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从肥料到燃料：“绿氨”革命正引发全球竞争

发布时间：2022-02-24 作者：本站 浏览量：429


氢能源是公认的清洁能源，一直被研究者关注。但氢能作为燃料，其供给和运输储存还没有一种经济有效的方法。


氢气作为一种能源有一个致命问题：作为液体，它需要大约-250摄氏度的低温，这个过程需要消耗氢三分之一的能量；作为气体，它需要在高压下储存，成本很高；在空气中，它是爆炸性的，安全性要求很严格。作为氢能的孪生兄弟，氨气被认为是氢能的最好补充。


氨（NH3）是一种刺激性气体，在食品工业中最常用作肥料。它是通过将水中的氢气与空气中分离出来的氮气反应而产生。氨很容易作为液体储存，氨气加一点压力就可在−10 ℃时液化，能量损失不多，还很安全，便于储存和运输。并且液态氨的体积能量密度几乎是液态氢的2倍，相同体积的容器可以储存更多能量。而且，世界已经有一个巨大的制造、储存和运输系统，比较成熟。


氨的用途越来越多样化，除了在食品工业中作为最常用作肥料，甚至作为燃料推动航运、空运清洁化发展。


更重要的是，现在氨被一些国家用来作为发电厂的燃料来源。日本、澳大利亚、荷兰、沙特和英国等国家都制定了使用绿氨来储存或出口的国家计划。




01

绿氨领域正在展开一场全球竞赛

然而，氨要帮助解决全球巨大的碳排放难题，仍存在一些挑战。制造氨的传统工艺包括从化石燃料中的碳氢化合物中释放氢气，通常是甲烷，这会将二氧化碳释放到大气中。

据估计，氨生产占全球化石燃料使用量的大约 2%，并释放超过4亿吨二氧化碳，占全球温室气体年总排放量的1%以上。此外，大多数氨应用会引发产生氮氧化物化合物的副反应，这些化合物是强效温室气体，比二氧化碳捕获更多热量。

自20世纪初以来，氨的来源主要采用Haber-Bosch（哈伯工艺）传统生产方法。使用蒸汽从天然气中提取氢气（产生二氧化碳作为副产品），然后在高压和数百摄氏度的温度下将氢气与空气中的氮气结合。


“在我们今天拥有的传统哈伯法工艺中，氨是一种化石燃料产品。” 莫纳什大学的化学家 Douglas Macfarlane说。他表示，传统方法每生产一吨氨水就会产生大约两吨二氧化碳。

“由于氨是所有人造肥料的来源，并且用于地球上生产的大部分食物，我们的大部分食物实际上是化石燃料产品，这是一个非常令人不安的事实。” Macfarlane说。

哈伯法效率虽高，但条件苛刻，需要高温和高压，耗能巨大且产生大量温室气体。所以，真正的问题在于，如何廉价、高效、绿色地制备氨。这成为科学家研究的方向。

化学家和工程师已经开始开发不使用化石燃料制造氨的方法，而是依靠电化学反应或电解。绿色氨领域正在展开一场完整的全球竞赛。

澳大利亚莫纳什大学的Macfarlane教授是绿氨制备的代表。Macfarlane的技术不只是更换氢气的来源或摆弄细节，而是设想了一种制造氨的全新方法。这个想法是直接在电化学电池中生产氨，而不必制造氢气作为成分。

Macfarlane教授的研究成果曾刊登在《科学》杂志上。目前，这项技术已经授权给一家名为Jupiter Ionics的初创公司使用。Jupiter Ionics公司的目标是使用一种使用与锂电池类似的电解质的电池来实现这一目标。
图说：Jupiter Ionics 的绿色氨生产系统示意图
来源：Jupiter Ionics

Jupiter Ionics的方法使用电解从空气中分离出氮气，从水中分离出氢气以产生氨。该反应使用可再生能源，这意味着氨可以称为“绿色”。

Jupiter Ionics 表示已获得250万美元的资金，以扩大该技术的商业用途。莫纳什大学表示，该技术可以推动这种污染严重但至关重要的化学品走向更绿色的未来。

