氨，分子式為NH3，0.771 kg/m3，常溫下是一種無色氣體，易揮發(fā)，可燃，其極具辨識度的強烈刺激性氣味，哪怕不知其名的人也多少少有所體驗——說到這里恐怕許多讀者鼻腔中已經(jīng)泛起一股難以言喻的“幻臭”。
氨對人類社會的運作至關(guān)重要，是世界上產(chǎn)量最高的無機化合物之一。2021年的合成氨年產(chǎn)量大約在1.8億噸左右[1]，其中約80%應(yīng)用于化肥生產(chǎn)，其它則主要用于工業(yè)制冷劑以及生產(chǎn)多種工業(yè)原料[2]。
雖說可燃，長期以來氨并沒有被廣泛視作一種可能的能源形式，與能源最大的關(guān)系也主要是作為氫能的載體。
但氨本身擁有用作能源的潛力，且在環(huán)保需求持續(xù)高漲的當下，也得到了來自能源產(chǎn)業(yè)的關(guān)注。盡管不及氫能那樣在“碳中和”與“綠色經(jīng)濟”的未來規(guī)劃中占據(jù)重要位置，部分能源行業(yè)參與者仍開始考慮越過將氨還原為氫這一步驟，直接嘗試將氨作為能源大規(guī)模使用，甚至有觀點稱其為“氫能2.0”。
那么到底是什么原因，促使能源行業(yè)將部分注意力從氫轉(zhuǎn)移至氨？氨作為一種潛在的綠色能源又具備哪些優(yōu)點？其規(guī)模化之路上又有什么困難？本文將逐一解答。
氫是好能源，甚至可能是最清潔的能源。其制備原理非常簡單，工藝也有已經(jīng)成熟的規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)（AEC，堿性電解），有在快速發(fā)展的下一代技術(shù)（PEM，質(zhì)子交換膜電解；SOEC，固體氧化物電解），可以與風(fēng)光電廠完美結(jié)合，就地解決消納、儲能等一系列高效利用綠電的問題。也就不奇怪，為何氫能在國家未來能源規(guī)劃中占據(jù)如此地位了。
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可氫也是一種壞能源，壞到當前產(chǎn)業(yè)面臨的困難遠比應(yīng)用它帶來的好處要多得多。首先氫是一種極難儲存的物質(zhì)，其臨界溫度極低，為-239.9℃（作為對比，氧氣的臨界溫度為-118.95℃），而維持這種低溫意味著很高的能耗，導(dǎo)致氫氣目前只能依賴高壓氣體鋼瓶這種相對低效的方式轉(zhuǎn)運，運輸成本居高不下。同時，氫作為自然界最輕的元素，其分子穿透力極強，很容易發(fā)生泄漏，且對金屬物質(zhì)還有一定的腐蝕性，對儲氫罐與運輸管道（特別是接縫位置）的材料選擇提出了很高要求，而性能如此優(yōu)秀的材料必然不會便宜，如何高效中長期儲氫是行業(yè)的長期難題。氫氣還是一種非常危險的物質(zhì)，極端易燃易爆，而這搭配易泄露的特征，導(dǎo)致必須將安全標準維持在極高水平，而這又是一筆開支。
臨界溫度：每種物質(zhì)的一個特定溫度，即物質(zhì)以液態(tài)形式出現(xiàn)的最高溫度。在這個溫度以上，無論怎樣增大壓強，氣態(tài)物質(zhì)不會液化。換言之， 臨界溫度越低，越難液化，儲存難度就越大。
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除了儲運問題，氫能雖然單位質(zhì)量的能量密度不錯（高達142MJ/kg，標準煤為20.8MJ/kg），但單位體積的能量密度卻十分糟糕，而作為一種密度極低的物質(zhì)，這才是對氫更為重要的一項指標。液態(tài)氫的能量密度約為2.4千瓦時每升（汽油的能量密度為9千瓦時每升），而這已經(jīng)是最為理想的數(shù)據(jù)，考慮到大部分情況下氫氣并不能以液態(tài)方式轉(zhuǎn)運，進一步降低了其經(jīng)濟效益[3]。
總的來說，氫能現(xiàn)階段尚未解決基本的儲運，而中長期的儲存更是困難重重。當前的一些技術(shù)路線，包括甲醇、金屬吸附等要么不具備規(guī)模化能力，要么極端不成熟，均不符合對氫能的長期規(guī)劃。而這決定了無論氫能產(chǎn)業(yè)是否能解決生產(chǎn)成本的問題，氫能都不具備大規(guī)模推廣的基本前提——沒有低成本的可靠儲運技術(shù)，大規(guī)模的氫能相關(guān)基建工程同樣意義不大，至少經(jīng)濟性不高。
