目前的氨合成工艺不可能支撑氨能源产业寻找新的生产方案至关重要

原标题:你喜欢逆风十里臭的氨能吗。》

氨，分子式为NH3，0.771kg/m，常温下为无色气体，易挥发，可燃即使是不知道它名字的人也多少经历过——恐怕很多读者的鼻腔里都有一种说不出的神奇味道

氨对人类社会的运转至关重要，是世界上产量最高的无机化合物之一2021年合成氨年产量约1.8亿吨，其中约80%用于化肥生产，其余主要用于工业制冷剂和各种工业原料的生产

氨虽然易燃，但长期以来并没有被广泛认为是一种可能的能源形式，它与能源最大的关系主要是作为氢能的载体。

可是，氨本身具有用作能源的潜力，并且伴随着环保需求的不断上升，它已经引起了能源行业的关注尽管氢能并没有像现在这样在碳中和和绿色经济的未来规划中占据重要地位，但一些能源行业参与者仍然开始考虑超越将氨还原为氢气的步骤，直接尝试大规模使用氨作为能源甚至有人称之为氢能2.0

那么，是什么原因促使能源行业将一些注意力从氢气转移到氨气呢氨作为潜在的绿色能源有什么优势规模化的道路上有哪些困难本文将一一解答

好能量，坏能量

氢是一种很好的能源，甚至可能是最清洁的能源制备原理很简单，技术早已成熟规模化生产技术，包括下一代技术可以与冯光电厂完美结合，解决就地消纳，储能等一系列绿色电力高效利用的问题氢能在国家未来能源规划中占据如此地位也就不足为奇了

但氢也是一种不好的能源，坏到目前行业面临的困难远大于其应用带来的好处首先，氢气是一种极难储存的物质，其临界温度极低，为—239.9℃维持这种低温意味着高能耗，导致目前只能用高压气瓶运输氢气，运输成本居高不下同时，氢气作为自然界最轻的元素，分子穿透力强，容易泄漏，对金属物质有一定的腐蚀性，这就对储氢罐和输送管道的选材提出了很高的要求，性能如此优异的材料不会便宜如何中长期高效储氢，是行业中长期难题氢气也是一种非常危险的物质，极其易燃易爆，这种与易泄漏特性的结合导致需要维持非常高水平的安全标准，这是一项开支

临界温度:每种物质的特定温度，即该物质以液体形式出现时的最高温度高于这个温度，无论压力如何增加，气态物质都不会液化换句话说，临界温度越低，越难液化，越难储存

除了储运，单位质量的能量密度虽然好，但是单位体积的能量密度很差作为一种密度极低的物质，这是氢更重要的指标液氢的能量密度约为每升2.4千瓦时，这是最理想的数据考虑到氢气在大多数情况下不能以液态形式运输，其经济效益进一步降低

总的来说，现阶段氢能的基本储存和运输还没有解决，中长期储存更是难上加难现在的一些技术路线，包括甲醇和金属吸附，要么没有能力规模化，要么极不成熟，不符合氢能的长远规划这就决定了无论氢能产业能否解决生产成本问题，氢能都不具备大规模普及的基本前提——没有低成本可靠的储运技术，与氢能相关的大型基建项目也意义不大，至少不经济

这促使业界拓宽视野，寻找一种类似氢气的物质，这种物质具有制备工艺简单，生产过程碳排放低，效率可接受，副产物清洁，易于储存和运输等优点。

所以能源工业转向氨。

许多好处

基本问题:氨作为绿色能源有潜力吗答案是肯定的

首先，从氧化反应式来看，在适当的反应条件下，氨燃烧的产物只能是氮气和水，它们和氢气一样清洁，具有作为绿色能源碳中和的潜力。

氨作为燃料的性能是可以接受的虽然氨的单位质量能量密度远小于氢，但其单位体积能量密度为每升3.5千瓦时，比液氢的2.4千瓦时高出近50%，优势明显而且氨燃料辛烷值高，抗爆性能好，可以提高发动机的压缩比来增加输出功率，发动机的热效率可以提高到50%以上，是普通燃油车的两倍

合成氨最大的优点是比氢气容易储存得多氨在常压—33℃或常温9个大气压下即可液化，对储存容器要求不高同时，氨是人类制备的最大化合物之一，其储运技术非常成熟可用于管道，铁路，驳船，船舶，公路拖车，大型基础设施建设需求不强烈正是基于上述原因，氨被认为是储氢的关键技术总的来说，相比氢气，氨的大规模应用至少在储存和运输方面没有太大的麻烦

氨的生产只能依靠水，空气和电，这意味着理论上有和氢气一样的清洁制备方法，基本无碳排放的绿色氨是可能的最简单理想的绿氨生产模式是将制氢站，合成氨厂和可再生能源电厂整合，通过风力或其他形式的绿电电解水制氢，然后将这一过程中产生的绿氢进一步与空气中的氮气结合，继续利用绿电生产氨这样有望实现合成氨生产全过程零排放，还可以解决新能源消耗问题但是绿氨现阶段只是一个概念，还面临很多困难，下面会详细介绍

