“绿色”氨能成为气候解决方吗？

这个故事最初出现在耶鲁环境360上，是气候服务台合作的一部分。

在明尼苏达州，有一个充满风力涡轮机的研究农场，当它如火如荼地进行时，其碳足迹低得惊人。风力为制造氨的化工厂提供动力，氨不仅可以作为肥料在涡轮机下传播，还可以为实验拖拉机提供燃料，为无风日储存能量，并很快加热干燥谷物的谷仓。所有这些都不产生二氧化碳。

明尼苏达大学项目主任Michael Reese说：“对于农业的深度脱碳，你可以改用绿色氨。”该大学的研究表明，将绿色氨（“绿色”是指用可再生能源制成的）作为肥料、燃料和热量，可以将玉米和小谷物作物的碳足迹减少高达90%。“这具有变革性，”里斯说。

这种替代的零碳液体燃料的倡导者认为，绿色氨的覆盖范围远远超出了农场。他们预测，绿色氨作为燃料的新市场将出现广阔，最终超过地球上对氨作为肥料已经巨大（且不断增长）的需求。2021年国际能源机构的一份 告预测，到2050年，氢燃料（包括氨）到2050年将占运输燃料的近30%，高于今天的基本零排放。该 告预测，汽车将使用电池和飞机使用生物燃料运行，但氨对运输行业至关重要，该行业目前占全球3%的排放量，并努力快速减少排放。

总而言之，澳大利亚墨尔本莫纳什大学的化学家道格拉斯·麦克法兰预计，氨产量将在未来几十年内增加约100倍。

然而，就目前而言，氨的生产绝不是绿色的。目前，世界每年生产1.75亿吨氨，主要用于化肥，采用能源密集型、有百年历史的工业流程，生产大量温室气体：该行业约占全球碳排放量的1%至2%，使其成为地球上最肮脏的行业之一。

如果氨要成为世界气候变化解决方案的一部分，这种情况就需要改变。确保所有这些氨都是绿色的，而不是脏的，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这种可再生能源生产。但满足对燃料和化肥的需求将意味着更多的可再生能源。氨工厂需要改变甚至重新发明——它们的生产系统。发动机需要重新配置才能使用新的液体燃料。在此过程中，生产商和用户必须克服障碍：氨有毒，燃烧氨可能会产生比二氧化碳更强的温室气体。

Macfarlane说：“这不会在一夜之间发生。”

纯氢（H2）曾经被吹捧为未来的燃料。但氢有问题：作为液体，它需要大约-250摄氏度的低温；作为气体，它需要在高压下储存；在空气中，它是爆炸性的。另一方面，氨（NH3）很容易作为液体储存，但仍然含有一拳，其能量密度约为传统化石燃料的一半。虽然氨是有毒的，但世界已经有一个巨大的制造、储存和运输系统。荷兰特 特大学的化学工程师Jimmy Faria说：“它勾选了所有盒子。”他映射了氨的优势。

制造氨的传统廉价方法是使用蒸汽（生产二氧化碳作为副产品）从天然气中剥离氢气，然后在高压和数百摄氏度的高温下将氢与空气中的氮结合起来。这个程序被称为哈伯-博世过程，以20世纪初发明诺贝尔奖获得者化学家的名字命名，通常每用氨向大气中释放222吨近2吨二氧化碳。

减少氨生产排放的最简单方法是将天然气从等式中剔出，而是通过将水与可再生能源发电分开来制造氢气。Haber-Bosch进程的其余部分保持不变，由可再生电力供电。这就是位于莫里斯镇大学西中央研究和外联中心的明尼苏达州工厂在2013年开业时正在做的事情，也是许多其他商业努力现在正在计划的。Macfarlane说：“这是一个非常动态的领域；每天都有消息发布。”

自2018年以来，实验性驱动的绿色氨工厂一直在英国和日本运营。在美国，CF Industries——目前世界上最大的氨生产商——计划到2023年在路易斯安那州唐纳森维尔拥有一家旗舰绿色氨工厂，每年生产2万吨。在澳大利亚，Yara的Pilbara氨工厂的目标是到2022年底每年生产3500吨绿色氨，到2030年将增加50倍。计划为沙特阿拉伯实施账簿上最大的项目：计划于2025年开业的一家工厂旨在每年生产120万吨绿色氨。Macfarlane说，这些植物是渴望能源的野兽，需要专门的风能或太阳能农场来为它们供电。

