從肥料到燃料：“綠色”氨可以幫助解決氣候問題

氨在20世紀被廣泛用作肥料。現在，利用可再生能源和一種新的制氨方法，研究人員和企業家們相信“綠色”氨可以成為發電和船舶動力的重要清潔燃料來源。

在美國明尼蘇達州，有一個布滿風機的農場，為一座制造氨氣的化工廠提供動力。氨氣不僅可以作為肥料使用，還可以為實驗性拖拉機提供燃料，為無風天儲存能量，并且很快將加熱谷倉，使谷物干燥。所有這些過程都不會產生二氧化碳排放。明尼蘇達大學的研究表明，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%。

倡導這種零碳液體燃料的人認為，綠色氨的應用范圍遠遠超出了農場。他們預測，作為燃料的綠色氨將有巨大的新市場，最終將超過地球對氨作為肥料的巨大（且不斷增長）需求。2021年國際能源署的報告預測，在實現凈零排放的情況下，2050年氫基燃料（包括氨）占運輸燃料的近30%。該報告預測，汽車將使用電池，飛機將使用生物燃料，但氨對航運業至關重要。目前，航運業的排放量占全球總量的3%，并在努力快速減少排放量。

氨也是儲存和運輸可再生發電廠能源的主要技術，以便在需要的時候和地點提供電力。利用可再生能源從非化石燃料來源生產綠色氨，通過管道或船舶將其輸送，并在發電廠用作燃料，這些發電廠配備了定制的氨渦輪機。雖然電池效率很高，但只適合在數小時或數天內儲存較少的電量。牛津能源研究所（Oxford Institute of Energy Studies）2020年的一份報告得出結論，對于大規模、長期的能源儲存來說，液氨是最具競爭能力的。包括日本、澳大利亞、荷蘭和英國在內的國家都有使用綠色氨儲存（和出口）可再生能源盈余的計劃。

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

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，這是一項艱巨的任務。當然，用于儲存風能和太陽能的氨將使用可再生能源生產。合成氨廠將需要改變甚至徹底改造它們的生產系統。發動機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，它需要在高壓下儲存；在空氣中，它是爆炸性的。相比之下，氨氣（NH3）很容易被儲存為液體，其能量密度約為傳統化石燃料的一半。盡管氨是有毒的，但世界上已經有了一個巨大的制造、儲存和運輸系統。

傳統的、廉價的制氨方法是使用蒸汽從天然氣中提取氫氣（產生二氧化碳作為副產品），然后在數百攝氏度的高壓和高溫下將氫氣與空氣中的氮氣結合，這一過程被稱為哈伯-博世過程（Haber-Bosch Process）。每一噸可用的氨，通常會向大氣釋放近2噸二氧化碳。

削減氨生產排放量的最簡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力。這就是明尼蘇達工廠2013年開業時正在做的事情，也是許多其他商業活動現在正在計劃的事情。

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

盡管有這么多的項目，但這仍然只是目前全球每年1.75億噸氨產量的一小部分。而且這種擴張存在風險，包括氨的意外泄漏，甚至是高濃度鹽的環境污染。高濃度鹽是海水淡化的副產品，需要將所有的水變成綠色氫氣。利用現有技術，這樣的規模是可以實現的，但成本很高。根據牛津大學的報告，如今美國一家使用化石燃料的大型工廠生產的氨比電力生產的氨便宜73%。

為了讓綠色氨的生產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貼和鼓勵規模經濟。在此之前，像航運業這樣希望使用氨作為燃料的行業有一種危險，那就是最終會使用“臟”氨作為動力，只是將排放從一個行業（航運）轉移到另一個行業（氨生產）。

同時，生產技術也將進步。改進哈伯-博世工藝并不容易，這是一項成熟而高效的技術。美國能源部資助1 000萬美元，用于建造一個試驗工廠，測試兩項創新：一種新的和改進的催化劑以及一種吸收鹽，用于在工藝結束時提取氨。

一旦綠色氨被制造出來，系統也需要改造來使用它，在內燃機中燃燒為船舶提供動力或驅動發電廠的渦輪機。這不是一個新想法，甚至不是一項新技術——氨燃料內燃機從19世紀就已經存在，在第二次世界大戰期間曾一度流行，因為當時石油短缺。但此后人們發現，化石燃料既便宜又容易使用。

氨燃燒速度慢，比化石燃料更難點燃；大多數氨發動機需要一定量的柴油或氫氣才能運轉。如果發動機泄漏未燃燒的氨，那可能是有毒性的。氨發動機往往會產生氮氧化物，這也是一種強大的溫室氣體。不過，有催化轉化器可以解決這個問題。

包括德國 MAN Energy Solution和瑞士WinGD在內的主要發動機制造商目前正在開發氨燃料發動機和套件，以改造舊發動機，使其能夠使用氨，首批產品預計將于2024年在船上使用。與此同時，初創企業也參與其中。在明尼蘇達州，Aza Power Systems公司正在將氨動力發動機技術商業化。

電力生產公司也在開發利用氨氣發電的渦輪機。用電制造氫氣，然后制造氨，運輸氨并再將其轉化為電，這與電池98%的效率相比，最終只能獲得20%~30%的電能。但這個過程可以輕松儲存和運輸這些能量。

無論未來朝哪個方向發展，觀察人士預計綠色氨市場將迅速升溫。盡管氨肯定不是解決所有問題的最佳方案，但根據國際能源署的研究，綠色氨、生物燃料和氫氣一起，在實現凈零排放方面發揮著作用。

隨著碳價格的上漲，綠色氨將成為王者，氨可能是液體燃料的未來。