綠氨是未來能源的王者 可成為發(fā)電和船舶動(dòng)力的重要清潔燃料來源

　　氨被廣泛用作肥料?，F(xiàn)在研究人員和企業(yè)家相信，用可再生能源制造的綠氨可以成為發(fā)電和船舶動(dòng)力的重要清潔燃料來源。

　　美國明尼蘇達(dá)州有一個(gè)布滿渦輪風(fēng)機(jī)的農(nóng)場，風(fēng)電為一座制氨工廠提供動(dòng)力。這是明尼蘇達(dá)大學(xué)邁克爾·里斯負(fù)責(zé)的一個(gè)項(xiàng)目。氨不僅作為肥料在農(nóng)場施用，還可為拖拉機(jī)提供實(shí)驗(yàn)燃料。在無風(fēng)的日子儲(chǔ)存能量，可為谷倉加熱，使谷物干燥。所有這些過程都沒有二氧化碳排放。明尼蘇達(dá)大學(xué)的這項(xiàng)研究表明，使用綠氨作為肥料、燃料和熱能，可以將玉米等作物的碳足跡減少90%，低得驚人。

　　這種替代零碳液體燃料的倡導(dǎo)者認(rèn)為，綠氨的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)不止農(nóng)場。他們預(yù)測，作為燃料的綠氨將有廣闊的新市場，最終會(huì)超過作為肥料的巨大需求。2021年國際能源署報(bào)告預(yù)測，為實(shí)現(xiàn)凈零排放，到2050年，氫燃料(包括氨)將占到運(yùn)輸燃料份額的近30%。

　　為在需要的時(shí)間和地點(diǎn)提供電力，氨也是儲(chǔ)存和運(yùn)輸可再生能源的主要技術(shù)之一。其思路是利用可再生能源以非化石燃料生產(chǎn)綠氨，通過管道或船舶輸送到發(fā)電廠用做燃料。這些發(fā)電廠配備了專門的氨渦輪機(jī)。

　　雖然儲(chǔ)能電池效率很高，但只適合儲(chǔ)存數(shù)小時(shí)或數(shù)天的較少電量。牛津能源研究所2020年的一份報(bào)告提出，對于大規(guī)模長期儲(chǔ)能來說，液氨最具競爭能力。包括日本、澳大利亞、荷蘭和英國在內(nèi)的國家都有使用綠氨儲(chǔ)存和出口盈余可再生能源的計(jì)劃。

　　澳大利亞墨爾本蒙納士大學(xué)化學(xué)家道格拉斯·麥克法蘭預(yù)計(jì)，未來幾十年，氨產(chǎn)量可能增加約100倍。

　　不過，目前氨生產(chǎn)還不是綠色的。全世界每年生產(chǎn)約1.75億噸氨，主要用作肥料。氨合成采用能源密集型、有百年歷史的工業(yè)流程，會(huì)產(chǎn)生大量溫室氣體。氨生產(chǎn)的碳排放約占全球碳排放量的1%～2%，是排放量最大的產(chǎn)業(yè)之一。

　　要讓氨成為世界氣候變化解決方案的一部分，就要確保所有的氨都是綠色的。這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。首先，用于儲(chǔ)存風(fēng)能和太陽能的氨必須用可再生能源生產(chǎn)。其次，合成氨廠必須徹底改造生產(chǎn)系統(tǒng)。而船舶發(fā)動(dòng)機(jī)需要重新配置，以使用新的液體燃料——氨。同時(shí)，還必須克服新的障礙：燃燒氨可能會(huì)產(chǎn)生比二氧化碳更強(qiáng)的溫室氣體。

　　氫被奉為未來燃料，但氫燃料存在以下問題：作為液體，需要零下250攝氏度左右的低溫;作為氣體，需要在高壓下儲(chǔ)存;在空氣中，它的爆炸極限是4%～75%。相比之下，氨很容易作為液體儲(chǔ)存，但不足之處是其能量密度只有傳統(tǒng)化石燃料的一半。盡管氨有毒，但作為肥料，其已在全球擁有一個(gè)巨大的制造、儲(chǔ)存和運(yùn)輸系統(tǒng)。

　　傳統(tǒng)、低成本的氨合成，是水蒸汽與天然氣中的甲烷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氫氣，排出副產(chǎn)品二氧化碳，氫氣與空氣中的氮?dú)庠诟邏汉透邷叵陆Y(jié)合成氨。這一工藝被稱為哈伯-博世流程，以20世紀(jì)初發(fā)明該工藝的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者弗里茨·哈伯和卡爾·博世命名。每生產(chǎn)1噸氨，可通過尿素回收40%左右二氧化碳，通常向大氣中釋放近2噸二氧化碳。

　　減少合成氨碳排放最簡單的方法是使用可再生能源發(fā)電分解水來制造氫氣，將天然氣排除在化學(xué)方程式之外。哈伯-博世流程的其余部分不變，由可再生電力提供動(dòng)力。這就是位于莫里斯鎮(zhèn)的明尼蘇達(dá)州工廠從2013年起就在做的事情。

　　自2018年以來，英國和日本一直在進(jìn)行風(fēng)驅(qū)動(dòng)綠氨工廠實(shí)驗(yàn)。在美國，目前全球最大的氨生產(chǎn)商CF工業(yè)控股公司計(jì)劃2023年在路易斯安那州唐納森維爾建一座綠氨旗艦廠，年產(chǎn)量為2萬噸。在澳大利亞，挪威雅苒國際公司的皮爾巴拉氨工廠計(jì)劃到2022年底年產(chǎn)綠氨3500噸，到2030年產(chǎn)量增加50倍。最大的項(xiàng)目來自沙特阿拉伯，計(jì)劃2025年建成一座年產(chǎn)120萬噸綠氨的工廠。

