从肥料到燃料：“绿色”氨可以帮助解决气候问题

氨在20世纪被广泛用作肥料。现在，利用可再生能源和一种新的制氨方法，研究人员和企业家们相信“绿色”氨可以成为发电和船舶动力的重要清洁燃料来源。

在美国明尼苏达州，有一个布满风机的农场，为一座制造氨气的化工厂提供动力。氨气不仅可以作为肥料使用，还可以为实验性拖拉机提供燃料，为无风天储存能量，并且很快将加热谷仓，使谷物干燥。所有这些过程都不会产生二氧化碳排放。明尼苏达大学的研究表明，使用绿色氨（用可再生能源制成）作为肥料、燃料和热能，可以将玉米和小谷物作物的碳足迹减少90%。

倡导这种零碳液体燃料的人认为，绿色氨的应用范围远远超出了农场。他们预测，作为燃料的绿色氨将有巨大的新市场，最终将超过地球对氨作为肥料的巨大（且不断增长）需求。2021年国际能源署的报告预测，在实现净零排放的情况下，2050年氢基燃料（包括氨）占运输燃料的近30%。该报告预测，汽车将使用电池，飞机将使用生物燃料，但氨对航运业至关重要。目前，航运业的排放量占全球总量的3%，并在努力快速减少排放量。

氨也是储存和运输可再生发电厂能源的主要技术，以便在需要的时候和地点提供电力。利用可再生能源从非化石燃料来源生产绿色氨，通过管道或船舶将其输送，并在发电厂用作燃料，这些发电厂配备了定制的氨涡轮机。虽然电池效率很高，但只适合在数小时或数天内储存较少的电量。牛津能源研究所（Oxford Institute of Energy Studies）2020年的一份报告得出结论，对于大规模、长期的能源储存来说，液氨是最具竞争能力的。包括日本、澳大利亚、荷兰和英国在内的国家都有使用绿色氨储存（和出口）可再生能源盈余的计划。

不过，就目前而言，氨生产还完全不是绿色的。目前，全世界每年生产1.75亿吨氨，主要用作肥料。生产采用了一种能源密集型、有百年历史的工业流程，产生大量温室气体：该行业约占全球碳排放量的1%至2%，是地球上排放量最大的行业之一。

如果氨要成为世界气候变化解决方案的一部分，就需要确保所有这些氨都是绿色的，这是一项艰巨的任务。当然，用于储存风能和太阳能的氨将使用可再生能源生产。合成氨厂将需要改变甚至彻底改造它们的生产系统。发动机需要重新配置以使用新的液体燃料。

纯氢（H2）曾被吹捧为未来的燃料。但氢也有问题：作为液体，它需要-250摄氏度左右的低温；作为一种气体，它需要在高压下储存；在空气中，它是爆炸性的。相比之下，氨气（NH3）很容易被储存为液体，其能量密度约为传统化石燃料的一半。尽管氨是有毒的，但世界上已经有了一个巨大的制造、储存和运输系统。

传统的、廉价的制氨方法是使用蒸汽从天然气中提取氢气（产生二氧化碳作为副产品），然后在数百摄氏度的高压和高温下将氢气与空气中的氮气结合，这一过程被称为哈伯-博世过程（Haber-Bosch Process）。每一吨可用的氨，通常会向大气释放近2吨二氧化碳。

削减氨生产排放量的最简单方法是将天然气排除在方程式之外，而是通过使用可再生能源发电分解水来制造氢气。哈伯-博世流程的其余部分保持不变，由可再生电力提供动力。这就是明尼苏达工厂2013年开业时正在做的事情，也是许多其他商业活动现在正在计划的事情。

自2018年以来，英国和日本一直在运行实验性的风力绿色氨厂。在美国，目前世界上最大的氨生产商CF Industries计划到2023年在路易斯安那州唐纳森维尔建一座旗舰绿色氨厂，年产量为20 000吨。在澳大利亚，雅拉的皮尔巴拉氨厂的目标是到2022年年底每年生产3 500吨绿色氨，到2030年将产量增加50倍。计划中最大的项目是沙特阿拉伯，计划于2025年建成的一座工厂的目标是每年生产120万吨绿色氨。

尽管有这么多的项目，但这仍然只是目前全球每年1.75亿吨氨产量的一小部分。而且这种扩张存在风险，包括氨的意外泄漏，甚至是高浓度盐的环境污染。高浓度盐是海水淡化的副产品，需要将所有的水变成绿色氢气。利用现有技术，这样的规模是可以实现的，但成本很高。根据牛津大学的报告，如今美国一家使用化石燃料的大型工厂生产的氨比电力生产的氨便宜73%。

为了让绿色氨的生产足够快速和量足够大，政府政策很可能需要帮助绿色氢的补贴和鼓励规模经济。在此之前，像航运业这样希望使用氨作为燃料的行业有一种危险，那就是最终会使用“脏”氨作为动力，只是将排放从一个行业（航运）转移到另一个行业（氨生产）。

同时，生产技术也将进步。改进哈伯-博世工艺并不容易，这是一项成熟而高效的技术。美国能源部资助1 000万美元，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吸收盐，用于在工艺结束时提取氨。

一旦绿色氨被制造出来，系统也需要改造来使用它，在内燃机中燃烧为船舶提供动力或驱动发电厂的涡轮机。这不是一个新想法，甚至不是一项新技术——氨燃料内燃机从19世纪就已经存在，在第二次世界大战期间曾一度流行，因为当时石油短缺。但此后人们发现，化石燃料既便宜又容易使用。

氨燃烧速度慢，比化石燃料更难点燃；大多数氨发动机需要一定量的柴油或氢气才能运转。如果发动机泄漏未燃烧的氨，那可能是有毒性的。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，有催化转化器可以解决这个问题。

包括德国 MAN Energy Solution和瑞士WinGD在内的主要发动机制造商目前正在开发氨燃料发动机和套件，以改造旧发动机，使其能够使用氨，首批产品预计将于2024年在船上使用。与此同时，初创企业也参与其中。在明尼苏达州，Aza Power Systems公司正在将氨动力发动机技术商业化。

电力生产公司也在开发利用氨气发电的涡轮机。用电制造氢气，然后制造氨，运输氨并再将其转化为电，这与电池98%的效率相比，最终只能获得20%~30%的电能。但这个过程可以轻松储存和运输这些能量。

无论未来朝哪个方向发展，观察人士预计绿色氨市场将迅速升温。尽管氨肯定不是解决所有问题的最佳方案，但根据国际能源署的研究，绿色氨、生物燃料和氢气一起，在实现净零排放方面发挥着作用。

随着碳价格的上涨，绿色氨将成为王者，氨可能是液体燃料的未来。