绿色氨与氢能源的往返效率优化：电解电压降低对可再生能源存储与运输的关键影响

本研究针对可再生能源波动性问题，系统评估了绿色氨(NH3 )与氢(H2 )作为能源载体的往返效率。通过分析水电解电压(1.48-1.84V)对Haber-Bosch工艺能耗的影响，发现将电解电压降至1.50V可使绿色氨生产能耗与灰氨相当。研究证实，采用燃气轮机联合循环(GTCC)时，绿色氨和氢的最高往返效率分别达42%和52%，为全球可再生能源运输提供了重要数据支撑。

　　

随着全球碳中和进程加速，可再生能源的间歇性成为制约其大规模应用的关键瓶颈。风能、太阳能等清洁能源虽然环保，但其波动性导致电网稳定性面临挑战。在此背景下，将可再生能源转化为化学能载体进行存储运输的技术路线备受关注，其中绿色氨(NH₃
)和氢(H₂
)因其零碳排放特性成为研究热点。然而，现有能源转化系统存在效率低下、运输成本高等核心问题——传统绿色氨生产能耗高达565kJ/mol，比灰氨高21%；氢能源则受限于极低的体积能量密度（27Wh/L），长途运输损耗严重。这些技术瓶颈严重制约着可再生能源的全球化应用。

为破解这一难题，研究人员聚焦水电解电压这一关键参数，系统研究了1.48-1.84V电压区间对绿色氨和氢全产业链能效的影响。通过理论计算与工程参数分析，首次量化了不同电压下两种能源载体的生产、运输及利用效率。研究发现，当电解电压从常规1.84V降至1.50V时，绿色氨生产能耗可降至与灰氨相当的467kJ/mol，这一数值与热中性电压(1.48V)高度接近。在运输环节，液态氨展现出3530Wh/L的超高体积能量密度，是液态氢的1.5倍；而氢气管网运输虽效率达95%，但仅适合短距离应用。

研究采用多维度效率评估模型，整合生产能耗公式(E_rNH3
=1.5nFV/1000+0.5E_N2
+E_NH3
)、运输损耗系数及终端转化效率。通过对比蒸汽轮机(43%)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)和燃气轮机联合循环(GTCC，64%)三种利用路径，建立完整的能效分析体系。

在结果部分，"能源需求分析"揭示：传统1.84V电解电压下，绿色氨生产能耗的94%来自制氢环节，仅6%用于氮气制备和Haber-Bosch合成。当电压降至1.50V时，氢生产能耗降低18%，使整体工艺与灰氨持平。"往返效率评估"显示：对于1万公里海运的绿色氨，GTCC路径效率随电压降低从34%提升至42%；氢气管网运输的氢能源在PEMFC应用中效率可达52%。值得注意的是，氨能源在保持高能量密度优势的同时，其效率仍比最优氢路线低10个百分点。

"技术对比"章节通过横向比较指出：虽然锂离子电池(85-95%效率)和抽水蓄能(70-85%)等储能系统效率更高，但其能量密度(锂电200-400Wh/L)和规模灵活性远不及氨能源。研究特别强调，在1.48V电解电压下，氨能源可实现"能量密度-效率"的最佳平衡，这对需要跨洲运输可再生能源的地区具有战略意义。

该研究为全球能源转型提供了重要决策依据：一方面证实通过优化电解电压可大幅提升绿色氨经济性，使其成为海运可再生能源的理想载体；另一方面明确了氢能源在区域分布式应用中的效率优势。这些发现不仅为电解槽技术研发指明方向（如开发Ni(OH)₂
/NiOOH等非贵金属催化剂），也为各国制定氢能战略提供了量化参考。未来研究可进一步探索电化学合成氨等创新工艺，以突破传统Haber-Bosch工艺的能效极限。论文发表在能源领域新刊《Next Energy》，为可再生能源存储与运输技术发展树立了新的基准。