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從肥料到燃料：“綠氨”革命正引發(fā)全球競爭

發(fā)布時間：2022-02-24 作者：本站 瀏覽量：386


氫能源是公認的清潔能源，一直被研究者關注。但氫能作為燃料，其供給和運輸儲存還沒有一種經(jīng)濟有效的方法。


氫氣作為一種能源有一個致命問題：作為液體，它需要大約-250攝氏度的低溫，這個過程需要消耗氫三分之一的能量；作為氣體，它需要在高壓下儲存，成本很高；在空氣中，它是爆炸性的，安全性要求很嚴格。作為氫能的孿生兄弟，氨氣被認為是氫能的最好補充。


氨（NH3）是一種刺激性氣體，在食品工業(yè)中最常用作肥料。它是通過將水中的氫氣與空氣中分離出來的氮氣反應而產生。氨很容易作為液體儲存，氨氣加一點壓力就可在?10 ℃時液化，能量損失不多，還很安全，便于儲存和運輸。并且液態(tài)氨的體積能量密度幾乎是液態(tài)氫的2倍，相同體積的容器可以儲存更多能量。而且，世界已經(jīng)有一個巨大的制造、儲存和運輸系統(tǒng)，比較成熟。


氨的用途越來越多樣化，除了在食品工業(yè)中作為最常用作肥料，甚至作為燃料推動航運、空運清潔化發(fā)展。


更重要的是，現(xiàn)在氨被一些國家用來作為發(fā)電廠的燃料來源。日本、澳大利亞、荷蘭、沙特和英國等國家都制定了使用綠氨來儲存或出口的國家計劃。




01

綠氨領域正在展開一場全球競賽

然而，氨要幫助解決全球巨大的碳排放難題，仍存在一些挑戰(zhàn)。制造氨的傳統(tǒng)工藝包括從化石燃料中的碳氫化合物中釋放氫氣，通常是甲烷，這會將二氧化碳釋放到大氣中。

據(jù)估計，氨生產占全球化石燃料使用量的大約 2%，并釋放超過4億噸二氧化碳，占全球溫室氣體年總排放量的1%以上。此外，大多數(shù)氨應用會引發(fā)產生氮氧化物化合物的副反應，這些化合物是強效溫室氣體，比二氧化碳捕獲更多熱量。

自20世紀初以來，氨的來源主要采用Haber-Bosch（哈伯工藝）傳統(tǒng)生產方法。使用蒸汽從天然氣中提取氫氣（產生二氧化碳作為副產品），然后在高壓和數(shù)百攝氏度的溫度下將氫氣與空氣中的氮氣結合。


“在我們今天擁有的傳統(tǒng)哈伯法工藝中，氨是一種化石燃料產品?！?莫納什大學的化學家 Douglas Macfarlane說。他表示，傳統(tǒng)方法每生產一噸氨水就會產生大約兩噸二氧化碳。

“由于氨是所有人造肥料的來源，并且用于地球上生產的大部分食物，我們的大部分食物實際上是化石燃料產品，這是一個非常令人不安的事實?！?Macfarlane說。

哈伯法效率雖高，但條件苛刻，需要高溫和高壓，耗能巨大且產生大量溫室氣體。所以，真正的問題在于，如何廉價、高效、綠色地制備氨。這成為科學家研究的方向。

化學家和工程師已經(jīng)開始開發(fā)不使用化石燃料制造氨的方法，而是依靠電化學反應或電解。綠色氨領域正在展開一場完整的全球競賽。

澳大利亞莫納什大學的Macfarlane教授是綠氨制備的代表。Macfarlane的技術不只是更換氫氣的來源或擺弄細節(jié)，而是設想了一種制造氨的全新方法。這個想法是直接在電化學電池中生產氨，而不必制造氫氣作為成分。

Macfarlane教授的研究成果曾刊登在《科學》雜志上。目前，這項技術已經(jīng)授權給一家名為Jupiter Ionics的初創(chuàng)公司使用。Jupiter Ionics公司的目標是使用一種使用與鋰電池類似的電解質的電池來實現(xiàn)這一目標。
圖說：Jupiter Ionics 的綠色氨生產系統(tǒng)示意圖
來源：Jupiter Ionics

Jupiter Ionics的方法使用電解從空氣中分離出氮氣，從水中分離出氫氣以產生氨。該反應使用可再生能源，這意味著氨可以稱為“綠色”。

Jupiter Ionics 表示已獲得250萬美元的資金，以擴大該技術的商業(yè)用途。莫納什大學表示，該技術可以推動這種污染嚴重但至關重要的化學品走向更綠色的未來。