Jupiter Ionics不是唯一生产绿色氨的公司。悉尼大学和新南威尔士大学(UNSW)的研究人员还开发了其他技术。从新兴的新能源企业到能源行业的老牌堡垒，商业机构都在争夺这块可再生能源蛋糕。

美国明尼苏达大学项目主任Michael Reese和他的合作者从美国能源部获得了1000万美元，用于建造一个试验工厂，测试两项创新：一种新的和改进的催化剂，以及一种用于在工艺结束时将氨抽出的吸收盐。他们希望，这些因素将降低资本成本和对高压的需求。
图说：明尼苏达大学中西部研究和推广中心，是一家利用风能生产氨的试点工厂的所在地
来源：明尼苏达大学

MacFarlane说，丹麦技术大学和美国麻省理工学院的科学家正在研究与Jupiter Ionics非常相似的环保氨生产技术。

“更广泛地说，全球范围内在这种将氮还原为氨的电化学方法方面已经做出了相当大的努力，”他说。“但其中很多采取一种截然不同的方法，我们称之为水性方法。这完全与电化学的性质以及进行它的溶剂有关。”

与传统的哈伯工艺法不同，这种电化学系统体积小且易于启动和关闭。Macfarlane 说，一个集装箱大小的容器每天可以生产一吨绿色氨水。

荷兰特温特大学的化学工程师 Jimmy Faria说，对于偏远的非洲城镇或风力丰富的加勒比库拉索岛等地来说，那里的燃料价格昂贵或在物流上难以进口，而且化肥也很昂贵。这种技术可能会改变游戏规则。


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绿氨革命或将来临

据预测，到 2025 年，全球氨水市场规模将高达1250亿美元。目前工业生产的氨气中约有 80%用作农业肥料；其余的用于各种其他应用，包括制冷剂气体、水净化和制造。

Macfarlane教授预计，未来几十年氨的产量将增加约100倍。扩大绿色氨的规模很重要，因为对这种化学品的需求将猛增，不仅是为了养活不断增长的全球人口，而且因为它有望成为未来的燃料。

“目前全球氨市场价值约 1000 亿美元，但提议将绿色氨用作运输燃料和一种能源储存形式的新用途意味着未来可能是该市场的许多倍，”Jupiter Ionics的首席执行官Charlie Day表示。

据国际能源署报告等研究，虽然氨不是解决所有问题的最佳解决方案，但它在实现净零排放方面发挥着重要作用。随着碳价格上涨，绿色氨将成为王者，氨可能是液体燃料的未来。

对于农民来说，自制氨也可能是一个将化肥生产掌握在自己手中的机会。化肥是目前最重要的氨应用——Jupiter Ionics 计划开始在适度的工业水平上生产氨肥，这要归功于新的资金。

“我们一直在与一些农民交谈，我们认为一旦每天可以生产10或20公斤氨的程度，就可以满足个别农民的肥料需求，”Day说。“我们的发展计划集中在短期内，然后从那里扩大规模。”而且，Day说，他们的技术的好处之一是它可以非常容易地放大或缩小。

“因为这是一个电化学过程，所以基本单元是电池。一旦你让一个单元在特定的规模上工作，扩大规模的方法就是你把越来越多的单元连在一起，所以从这个意义上说，它是非常模块化的。”

这也意味着另一种潜在的商业模式可能是技术本身的生产和商业化，让农民在现场就地生产自己的肥料。
Day说“有些公司将成为技术开发商，他们会将技术授权给制造设备的人；其他人则更进一步，自己制造设备并将产品出售给最终用户；其他人甚至进一步整合，并表示他们将提供资金和使用的设备，然后你租用它。”

对于农民来说，这可能是一个将化肥生产掌握在自己手中的强大机会，这将极大地动摇现有的化肥市场。此外，Day说，该技术可用于储存来自风能和太阳能等可再生能源的能量。
最终，一场绿色氨革命似乎即将到来，传统生产商将寻找加入的方法。



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