這就促使行業(yè)放寬視野，尋找一種和氫類似，制備工藝比較簡單、生產(chǎn)過程碳排放低、效率可接受、副產(chǎn)物清潔，同時還要易儲易運輸?shù)奈镔|(zhì)。
于是能源行業(yè)找上了氨。
最基本的問題：氨是否具有作為一種綠色能源的潛質(zhì)？答案是肯定的。
首先從氧化反應(yīng)公式看，在恰當反應(yīng)條件下，氨氣燃燒的產(chǎn)物可以僅有氮氣與水，與氫氣同等清潔，完全具備作為綠色能源服務(wù)“碳中和”的潛力。
氨作為燃料的性能也屬尚可。單位質(zhì)量下氨的能量密度雖遠不及氫，但其單位體積的能量密度則有3.5千瓦時每升，比液氫的2.4千瓦時每升高了近50%，優(yōu)勢非常明顯[3]。而且氨燃料的辛烷值較高，抗爆性能較好，可以增加發(fā)動機的壓縮比以提高輸出功率，使得發(fā)動機的熱效率提高到50%以上，是普通燃油汽車的2倍[2]。
合成氨最大的優(yōu)點，是其遠比氫要容易儲存，常壓下-33℃或常溫下9個大氣壓即可使氨液化，且對儲存容器的要求也不高。同時，氨作為人類制備規(guī)模最大的化合物之一，儲運技術(shù)非常成熟，管道、鐵路、駁船、船舶、公路拖車均可，對大規(guī)模興建基礎(chǔ)設(shè)施的需求并不強。以上正是氨被視作儲氫關(guān)鍵技術(shù)的核心原因?？偟膩碚f相較于氫，大規(guī)模的應(yīng)用氨至少在儲運環(huán)節(jié)并沒有太多麻煩。
氨的生產(chǎn)可以只依賴水、空氣以及電力，這意味著理論上也存在和氫氣同樣清潔的制備方式，基本無碳排放的“綠氨”是可能的。理想中最為簡單的一種綠氨生產(chǎn)模式，是將制氫站、合成氨工廠與可再生能源電廠整合，通過風(fēng)光或其它形式的綠電電解水制氫，再用這一過程中生產(chǎn)出的綠氫進一步與空氣中的氮氣結(jié)合，繼續(xù)使用綠電生產(chǎn)氨氣。如此一來，就有望實現(xiàn)全流程的無排放氨生產(chǎn)，且同樣可以解決新能源消納難的問題。不過綠氨現(xiàn)階段只是一種構(gòu)想，仍然面臨很多困難，關(guān)于這一點將在下文詳述。
綠氨生產(chǎn)示意圖 l 圖片來源：[3]
對氨能源的利用與氫能并無大的區(qū)別，可以是燃料電池、替代傳統(tǒng)化石燃料應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、用于發(fā)電、船舶、車輛（早在1940年比利時就曾嘗試過氨能公交車[4]）等等。
理想的氨循環(huán) l 圖片來源：[4]
目前對氨能源表現(xiàn)出最濃厚興趣的，是船舶行業(yè)。例如挪威的船舶設(shè)計公司Breeze Ship Design在近期宣布，將設(shè)計基于現(xiàn)有的110,000載重噸Aframax船舶的氨動力油輪，作為挪威綠色航運計劃(GSP)的一部分[5]。而在2021年3月，韓國船級社（KR）就曾授予韓國船舶技術(shù)株式會社研發(fā)的“8000噸級氨燃料動力加注船”原則性認可證書（AiP），這是韓國第一艘以船用輕質(zhì)柴油（MGO）和氨為雙燃料的8000噸級氨燃料加注船[6]。日本方面也有包括日本郵船株式會社、日本發(fā)動機株式會社（Japan Engine Corporation）、株式會社IHI原動機在內(nèi)的共五家機構(gòu)，共同開展“搭載日本產(chǎn)氨燃料發(fā)動機的船舶的開發(fā)”[7]。
國內(nèi)當然也不甘示弱。由中國船舶集團有限公司旗下上海船舶研究設(shè)計院自主研發(fā)設(shè)計的中國首創(chuàng)首款氨燃料動力7000車位汽車運輸船（PCTC）正式獲得DNV頒發(fā)的原則性認可（AiP）證書[8]。