尽管活动频繁，但这仍然只是目前全球每年1.75亿吨氨产量的一小部分。它将接受1亿吨工厂的订单，将全球产量提高100倍。Faria说，这种扩张存在风险，包括氨的意外泄漏，甚至高浓度盐的环境污染——这是使所有水都成为绿色氢气所需的海水淡化副产品。

Faria说，使用可用技术，这种扩大是“可以实现的”，但成本很高。根据牛津的 告，今天美国一家使用化石燃料的大型工厂制造的氨比电动氨便宜73%。Faria指出，成本在很大程度上取决于当地的电价，市场正在迅速变化。

Faria说，风能和太阳能的成本“在过去七年左右的时间里大幅下降”。他说，最终，绿色氢气将比脏东西一样便宜或便宜——问题是什么时候。与明尼苏达大学里斯合作的化学工程师Prodromos Daoutidis说，为了让绿色氨足够快和足够大，可能需要政府政策来帮助补贴绿色氢气并鼓励规模经济。在此之前，像航运这样的希望将氨用作燃料的行业最终可能会使用“脏”氨发电，只是将排放从一个行业（运输）转移到另一个行业（氨生产）。

Macfarlane押注于更戏剧性的变化。Heenvisions不仅要交换氢气源或摆弄细节，而是设想了一种全新的氨制造方法。其想法是直接在电化学电池中生产氨，而无需将氢作为成分。经过多年的工作，这种所谓的“第3代”技术已被证明是一个难以破解的化学坚果。Faria说：“这仍然非常具有挑战性。”Macfarlane有一家初创公司Jupiter Ionics，旨在使用与锂电池中的电解质类似的电池来做到这一点。

与Haber Bosch工厂不同，这种电化学系统很小，易于打开和关闭；Macfarlane说，一个海运集装箱大小的系统每天可以产生大量的绿色氨。Faria说，这可能对偏远的非洲城镇或风力丰富的加勒比库拉索岛等地来说是一个游戏规则的改变者，那里的燃料进口成本高昂或物流上很难，化肥也很昂贵。当地生产可以为偏远的农场和村庄提供食物和燃料。但许多化学家比Macfarlane更怀疑这能否在经济上、短期内实现。Daoutidis说：“在我看来，这些技术非常有希望，但处于早期阶段。”“这是一个问号。”

一旦绿色氨被制造出来，还需要建立系统才能使用它——将其燃烧在内燃机中，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，甚至不是一个新技术——氨燃料内燃机自19世纪以来一直存在，并在第二次世界大战期间短暂流行，当时石油短缺是一个问题。但事实证明，化石燃料既便宜又更容易使用。

氨的燃烧速度比化石燃料慢，也更难点燃；大多数氨发动机需要一剂柴油或氢气才能启动。如果发动机泄漏未燃烧的氨，那可能会有毒。氨发动机往往会产生氮氧化物，也是一种强大的温室气体。不过，有一些催化转换器可以解决这个问题。清洁氨动力发动机的法里亚说：“这是我们力所能及的。”“我们说的是抛光相对成熟的东西的粗糙边缘。”

主要发动机制造商，包括德国MAN Energy Solution和瑞士WinGD，目前正在开发氨燃料发动机和套件，以改装旧发动机，使其能够在氨水下运行，第一批产品预计将于2024年上船。与此同时，初创企业也正在参与其中。在明尼苏达州，里斯的同事William Northrop一个月前推出了Aza Power Systems，将自己的氨动力发动机技术商业化。

电力生产公司也在开发使用氨水发电的涡轮机。Faria指出，使用电力制造氢气，用它制造氨，移动氨水，然后再次将其转化为电力，这似乎很疯狂——与电池98%的效率相比，你最终只能恢复大约20%至30%的电力。但他说，轻松储存和运输这些能源的好处超过了这个问题。

无论事情朝着哪个具体方向发展，观察家都预计绿色氨市场将迅速上涨。虽然氨肯定不是万物的最佳解决方案，但根据国际能源机构 告等研究，氨在实现净零度方面可以发挥作用，与生物燃料和氢气一起发挥作用。Faria预测，随着碳价格的上涨，绿色氨将成为王道：“他认为氨可能是液体燃料的未来。”