從肥料到燃料：“綠色”氨可以幫助解決氣候問題

氨在20世紀(jì)被廣泛用作肥料?，F(xiàn)在，利用可再生能源和一種新的制氨方法，研究人員和企業(yè)家們相信“綠色”氨可以成為發(fā)電和船舶動(dòng)力的重要清潔燃料來源。

在美國(guó)明尼蘇達(dá)州，有一個(gè)布滿風(fēng)機(jī)的農(nóng)場(chǎng)，為一座制造氨氣的化工廠提供動(dòng)力。氨氣不僅可以作為肥料使用，還可以為實(shí)驗(yàn)性拖拉機(jī)提供燃料，為無風(fēng)天儲(chǔ)存能量，并且很快將加熱谷倉(cāng)，使谷物干燥。所有這些過程都不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳排放。明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究表明，使用綠色氨（用可再生能源制成）作為肥料、燃料和熱能，可以將玉米和小谷物作物的碳足跡減少90%。

倡導(dǎo)這種零碳液體燃料的人認(rèn)為，綠色氨的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了農(nóng)場(chǎng)。他們預(yù)測(cè)，作為燃料的綠色氨將有巨大的新市場(chǎng)，最終將超過地球?qū)Π弊鳛榉柿系木薮螅ㄇ也粩嘣鲩L(zhǎng)）需求。2021年國(guó)際能源署的報(bào)告預(yù)測(cè)，在實(shí)現(xiàn)凈零排放的情況下，2050年氫基燃料（包括氨）占運(yùn)輸燃料的近30%。該報(bào)告預(yù)測(cè)，汽車將使用電池，飛機(jī)將使用生物燃料，但氨對(duì)航運(yùn)業(yè)至關(guān)重要。目前，航運(yùn)業(yè)的排放量占全球總量的3%，并在努力快速減少排放量。

氨也是儲(chǔ)存和運(yùn)輸可再生發(fā)電廠能源的主要技術(shù)，以便在需要的時(shí)候和地點(diǎn)提供電力。利用可再生能源從非化石燃料來源生產(chǎn)綠色氨，通過管道或船舶將其輸送，并在發(fā)電廠用作燃料，這些發(fā)電廠配備了定制的氨渦輪機(jī)。雖然電池效率很高，但只適合在數(shù)小時(shí)或數(shù)天內(nèi)儲(chǔ)存較少的電量。牛津能源研究所（Oxford Institute of Energy Studies）2020年的一份報(bào)告得出結(jié)論，對(duì)于大規(guī)模、長(zhǎng)期的能源儲(chǔ)存來說，液氨是最具競(jìng)爭(zhēng)能力的。包括日本、澳大利亞、荷蘭和英國(guó)在內(nèi)的國(guó)家都有使用綠色氨儲(chǔ)存（和出口）可再生能源盈余的計(jì)劃。

不過，就目前而言，氨生產(chǎn)還完全不是綠色的。目前，全世界每年生產(chǎn)1.75億噸氨，主要用作肥料。生產(chǎn)采用了一種能源密集型、有百年歷史的工業(yè)流程，產(chǎn)生大量溫室氣體：該行業(yè)約占全球碳排放量的1%至2%，是地球上排放量最大的行業(yè)之一。

如果氨要成為世界氣候變化解決方案的一部分，就需要確保所有這些氨都是綠色的，這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。當(dāng)然，用于儲(chǔ)存風(fēng)能和太陽能的氨將使用可再生能源生產(chǎn)。合成氨廠將需要改變甚至徹底改造它們的生產(chǎn)系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)需要重新配置以使用新的液體燃料。

純氫（H2）曾被吹捧為未來的燃料。但氫也有問題：作為液體，它需要-250攝氏度左右的低溫；作為一種氣體，它需要在高壓下儲(chǔ)存；在空氣中，它是爆炸性的。相比之下，氨氣（NH3）很容易被儲(chǔ)存為液體，其能量密度約為傳統(tǒng)化石燃料的一半。盡管氨是有毒的，但世界上已經(jīng)有了一個(gè)巨大的制造、儲(chǔ)存和運(yùn)輸系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的、廉價(jià)的制氨方法是使用蒸汽從天然氣中提取氫氣（產(chǎn)生二氧化碳作為副產(chǎn)品），然后在數(shù)百攝氏度的高壓和高溫下將氫氣與空氣中的氮?dú)饨Y(jié)合，這一過程被稱為哈伯-博世過程（Haber-Bosch Process）。每一噸可用的氨，通常會(huì)向大氣釋放近2噸二氧化碳。

削減氨生產(chǎn)排放量的最簡(jiǎn)單方法是將天然氣排除在方程式之外，而是通過使用可再生能源發(fā)電分解水來制造氫氣。哈伯-博世流程的其余部分保持不變，由可再生電力提供動(dòng)力。這就是明尼蘇達(dá)工廠2013年開業(yè)時(shí)正在做的事情，也是許多其他商業(yè)活動(dòng)現(xiàn)在正在計(jì)劃的事情。