　　盡管有這么多的項(xiàng)目，但綠氨產(chǎn)量與目前全球每年1.75億噸的氨產(chǎn)量相比微乎其微。按照麥克法蘭的預(yù)計(jì)，全球的氨產(chǎn)量將提高100倍。但這種擴(kuò)張存在很大風(fēng)險(xiǎn)，包括氨的意外泄漏、高濃度鹽的環(huán)境污染——需要將所有的淡化海水變成綠氫的副產(chǎn)品。雖然利用現(xiàn)有技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這樣的規(guī)模，但成本很高。牛津大學(xué)報(bào)告顯示，目前美國一家使用化石燃料的大型工廠生產(chǎn)的氨比電解水生產(chǎn)的氨便宜73%。而成本在很大程度上取決于電價(jià)。

　　荷蘭特溫特大學(xué)化學(xué)工程師吉米·法里亞表示，雖然風(fēng)能和太陽能成本在過去7年左右大幅下降，但綠氫要與化石燃料合成氫的成本相當(dāng)還不知要到什么時(shí)候。為了讓綠氨生產(chǎn)成本降得更快和規(guī)模足夠大，需要政府出臺綠氫補(bǔ)貼政策，并支持其擴(kuò)大規(guī)模。在此之前，如果航運(yùn)業(yè)希望將氨作為燃料，只能用化石燃料氫。那么，這只是將碳排放從一個(gè)產(chǎn)業(yè)(航運(yùn))轉(zhuǎn)移到另一個(gè)產(chǎn)業(yè)(氨生產(chǎn))，毫無意義。

　　同時(shí)，生產(chǎn)技術(shù)也必須創(chuàng)新。但改進(jìn)哈伯-博世工藝不易。這是一項(xiàng)成熟而高效的技術(shù)。明尼蘇達(dá)大學(xué)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人邁克爾·里斯與合作者獲得了美國能源部1000萬美元的項(xiàng)目資金，建造了試驗(yàn)工廠測試實(shí)驗(yàn)成果：創(chuàng)新改進(jìn)的催化劑、提取氨的吸收鹽。他們一方面希望降低成本，另一方面希望降低高壓生產(chǎn)條件。

　　麥克法蘭設(shè)想了一個(gè)全新的氨合成方法：直接在電化學(xué)電池中制氨，無需氫參與。但多年實(shí)驗(yàn)證明，這是個(gè)很難破解的技術(shù)難關(guān)。與哈伯-博世工藝工廠不同，電化學(xué)電池系統(tǒng)不大，易于開啟和停止。麥克法蘭說，一個(gè)海運(yùn)集裝箱大小的系統(tǒng)就可以產(chǎn)生大量綠氨。法里亞認(rèn)為，這更適于偏遠(yuǎn)城鎮(zhèn)或風(fēng)力豐富的島嶼。這些地方的燃料進(jìn)口成本高昂，化肥也很昂貴。不過，許多化學(xué)家懷疑這一方法是否經(jīng)濟(jì)、短期內(nèi)能否實(shí)現(xiàn)。

　　一旦綠氨制造出來，還需要改造使用系統(tǒng)——內(nèi)燃機(jī)燃燒氨為船舶提供動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)發(fā)電廠的渦輪機(jī)。不過，這并不是一項(xiàng)新技術(shù)。氨燃料內(nèi)燃機(jī)19世紀(jì)就已經(jīng)存在并在二戰(zhàn)期間短暫流行，因?yàn)楫?dāng)時(shí)石油短缺。但事實(shí)證明，還是化石燃料既便宜又更容易使用。

　　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)需要先注入一定量的柴油或氫氣才能啟動(dòng)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)泄漏未燃燒的氨，會(huì)有毒。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，利用催化轉(zhuǎn)化器可以解決這個(gè)問題。

　　包括德國船用發(fā)動(dòng)機(jī)制造商曼恩集團(tuán)和瑞士WinGD發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)公司在內(nèi)的主要發(fā)動(dòng)機(jī)制造商正在開發(fā)氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和套件，將舊發(fā)動(dòng)機(jī)改造為用氨燃料。預(yù)計(jì)首批產(chǎn)品將于2024年用于船上。明尼蘇達(dá)大學(xué)近期推出了氨動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)商業(yè)化系統(tǒng)。

　　電力生產(chǎn)公司也在開發(fā)利用氨發(fā)電的渦輪機(jī)。用電來制氫，然后制氨，運(yùn)輸氨，再將其轉(zhuǎn)化為電。這可能看起來很瘋狂。因?yàn)榕c電池98%的效率相比，這一循環(huán)最終只能獲得20%～30%的電力。不過，輕松儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)暮锰幊^了能量損失問題。

　　無論未來朝哪個(gè)方向發(fā)展，觀察家都預(yù)計(jì)綠氨市場將迅速升溫。盡管氨不是最佳方案，根據(jù)國際能源署研究，綠氨將與生物燃料和氫一起，為實(shí)現(xiàn)凈零排放發(fā)揮重要作用。法里亞表示，隨著碳價(jià)上漲，綠氨可能是液體燃料未來的王者。