绿氨是未来能源的王者
氨被广泛用作肥料。现在研究人员和企业家相信，用可再生能源制造的绿氨可以成为发电和船舶动力的重要清洁燃料来源。
美国明尼苏达州有一个布满涡轮风机的农场，风电为一座制氨工厂提供动力。这是明尼苏达大学迈克尔·里斯负责的一个项目。氨不仅作为肥料在农场施用，还可为拖拉机提供实验燃料。在无风的日子储存能量，可为谷仓加热，使谷物干燥。所有这些过程都没有二氧化碳排放。明尼苏达大学的这项研究表明，使用绿氨作为肥料、燃料和热能，可以将玉米等作物的碳足迹减少90%，低得惊人。这种替代零碳液体燃料的倡导者认为，绿氨的应用范围远不止农场。他们预测，作为燃料的绿氨将有广阔的新市场，最终会超过作为肥料的巨大需求。2021年国际能源署报告预测，为实现净零排放，到2050年，氢燃料（包括氨）将占到运输燃料份额的近30%。为在需要的时间和地点提供电力，氨也是储存和运输可再生能源的主要技术之一。其思路是利用可再生能源以非化石燃料生产绿氨，通过管道或船舶输送到发电厂用做燃料。这些发电厂配备了专门的氨涡轮机。虽然储能电池效率很高，但只适合储存数小时或数天的较少电量。牛津能源研究所2020年的一份报告提出，对于大规模长期储能来说，液氨最具竞争能力。包括日本、澳大利亚、荷兰和英国在内的国家都有使用绿氨储存和出口盈余可再生能源的计划。澳大利亚墨尔本蒙纳士大学化学家道格拉斯·麦克法兰预计，未来几十年，氨产量可能增加约100倍。不过，目前氨生产还不是绿色的。全世界每年生产约1.75亿吨氨，主要用作肥料。氨合成采用能源密集型、有百年历史的工业流程，会产生大量温室气体。氨生产的碳排放约占全球碳排放量的1%～2%，是排放量最大的产业之一。要让氨成为世界气候变化解决方案的一部分，就要确保所有的氨都是绿色的。这是一项艰巨的任务。首先，用于储存风能和太阳能的氨必须用可再生能源生产。其次，合成氨厂必须彻底改造生产系统。而船舶发动机需要重新配置，以使用新的液体燃料——氨。同时，还必须克服新的障碍：燃烧氨可能会产生比二氧化碳更强的温室气体。
氢被奉为未来燃料，但氢燃料存在以下问题：作为液体，需要零下250摄氏度左右的低温；作为气体，需要在高压下储存；在空气中，它的爆炸极限是4%～75%。相比之下，氨很容易作为液体储存，但不足之处是其能量密度只有传统化石燃料的一半。尽管氨有毒，但作为肥料，其已在全球拥有一个巨大的制造、储存和运输系统。传统、低成本的氨合成，是水蒸汽与天然气中的甲烷发生化学反应，生成氢气，排出副产品二氧化碳，氢气与空气中的氮气在高压和高温下结合成氨。这一工艺被称为哈伯-博世流程，以20世纪初发明该工艺的诺贝尔奖获得者弗里茨·哈伯和卡尔·博世命名。每生产1吨氨，可通过尿素回收40%左右二氧化碳，通常向大气中释放近2吨二氧化碳。减少合成氨碳排放最简单的方法是使用可再生能源发电分解水来制造氢气，将天然气排除在化学方程式之外。哈伯-博世流程的其余部分不变，由可再生电力提供动力。这就是位于莫里斯镇的明尼苏达州工厂从2013年起就在做的事情。自2018年以来，英国和日本一直在进行风驱动绿氨工厂实验。在美国，目前全球最大的氨生产商CF工业控股公司计划2023年在路易斯安那州唐纳森维尔建一座绿氨旗舰厂，年产量为2万吨。在澳大利亚，挪威雅苒国际公司的皮尔巴拉氨工厂计划到2022年底年产绿氨3500吨，到2030年产量增加50倍。最大的项目来自沙特阿拉伯，计划2025年建成一座年产120万吨绿氨的工厂。尽管有这么多的项目，但绿氨产量与目前全球每年1.75亿吨的氨产量相比微乎其微。按照麦克法兰的预计，全球的氨产量将提高100倍。但这种扩张存在很大风险，包括氨的意外泄漏、高浓度盐的环境污染——需要将所有的淡化海水变成绿氢的副产品。虽然利用现有技术可以实现这样的规模，但成本很高。牛津大学报告显示，目前美国一家使用化石燃料的大型工厂生产的氨比电解水生产的氨便宜73%。而成本在很大程度上取决于电价。荷兰特温特大学化学工程师吉米·法里亚表示，虽然风能和太阳能成本在过去7年左右大幅下降，但绿氢要与化石燃料合成氢的成本相当还不知要到什么时候。为了让绿氨生产成本降得更快和规模足够大，需要政府出台绿氢补贴政策，并支持其扩大规模。在此之前，如果航运业希望将氨作为燃料，只能用化石燃料氢。那么，这只是将碳排放从一个产业（航运）转移到另一个产业（氨生产），毫无意义。同时，生产技术也必须创新。但改进哈伯-博世工艺不易。这是一项成熟而高效的技术。明尼苏达大学项目负责人迈克尔·里斯与合作者获得了美国能源部1000万美元的项目资金，建造了试验工厂测试实验成果：创新改进的催化剂、提取氨的吸收盐。他们一方面希望降低成本，另一方面希望降低高压生产条件。麦克法兰设想了一个全新的氨合成方法：直接在电化学电池中制氨，无需氢参与。但多年实验证明，这是个很难破解的技术难关。与哈伯-博世工艺工厂不同，电化学电池系统不大，易于开启和停止。麦克法兰说，一个海运集装箱大小的系统就可以产生大量绿氨。法里亚认为，这更适于偏远城镇或风力丰富的岛屿。这些地方的燃料进口成本高昂，化肥也很昂贵。不过，许多化学家怀疑这一方法是否经济、短期内能否实现。一旦绿氨制造出来，还需要改造使用系统——内燃机燃烧氨为船舶提供动力或驱动发电厂的涡轮机。不过，这并不是一项新技术。氨燃料内燃机19世纪就已经存在并在二战期间短暂流行，因为当时石油短缺。但事实证明，还是化石燃料既便宜又更容易使用。氨燃烧速度慢，比化石燃料更难点燃。大多数氨发动机需要先注入一定量的柴油或氢气才能启动。如果发动机泄漏未燃烧的氨，会有毒。氨发动机往往会产生氮氧化物，这也是一种强大的温室气体。不过，利用催化转化器可以解决这个问题。包括德国船用发动机制造商曼恩集团和瑞士WinGD发动机设计公司在内的主要发动机制造商正在开发氨燃料发动机和套件，将旧发动机改造为用氨燃料。预计首批产品将于2024年用于船上。明尼苏达大学近期推出了氨动力发动机技术商业化系统。电力生产公司也在开发利用氨发电的涡轮机。用电来制氢，然后制氨，运输氨，再将其转化为电。这可能看起来很疯狂。因为与电池98%的效率相比，这一循环最终只能获得20%～30%的电力。不过，轻松储存和运输的好处超过了能量损失问题。无论未来朝哪个方向发展，观察家都预计绿氨市场将迅速升温。尽管氨不是最佳方案，根据国际能源署研究，绿氨将与生物燃料和氢一起，为实现净零排放发挥重要作用。法里亚表示，随着碳价上涨，绿氨可能是液体燃料未来的王者。