另一方面，受限于技術(shù)與生產(chǎn)，快速規(guī)模利用純氨有一定難度，但將氨與其他燃料如煤、氫等混用是值得嘗試，且效果更加立竿見影的方式。例如今年1月24日，國家能源集團就對外公布了一種燃煤鍋爐混氨燃燒技術(shù)。該技術(shù)在40兆瓦燃煤鍋爐實現(xiàn)混氨燃燒熱量比例達35%，對煤的使用仍不可避免的會產(chǎn)生碳排放，但排放強度在混入氨后可大幅降低，而且能量輸出也更有保障，無疑也是一種可行的“碳中和”方案[9]。
當然，氨縱有千般好，想要真正規(guī)模化應(yīng)用需要解決的技術(shù)問題同樣很多。
氨作為能源規(guī)?；紫缺仨氁鉀Q的，就是如何生產(chǎn)“綠氨”。當前的合成氨模式不太可能支持將氨用作能源，且與綠電也不相匹配。
目前合成氨產(chǎn)業(yè)所使用的哈勃-博施法（Haber–Bosch process），是在450℃~500℃，200個標準大氣壓下，通過混入催化劑讓氮氣與氫氣發(fā)生反應(yīng)生成氨氣。這種方式能耗極高，會消耗大量化石燃料，不符合“碳中和”的理念。而生產(chǎn)過程中所用氫的由天然氣和煤加工而來，涉及煤氣化工業(yè)路線與天然氣重整工藝兩個大方向，同樣涉及大量碳排放。
以我國為例，受能源結(jié)構(gòu)影響，主要通過煤氣化制備合成氨所需氫氣。數(shù)據(jù)顯示，我國生產(chǎn)每噸合成氨消耗約1.53噸標準煤，產(chǎn)生碳排放約5.94噸，其中工藝流程貢獻4.71噸碳排放，外部耗能間接排放1.23噸；即使是海外排放較低的天然氣路線，總排放也要在3.10 噸 CO2/噸氨左右[10]。一些往期數(shù)據(jù)顯示，合成氨工業(yè)產(chǎn)生的碳排放，可以達到全球溫室氣體排放量的約1.0%（或約占全球 CO 2排放量的 1.4% ），可謂十分驚人；若計算開采化化石燃料過程中的排放數(shù)據(jù)，則還可進一步上升[4]。
現(xiàn)階段合成氨產(chǎn)業(yè)鏈 l 圖片來源：[10]
此外，哈勃-博施法所用設(shè)備對輸入能源的質(zhì)量要求比較高，對波動性的應(yīng)對能力不強，且設(shè)備也不能隨意啟停。這不符合風(fēng)光電高波動性的基本特征，導(dǎo)致兩者兼容性頗為糟糕，也給綠電接入合成氨生產(chǎn)造成了很大困難。
綜上所述，當前合成氨工藝不太可能支撐氨能源產(chǎn)業(yè)，尋找新的生產(chǎn)方案至關(guān)重要。
目前合成氨產(chǎn)業(yè)在嘗試開發(fā)新的制備工藝，如固氮酶合成氨、光催化合成氨、電催化合成氨、等離子體法合成氨、循環(huán)工藝法合成氨以及超臨界合成氨等。其中固氮酶合成氨、光催化合成氨及電催化合成氨有著一定關(guān)注度[11]。
固氮酶合成氨：這是一種生物技術(shù)路線，通過利用固氮微生物將大氣中的氮氣還原成氨，可在常溫常壓條件下進行，技術(shù)成熟度很低；
光催化合成氨：利用光催化劑引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能制氨。該技術(shù)可以做到在常溫常壓條件下合成氨，也幾乎不產(chǎn)生碳排放。該轉(zhuǎn)換過程非常低效，且氮分子極高的化學(xué)穩(wěn)定性進一步限制了這種工藝的生產(chǎn)能力；
電催化合成氨：通過直接或間接方式將氮氣通過電化學(xué)反應(yīng)還原為氨，反應(yīng)過程中的氫則直接由水電解制得，可完全繞過傳統(tǒng)的哈勃-博施法，總體也是基本無額外排放的生產(chǎn)工藝，但同樣存在效率低的缺陷。
電催化氮還原反應(yīng)示意圖 l 圖片來源：[4]
當然，正如大部分新技術(shù)一樣，這些新一代的氨生產(chǎn)工藝太過不成熟，存在效率太差、反應(yīng)過程不穩(wěn)定、經(jīng)濟性不清晰的問題，需要進一步驗證與完善。
另有一種方式，是將氨的生產(chǎn)與固碳技術(shù)相結(jié)合，降低生產(chǎn)過程中的碳排放，若以氫氣的命名法，可以將這種氨稱為“藍氨”。但為生產(chǎn)線加裝額外的設(shè)備無疑會體現(xiàn)在成本上，這對于合成氨本就不算高的利潤空間可能很難接受，而且也不真正解決問題，因此只能認為是一種過度方案。