Jupiter Ionics不是唯一生產綠色氨的公司。悉尼大學和新南威爾士大學(UNSW)的研究人員還開發(fā)了其他技術。從新興的新能源企業(yè)到能源行業(yè)的老牌堡壘，商業(yè)機構都在爭奪這塊可再生能源蛋糕。

美國明尼蘇達大學項目主任Michael Reese和他的合作者從美國能源部獲得了1000萬美元，用于建造一個試驗工廠，測試兩項創(chuàng)新：一種新的和改進的催化劑，以及一種用于在工藝結束時將氨抽出的吸收鹽。他們希望，這些因素將降低資本成本和對高壓的需求。
圖說：明尼蘇達大學中西部研究和推廣中心，是一家利用風能生產氨的試點工廠的所在地
來源：明尼蘇達大學

MacFarlane說，丹麥技術大學和美國麻省理工學院的科學家正在研究與Jupiter Ionics非常相似的環(huán)保氨生產技術。

“更廣泛地說，全球范圍內在這種將氮還原為氨的電化學方法方面已經(jīng)做出了相當大的努力，”他說?！暗渲泻芏嗖扇∫环N截然不同的方法，我們稱之為水性方法。這完全與電化學的性質以及進行它的溶劑有關?！?/a>

與傳統(tǒng)的哈伯工藝法不同，這種電化學系統(tǒng)體積小且易于啟動和關閉。Macfarlane 說，一個集裝箱大小的容器每天可以生產一噸綠色氨水。

荷蘭特溫特大學的化學工程師 Jimmy Faria說，對于偏遠的非洲城鎮(zhèn)或風力豐富的加勒比庫拉索島等地來說，那里的燃料價格昂貴或在物流上難以進口，而且化肥也很昂貴。這種技術可能會改變游戲規(guī)則。


02

綠氨革命或將來臨

據(jù)預測，到 2025 年，全球氨水市場規(guī)模將高達1250億美元。目前工業(yè)生產的氨氣中約有 80%用作農業(yè)肥料；其余的用于各種其他應用，包括制冷劑氣體、水凈化和制造。

Macfarlane教授預計，未來幾十年氨的產量將增加約100倍。擴大綠色氨的規(guī)模很重要，因為對這種化學品的需求將猛增，不僅是為了養(yǎng)活不斷增長的全球人口，而且因為它有望成為未來的燃料。

“目前全球氨市場價值約 1000 億美元，但提議將綠色氨用作運輸燃料和一種能源儲存形式的新用途意味著未來可能是該市場的許多倍，”Jupiter Ionics的首席執(zhí)行官Charlie Day表示。

據(jù)國際能源署報告等研究，雖然氨不是解決所有問題的最佳解決方案，但它在實現(xiàn)凈零排放方面發(fā)揮著重要作用。隨著碳價格上漲，綠色氨將成為王者，氨可能是液體燃料的未來。

對于農民來說，自制氨也可能是一個將化肥生產掌握在自己手中的機會。化肥是目前最重要的氨應用——Jupiter Ionics 計劃開始在適度的工業(yè)水平上生產氨肥，這要歸功于新的資金。

“我們一直在與一些農民交談，我們認為一旦每天可以生產10或20公斤氨的程度，就可以滿足個別農民的肥料需求，”Day說?！拔覀兊陌l(fā)展計劃集中在短期內，然后從那里擴大規(guī)模?！倍?，Day說，他們的技術的好處之一是它可以非常容易地放大或縮小。

“因為這是一個電化學過程，所以基本單元是電池。一旦你讓一個單元在特定的規(guī)模上工作，擴大規(guī)模的方法就是你把越來越多的單元連在一起，所以從這個意義上說，它是非常模塊化的。”

這也意味著另一種潛在的商業(yè)模式可能是技術本身的生產和商業(yè)化，讓農民在現(xiàn)場就地生產自己的肥料。
Day說“有些公司將成為技術開發(fā)商，他們會將技術授權給制造設備的人；其他人則更進一步，自己制造設備并將產品出售給最終用戶；其他人甚至進一步整合，并表示他們將提供資金和使用的設備，然后你租用它?！?/a>

對于農民來說，這可能是一個將化肥生產掌握在自己手中的強大機會，這將極大地動搖現(xiàn)有的化肥市場。此外，Day說，該技術可用于儲存來自風能和太陽能等可再生能源的能量。
最終，一場綠色氨革命似乎即將到來，傳統(tǒng)生產商將尋找加入的方法。