取对策。

ShipFC项目旨在证明新的无排放推进技术可以安全、可靠、平稳地工作，即使在大型船舶和长途航行中也是如此。该项目由挪威的NCE海事清洁技术公司协调，该公司致力于在海事领域开发环保技术。

氨的优点

氨在农业部门主要用作肥料。然而，它也可以作为一个高品质的能源载体。IMM能源部主任兼研究所副所长GuntherKolb教授解释说：“氨比氢有显著的优势。氢必须以液体的形式储存在-253摄氏度，或以气体的形式储存在700巴左右的压力下。而液氨在标准压力-33摄氏度下或900帕+20摄氏度下更容易储存。这使得储存和运输这种能源载体变得相当简单和直接。”

氨在氨裂解炉中分解成氮和氢，后者随后在燃料电池中燃烧产生电能。催化转化器可确保不会产生有害的氮氧化物，唯一的最终产品是水和氮气。

燃料电池和催化转化器的工作原理

从氨中发电的过程与氢基发电厂的功能相似。首先，氨（NH3）被送入裂变反应堆，在那里它被分解成氮气（N2）和氢气（H2），75%的气体由氢组成，少量氨（NH3，100ppm）未转化并留在气流中。

其次，氮气和氢气被送入燃料电池，空气被引入，让氢气燃烧并形成水，这个过程会产生电能。然而，氢并没有在燃料电池中完全转化。大约12%的氢和一些残留的氨使燃料电池没有损坏。然后，这些残渣被送入FraunhoferIMM开发的催化转化器中。在这里，空气被引入，残余物与涂有一层含有铂的催化颗粒粉末层的波纹金属箔接触，这会引发化学反应。最终，唯一的最终产品是水和氮气。整个反应过程甚至不会产生对环境有害的氮氧化物。

IMM的研究小组也在开发含有催化剂的反应器，这种反应器是被动的。反应器控制温度和气体流量。例如，它会在发动机启动前预热催化剂，因为它在冷态时效率较低。为了使废气净化过程尽可能高效，流经催化转化器的气体温度可能在500摄氏度左右。

弗劳恩霍夫IMM的研究人员在开发反应器方面有几十年的经验，包括在运输和移动领域广泛应用的催化剂。总部位于美因茨的研究所有9个试验台，但净化2兆瓦容量的氨燃料电池废气仍然是一项技术挑战。“我们必须进一步发展现有的氨动力燃料电池技术，而且船上的催化转化器显然比普通汽车大得多。”科尔布说。

催化转化器试验台：用于测试催化转化器的所有功能及其在废气净化中的效率。弗劳恩霍夫IMM总共有九个试验台。

项目的状态

IMM团队计划在2021年底完成一个初始的小型原型，然后在2022年底完成一个实际尺寸的原型。2023年下半年，第一艘装有氨动力燃料电池的船将把挪威船务公司艾德斯维克（Eidesvik）旗下的供应船“维京能源”号（VikingEnergy）出海。之后，其他类型的船只，如货船，将配备氨动力燃料电池。

氨的未来潜力

氨由ShipFC财团的合伙人YARA提供。这家化工公司目前生产的氨占全世界使用量的三分之一。ShipFC项目使用“绿色”氨，即从可再生能源生产的氨。

ShipFC正为一艘此前被低估的能源航母打开重大机遇。IMM研究员GuntherKolb阐述道：“我们认为氨不是氢的直接竞争对手，而是可持续能源领域的一个额外选择。凭借其储能优势，这项环保发电技术肯定能发挥作用。在船上使用它只是一个开始。”

氨的潜力也得到了政治层面的认可，欧盟为ShipFC项目提供了1000万欧元的财政支持。