綠色氨氣 通往新型清潔燃料的坎坷之路

隨着到2050年實現零碳化的進程，你將會聽到更多關於氨作為清潔燃料的選擇。它看起來是長途運輸和卡車運輸所需清潔燃料的選擇之一。那麼，它是什麼，它是如何製造的，以及它是如何成為一種綠色燃料？

氨作為一種燃料，按體積計算，氨（15.6兆焦/升）比液態氫（低溫下9.1兆焦/升）多出70%的能量，是壓縮氫氣（700巴壓力下5.6兆焦/升）能量的近三倍。按重量計算，它攜帶6250Wh/kg能量，是當今鋰電池能量的20多倍，足以克服提取能量時引入的低效率問題。

有幾個關鍵的方法可以將氨作為燃料使用。一種是將其”裂解”為H2和N2氣體，然後使用氫氣，作為燃燒燃料或通過燃料電池發電。澳大利亞聯邦科學與工業研究組織計算顯示，當氨轉化為氫並通過PEM燃料電池運行時，可獲得約2094Wh/kg的能量。這大約是創造氨氣所需的10兆瓦時/噸可再生能源的19%。

另一個選擇是將氨作為燃燒燃料直接燃燒，與氧氣結合以釋放能量，而氮氣和水是唯一的廢氣產品。這並不超級簡單。氨不會在較低溫度下燃燒，因此通常需要同時使用另一種燃燒燃料。此外，如果燃燒過程沒有得到很好的管理，它可以釋放大量的一氧化二氮，這是一種強大的溫室氣體。但如果操作得當，聯邦科學與工業研究組織計算出的結果是2315Wh/kg，即合成氨的能量輸入的21%。

第三種方法是直接使用氨作為高溫固體氧化物燃料電池（SOFC）的燃料，用氮和水作為副產品發電。這樣做的效率更高，可獲得高達5510Wh/kg的回報，或50%的能量輸入。這裡的一個缺點是，SOFC技術很昂貴，而且往往工作緩慢，提供的功率密度很低，但有可能用一個燃料箱運行一個混合系統，在需要爆發力的時候將一定比例的氨燃料轉化為氫氣。

現在，氨的生產是一個骯髒和能源密集型的過程，所需的大多數氫氣都是從蒸汽改造的甲烷氣體中提取。從地下提取天然氣總是會導致甲烷泄漏到大氣中，在那裡它是一種非常強大的溫室氣體，而蒸汽轉化過程不僅耗費大量能源，而且作為反應的一部分還會釋放二氧化碳。

為了將這些H2分子與從大氣中取出的N2分子結合起來，你需要打破將這些氮原子固定在一起的強鍵。這通常是通過哈伯-博世工藝完成的，該工藝將兩種氣體的混合物加熱到400°C（752°F）以上，並在鐵催化劑的作用下將其加壓到約250巴，從而產生液態氨。

不用說，這裡的能源成本是巨大的，而且大部分能源通常來自化石燃料。氨的生產量巨大，它是世界上生產量第二大的化學品，它目前佔全球化石能源使用和相關排放的2%。加上化學加工和逃逸的甲烷排放，氨是工業化學品生產中最大的污染源。

通過在哈伯-博世工藝中用綠色能源替代化石能源，並利用碳捕集與封存來分離和封存甲烷重整過程中的大部分二氧化碳排放，有可能減少目前氨生產過程中的排放。但不可能防止逃逸的甲烷泄漏，所以這種”藍氨”仍然有環境成本。這被認為是一個過渡性步驟。

真正的”綠色氨”可以通過使用可再生能源通過電解產生氫氣，然後通過由綠色能源驅動的哈伯-博世工藝來生產。這是一種效率相對低效的可再生能源利用，但它可以讓你獲得真正無排放的氨氣來源。這被認為是一個中期的解決方案。

還有其他正在開發的完全綠色的方法，包括將可再生能源、水和空氣轉化為氨的”反向燃料電池”技術，而不需要單獨的氫氣電解過程。這些方法開始看起來相當有效，但目前它們仍然太慢，無法生產目前農業用途所需的大量氨，更不用說為新興的綠色液體燃料市場服務。

從本質上講，氨確實有可能成為一種可用的清潔燃料。但是這裡的途徑並不明確。需要做大量的工作來開發和推廣新的綠色氨生產方法，而在另一端，需要做大量的工作來開發高效和強大的方法來使用它所儲存的能量。如果要取代廉價、骯髒的柴油，這個等式的兩邊都需要變得具有成本競爭力。