氨的毒性也需要有恰當?shù)慕鉀Q方式，否則作為一種強污染物，其環(huán)境風(fēng)險將限制大規(guī)模的應(yīng)用。目前一些新式儲存方式有望解決這一問題，如將儲存在多孔金屬氨絡(luò)合物(如六氨氯化鎂Mg(NH3)6Cl2)中。在金屬氨絡(luò)合物中，氨的吸附和解吸完全可逆，且只有在350℃或更高溫度下加熱才會從多孔介質(zhì)中釋放，這將大幅降低泄露導(dǎo)致環(huán)境污染的風(fēng)險[2]。不過這一過程帶來的額外成本尚不清楚，其經(jīng)濟性本身需要進一步考察。
尋找能夠保證氨穩(wěn)定燃燒的方式也很重要，相關(guān)技術(shù)的進展需要多加關(guān)注。上文提到恰當反應(yīng)條件下的氨能源副產(chǎn)物只有氮氣與水，很是清潔；如若反應(yīng)條件不好，情況就完全不同了：此時氨會產(chǎn)生氮氧化合物（NOX），不折不扣的有毒害廢氣。
實際應(yīng)用中，氨作為能源的一些缺陷也會導(dǎo)致有毒廢氣的產(chǎn)生。其燃點高（651攝氏度），燃燒速度比較慢，熱值（發(fā)熱量）也略差一些，想要實現(xiàn)全過程的無氮氧化合物生成比較困難。若想大規(guī)模應(yīng)用氨能源，需得建設(shè)配套的廢氣回收處理環(huán)節(jié)，以避免形成其他形式的污染物。
日本在這一環(huán)節(jié)上取得了不錯的進展。三菱重工目前開發(fā)的4萬千瓦100%純氨燃料發(fā)電機，已經(jīng)能將氮氧化物控制在100ppm（百萬分之一）甚至10ppm以下，商業(yè)化潛力不錯[11]。不過這種原型機的功率仍然太小，相對也好控制，不能斷言其在放大后的性能同樣優(yōu)秀。
最后，當前對氨作為一種能源的研究本身也不夠深入。其燃燒速度、火焰結(jié)構(gòu)、點火延遲、污染物形成等關(guān)鍵參數(shù)仍不完善，對氨燃燒的反應(yīng)機理也未完全清晰，這些不足同樣構(gòu)成了將氨作為能源過程中的障礙[2]。未來，學(xué)界的進一步的深入研究同樣不可或缺。
除了上一節(jié)提到的具體技術(shù)困難外，氨作為一種燃料還面臨其他一些現(xiàn)實問題。
許多人可能會發(fā)現(xiàn)，本文從始至終，完全沒有提及氨作為能源的經(jīng)濟性。這主要是因為，氨能源現(xiàn)階段其實沒有什么經(jīng)濟性可言。
首先是價格不具參考價值（而且噸價本就比原油貴）?！爱斍啊钡暮铣砂眹崈r完全是建立在“當前”的生產(chǎn)工藝與供需關(guān)系之上的，而我們在上文已經(jīng)提到，哈勃-博施法會產(chǎn)生驚人的碳排放，不可能用于未來的綠氨大規(guī)模制備，但新的工藝距離成熟還有不小的距離，我們并不是非常清楚綠氨能實現(xiàn)什么水平的價格。這引出了一個不容忽視的風(fēng)險，商業(yè)化的風(fēng)險。
這并非危言聳聽，因種種原因遲遲無法規(guī)?；膶嵗苁瞧毡?。上文我們已經(jīng)闡述了氫能源在規(guī)模化過程中遇到的巨大困難，之所以開發(fā)氨能源本身就是個很典型的案例。另一個例子則是以砷化鎵太陽能電池為首的一眾III-V族太陽能電池。這種材料由于極其優(yōu)秀的光電轉(zhuǎn)化效率以及其他性能，被廣泛應(yīng)用于空天設(shè)備（航天站、衛(wèi)星等）與軍用無人機這些成本非常不敏感的領(lǐng)域。光伏產(chǎn)業(yè)并非沒有試圖將其規(guī)模化，可由于無論如何也不能解決砷化鎵的成本問題，如今針對這一材料的民用化進程已經(jīng)停滯。而其他調(diào)整組分從材料層面降本的嘗試，也由于各種原因舉步維艱，特別是缺乏在效率上與傳統(tǒng)硅晶電池競爭的能力而敗下陣來。