自2018年以來，英國(guó)和日本一直在運(yùn)行實(shí)驗(yàn)性的風(fēng)力綠色氨廠。在美國(guó)，目前世界上最大的氨生產(chǎn)商CF Industries計(jì)劃到2023年在路易斯安那州唐納森維爾建一座旗艦綠色氨廠，年產(chǎn)量為20 000噸。在澳大利亞，雅拉的皮爾巴拉氨廠的目標(biāo)是到2022年年底每年生產(chǎn)3 500噸綠色氨，到2030年將產(chǎn)量增加50倍。計(jì)劃中最大的項(xiàng)目是沙特阿拉伯，計(jì)劃于2025年建成的一座工廠的目標(biāo)是每年生產(chǎn)120萬噸綠色氨。

盡管有這么多的項(xiàng)目，但這仍然只是目前全球每年1.75億噸氨產(chǎn)量的一小部分。而且這種擴(kuò)張存在風(fēng)險(xiǎn)，包括氨的意外泄漏，甚至是高濃度鹽的環(huán)境污染。高濃度鹽是海水淡化的副產(chǎn)品，需要將所有的水變成綠色氫氣。利用現(xiàn)有技術(shù)，這樣的規(guī)模是可以實(shí)現(xiàn)的，但成本很高。根據(jù)牛津大學(xué)的報(bào)告，如今美國(guó)一家使用化石燃料的大型工廠生產(chǎn)的氨比電力生產(chǎn)的氨便宜73%。

為了讓綠色氨的生產(chǎn)足夠快速和量足夠大，政府政策很可能需要幫助綠色氫的補(bǔ)貼和鼓勵(lì)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。在此之前，像航運(yùn)業(yè)這樣希望使用氨作為燃料的行業(yè)有一種危險(xiǎn)，那就是最終會(huì)使用“臟”氨作為動(dòng)力，只是將排放從一個(gè)行業(yè)（航運(yùn)）轉(zhuǎn)移到另一個(gè)行業(yè)（氨生產(chǎn)）。

同時(shí)，生產(chǎn)技術(shù)也將進(jìn)步。改進(jìn)哈伯-博世工藝并不容易，這是一項(xiàng)成熟而高效的技術(shù)。美國(guó)能源部資助1 000萬美元，用于建造一個(gè)試驗(yàn)工廠，測(cè)試兩項(xiàng)創(chuàng)新：一種新的和改進(jìn)的催化劑以及一種吸收鹽，用于在工藝結(jié)束時(shí)提取氨。

一旦綠色氨被制造出來，系統(tǒng)也需要改造來使用它，在內(nèi)燃機(jī)中燃燒為船舶提供動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)發(fā)電廠的渦輪機(jī)。這不是一個(gè)新想法，甚至不是一項(xiàng)新技術(shù)——氨燃料內(nèi)燃機(jī)從19世紀(jì)就已經(jīng)存在，在第二次世界大戰(zhàn)期間曾一度流行，因?yàn)楫?dāng)時(shí)石油短缺。但此后人們發(fā)現(xiàn)，化石燃料既便宜又容易使用。

氨燃燒速度慢，比化石燃料更難點(diǎn)燃；大多數(shù)氨發(fā)動(dòng)機(jī)需要一定量的柴油或氫氣才能運(yùn)轉(zhuǎn)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)泄漏未燃燒的氨，那可能是有毒性的。氨發(fā)動(dòng)機(jī)往往會(huì)產(chǎn)生氮氧化物，這也是一種強(qiáng)大的溫室氣體。不過，有催化轉(zhuǎn)化器可以解決這個(gè)問題。

包括德國(guó) MAN Energy Solution和瑞士WinGD在內(nèi)的主要發(fā)動(dòng)機(jī)制造商目前正在開發(fā)氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和套件，以改造舊發(fā)動(dòng)機(jī)，使其能夠使用氨，首批產(chǎn)品預(yù)計(jì)將于2024年在船上使用。與此同時(shí)，初創(chuàng)企業(yè)也參與其中。在明尼蘇達(dá)州，Aza Power Systems公司正在將氨動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)商業(yè)化。

電力生產(chǎn)公司也在開發(fā)利用氨氣發(fā)電的渦輪機(jī)。用電制造氫氣，然后制造氨，運(yùn)輸氨并再將其轉(zhuǎn)化為電，這與電池98%的效率相比，最終只能獲得20%~30%的電能。但這個(gè)過程可以輕松儲(chǔ)存和運(yùn)輸這些能量。

無論未來朝哪個(gè)方向發(fā)展，觀察人士預(yù)計(jì)綠色氨市場(chǎng)將迅速升溫。盡管氨肯定不是解決所有問題的最佳方案，但根據(jù)國(guó)際能源署的研究，綠色氨、生物燃料和氫氣一起，在實(shí)現(xiàn)凈零排放方面發(fā)揮著作用。

隨著碳價(jià)格的上漲，綠色氨將成為王者，氨可能是液體燃料的未來。