6月27日，科研人员维护纯氨燃料内燃机。本报记者 徐旻昊 摄/视觉安徽
6月28日，全球首艘纯氨燃料内燃机动力示范船舶“氨晖号”在合肥市巢湖水域首航。本报记者 徐旻昊 摄/视觉安徽
在合肥巢湖岸边，“氨晖号”身披首航成功横幅静静停泊着。
这艘船是全球首艘纯氨燃料内燃机动力示范船舶，搭载一台200kW的高速气体内燃发电机组、2台100kW推进电机及双桨推进系统，满载50吨，额定航速为10节。
它的首航成功，原理性验证了纯氨是可以燃烧的，迈出了纯氨作为燃料使用的第一步。2019年成立的合肥综合性国家科学中心能源研究院，有着为国家能源安全以及解决人类能源终极问题提供科学和技术支持的使命，“氨晖号”的诞生可以说是研究院将国家重大战略需求与科技创新紧密相连的生动例证。
一艘碳排放近零的船
没有黑烟、二氧化碳近零排放，这是“氨晖号”鲜明的特征。
为什么选择纯氨作为船舶燃料？“氨主要由氢气和氮气合成制取，是一种富氢的无碳燃料，也是化肥工业的重要原料。”合肥综合性国家科学中心能源研究院（安徽省能源实验室）氢能源和氨应用研究中心副主任吴殿武说，氨具有能量密度高、易于液化、成本较低、储运安全、工业基础良好等优势，应用潜力巨大。
吴殿武进一步解释，氨的体积能量密度是氢的3倍，意味着相同体积的燃料罐，氨能提供更远航程。同时，氢需要零下253摄氏度的极端低温储存，氨在低压或零下33摄氏度环境即可液化保存。
因此，氨成为大规模船舶应用的理想选择，既解决了氢燃料的储运难、使用贵等难题，又解决了锂电池续航不足的短板。
氨的优势这么多，为什么不早早用它作为新能源？氨的应用存在着点火难、火焰传播速度慢、燃烧不稳定等难题。2024年，中国科协发布的“十大前沿科学问题”中将“实现氨氢融合燃料零碳大功率内燃机高效燃烧与近零排放控制”列入其中，可以看出，把氨作为内燃机燃料实现的难度极大。
“国际上，通常用‘双燃料模式’点燃氨气，即将一种易点燃的燃料与氨通过一定比例混合，把氨点燃。”吴殿武告诉记者，团队创新性采用等离子体点火方式点燃氨气，等离子体点火能产生高能电子、自由基等活性粒子，具有点火效率高、低点火能量需求、复杂环境适应性和稳定性高等优势，能完美地解决氨的燃烧难问题。
让氨从自己的“身体”里源源不断裂解并控制氢浓度，这是项技术活儿。
吴殿武介绍，借助等离子体的高能量，可以实现氨的冷态快速点火。团队将氨进行了改性处理，使一部分的氨气裂解成氮气和氢气。为了更好地调控氢、氨比例，团队还专门成立了一个小组，经过反复试验，终于找到最佳的解决方案。
迈出纯氨作为燃料使用第一步
“这种点火方式得益于团队多年的技术积累，也是大科学装置衍生出来的技术转化。”吴殿武介绍，能源研究院是安徽省政府和中国科学院共同发起，由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体所、中国科学技术大学、合肥工业大学、安徽理工大学4家单位合作共建的新型研发机构。
“2019年研究院成立之初，在李建刚院士的带领下，团队开始布局纯氨燃料方面的应用，在国内首次提出作为氢能补充的氨能工程化实施战略研究。”吴殿武说，最初，我们是在5千瓦的发动机上做掺燃实验，没有做纯氨，几经探索，才最终实现纯氨的稳定燃烧，毕竟，纯氨才是真正的零碳排放。
2023年，能源研究院团队通过科技成果孵化，与原中国船舶集团的专家团队，联合成立了深圳海旭新能源有限公司，将目标瞄准了纯氨燃料在船用内燃机上的应用。
“能源研究院主要是提供原始技术，深圳海旭公司更多是开展工程化工作，‘氨晖号’相关核心装置的研发以及生产是双方团队共同完成。”吴殿武回忆，去年夏天，团队成员轮流到船舶的加工实验地湖北，配合落地工作，现场工程人员从早上七点到晚上十一二点，一直在厂房内进行加工和联调试验工作，船舱密闭空间很闷热，汗水不住地顺着头和面颊往下流淌。
经过两年多的研究，团队攻克了纯氨燃料等离子点火技术、纯氨燃料持续燃烧技术、氨气高效催化裂解产氢技术、氢氨混合气体燃料在气体内燃机高效燃烧及控制技术等多项关键核心技术，自主研制了多个系统装备。
“氨晖号”在近一小时的首航里实现了纯氨燃料的稳定充分燃烧、二氧化碳的近零排放和氮氧化物的有效控制等预期目标，原理性验证了纯氨是可以燃烧的，迈出了纯氨作为燃料使用的第一步。
预计纯氨燃料5年到10年可大规模推广
“选择将纯氨燃料应用在船舶内燃机上，既是大势所趋，也跟能源研究院一直以来的坚持有关。能源研究院常务副院长胡浩民多次提出，要始终坚持‘需求牵引、应用导向、价值创造’的科研理念，做有需求的科研、有应用的科研、有价值的科研。”吴殿武表示，从产业前景看，低碳转型是全球共识，绿色航运是大势所趋。
根据国际海事组织（IMO）的数据，全球航运业每年大约排放10亿吨温室气体。这个数字相当于每年全球汽车排放量总和的530倍，而一艘超大型集装箱船（VLCC）烧重油一天的排放量，相当于3万辆家用轿车。
航运业仅靠节能技术和降低航速难以达成“双碳”目标，需要以绿色甲醇、绿氨等绿色航运燃料替代传统化石燃料。国际能源署报告预计，到2050年氨将占航运能源需求的45%。
将科学研究紧密对接国家重大战略需求和社会发展迫切需求，可以让科技创新的引擎作用得到最大程度释放。能源研究院成立之初就有着为国家能源安全以及解决人类能源终极问题提供科学和技术支持的使命，“氨晖号”的诞生就是一个生动的例证。
5年来，能源研究院通过自主研发和协同攻关，产生了一批国内领先、填补空白的标志性科技成果，通过与相关企业共建协同创新中心、联合实验室等方式，协助企业解决“卡脖子”技术难题，深化产学研深度合作。
在吴殿武看来，“氨晖号”下水试验实现了多项预期目标，充分验证了氨氢融合燃料未来可推广应用到海洋运输、陆上交通、工业和生活锅炉以及固体燃料电池等领域。
中国造船工程学会秘书长王俊利表示，纯氨动力示范船的成功运行，对加快构建清洁低碳、安全高效的水上交通能源体系具有重大里程碑意义，未来纯氨内燃机发电机组如果能达到兆瓦级，应用范围会更加广泛，在“双碳”目标背景下意义重大。
“当前，‘氨晖号’相关参数还有继续优化的空间。我们要继续开展试验，找出最为经济可靠的方案。”吴殿武表示，目前，氨的成本仍然很高，经济性较差，等到纯氨燃料的技术可行性和经济可行性都具备了，氨燃料就会进一步推广，纯氨燃料的大规模推广约在2030年到2035年实现。
■ 本报记者 鹿嘉惠 实习生 吕安琪