商業(yè)化本身不是一種必然的承諾。哪怕是氨這樣工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)十分熟悉、久經(jīng)考驗的物質(zhì)在換一種用法、換一個領(lǐng)域后，也需要重新考量其經(jīng)濟價值。
其次，當前的合成氨是典型的重資產(chǎn)行業(yè)，前期投入巨大且投資周期很長，這一點即使綠氨工藝得以大規(guī)模投產(chǎn)，也不太可能有根本性的變化，這給社會資本的接入帶來了一定的困難。配套的綠氫工廠、儲運設(shè)施、電站等等耗費甚巨的項目都不是社會資本能夠獨立解決的。同時，當前合成氨行業(yè)若想轉(zhuǎn)型，相關(guān)設(shè)備的升級改造，研發(fā)支出同樣會是巨大的開支，這些資金僅靠行業(yè)自行籌集也是個問題，而傳統(tǒng)化工業(yè)對資本的吸引力一直以來都很堪憂。沒錢就不能轉(zhuǎn)型，不轉(zhuǎn)型就更融不到資，這一困境在ESG大環(huán)境下的傳統(tǒng)能源企業(yè)轉(zhuǎn)型過程中，已經(jīng)可以被十分明確的觀察到。
換言之，若氨能源想要實現(xiàn)長足發(fā)展，來自國家頂層設(shè)計與配套政策的支持必不可少。構(gòu)建一個友好的投資環(huán)境對產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級，以及提高資本接入的意愿皆至關(guān)重要。
References：
[1]IFA: 公開摘要 中期肥料展望 2021 – 2025 .2021.08
[2]陳達南, 李軍, 黃宏宇, 陳穎, 何兆紅, 鄧立生. 氨燃燒及反應(yīng)機理研究進展[J]. 化學(xué)通報, 2020, 83(6): 508-515.
[3]Salmon, N., & Ba?ares-Alcántara, R. (2021). Green ammonia as a spatial energy vector: a review. Sustainable Energy & Fuels, 5(11), 2814-2839.
[4]MacFarlane, D. R., Cherepanov, P. V., Choi, J., Suryanto, B. H., Hodgetts, R. Y., Bakker, J. M., ... & Simonov, A. N. (2020). A roadmap to the ammonia economy. Joule, 4(6), 1186-1205.
[5]國際船舶海工網(wǎng): 挪威船舶設(shè)計公司Breeze獲政府支持設(shè)計氨燃料動力大型油輪. 202203.09 https://mp.weixin.qq.com/s/_6yVkE5fHpynrlDx3hLZlA
[6]國際船舶海工網(wǎng): 8千噸級氨燃料動力加注船獲船級社原則性認證. 2021.04.02 https://mp.weixin.qq.com/s/J9Kk7aJjZs4zs56xaABcEA
[7]AIpatent: 日本企業(yè)將合力開發(fā)“日本產(chǎn)”氨燃料船，從研發(fā)到商業(yè)化 2021.11.15 https://mp.weixin.qq.com/s/QXccGQyPFZn4UOjsmL1nKg
[8]中國船舶網(wǎng): 中國首創(chuàng)首款氨燃料動力船獲國際認可. 2022.03.26 https://mp.weixin.qq.com/s/HEyl1DVZchQjVEzDP8K3oQ
[9]新華網(wǎng): 我國成功研發(fā)燃煤鍋爐混氨燃燒技術(shù). 科技日報. 2022.01.26 http://www.news.cn/science/2022-01/26/c_1310440952.htm
[10]國聯(lián)證券: 綠氫——風(fēng)正帆懸，平價在望. 2021.06.07
[11]袁素: 氨能：2022年的能源新風(fēng)口？. 能源評論?首席能源觀. 2022.02.21 http://www.escn.com.cn/news/show-1344856.html