氨能和氢能的利用没有太大区别，比如燃料电池，代替传统化石燃料的工业生产，发电，船舶，车辆等。

目前，造船业对氨能源表现出最强烈的兴趣例如，挪威的船舶设计公司Breeze Ship Design最近宣布，它将在现有的110，000 dwt Aframax船的基础上设计一艘氨动力油轮，作为挪威绿色航运计划的一部分2021年3月，韩国船级社授予韩国造船技术公司开发的8000吨氨燃料动力油轮原则，这是韩国第一艘使用船用轻柴油和氨作为双燃料的8000吨氨燃料填充油轮在日本，也有日本邮政海运株式会社，日本发动机株式会社，IHI原动机株式会社等5个机构共同进行搭载日本氨燃料发动机的船舶的开发

当然，在家里也不甘示弱由中国船舶工业集团有限公司下属的上海船舶研究设计院自主研发设计的国内首艘氨动力7000车位汽车运输船正式获得DNV颁发的AiP证书

另一方面，受技术和生产的限制，很难快速规模使用纯氨，但将氨与其他燃料如煤，氢混合使用是一种值得尝试的方式，效果更立竿见影日前，国家能源集团公布了一项燃煤锅炉氨燃烧技术采用该技术，40 MW燃煤锅炉混合氨的燃烧热比达到35%，燃煤的使用必然产生碳排放但掺氨后可以大大降低排放强度，能量输出更有保障，无疑是一个可行的碳中和方案

当然，氨虽然一千个好，但要真正大规模应用，也有很多技术问题需要解决。

许多困难

作为一个能量秤，首先必须解决的是如何生产绿氨目前的氨合成模式不太可能支持使用氨作为能源，也与绿色电力不匹配

目前合成氨工业采用的哈勃—博施法是在450℃~500℃，200个标准大气压下，通过添加催化剂，使氮气与氢气发生反应这种方式极其耗能，消耗大量化石燃料，不符合碳中和的理念生产过程中使用的氢气由天然气和煤加工而成，涉及煤气化工业路线和天然气重整工艺两大方向，还涉及大量的碳排放

以我国为例，由于能源结构的影响，合成氨所需氢气主要由煤气化生产数据显示，我国合成氨生产消耗标准煤约1.53吨，产生碳排放约5.94吨，其中工艺流程贡献碳排放4.71吨，外部能耗间接排放1.23吨即使是低排放的海外天然气路线，总排放量也应该在3.10吨CO2/吨氨左右之前有数据显示，合成氨行业产生的碳排放量可达全球温室气体排放量的1.0%左右，这是非常惊人的如果计算化石燃料开采过程中的排放数据，可以进一步增加

另外，哈勃—博世法使用的设备对输入能量的质量要求较高，应对波动的能力不强，设备不能随意启停这不符合风，光，电高波动性的基本特征，导致它们之间兼容性差，也给绿电接入合成氨生产造成很大困难

综上所述，目前的氨合成工艺不可能支撑氨能源产业，寻找新的生产方案至关重要。

目前合成氨工业正在尝试开发新的制备工艺，如固氮酶合成氨，光催化合成氨，电催化合成氨，等离子体合成氨，循环合成氨，超临界合成氨等其中固氮酶氨合成，光催化氨合成和电催化氨合成有一定的关注度

固氮酶合成氨:这是一条生物技术路线，利用固氮微生物将大气中的氮还原成氨，在常温常压下即可进行，技术成熟度低，

光催化氨合成:利用光催化剂引发光化学反应，将太阳能转化为化学能产生氨这项技术可以在常温常压下合成氨，几乎不产生碳排放转化过程的效率非常低，氮分子的高化学稳定性进一步限制了该过程的生产能力

电催化氨合成:通过电化学反应将氮气直接或间接还原为氨气，反应过程中的氢气直接通过电解水产生，完全可以绕过传统的哈勃—博世法一般是基本没有额外排放的生产过程，但也有效率低的缺陷

当然，与大多数新技术一样，这些新一代合成氨生产工艺还太不成熟，存在效率差，反应过程不稳定，经济性不明确等问题，需要进一步验证和改进。

另一种方法是将氨生产与固碳技术结合起来，减少生产过程中的碳排放如果用氢作为命名法，这种氨可以称为蓝氨但是生产线增加额外的设备无疑会体现成本，对于合成氨的低利润率来说可能难以接受，而且并没有真正解决问题，只能认为是一种过度的方案

氨的毒性也需要妥善解决，否则作为一种强污染物，其环境风险将限制其大规模应用目前，一些新的储存方法有望解决这一问题，如储存在多孔金属氨络合物6Cl2中在金属氨络合物中，氨的吸附和解吸是完全可逆的，只有在350℃或更高的温度下才会从多孔介质中释放出来，这将大大降低泄漏造成环境污染的风险但这一过程带来的额外成本尚不清楚，其经济性本身也有待进一步考察

寻找保证氨稳定燃烧的方法也很重要，应更加关注相关技术的进展上面提到的在适当反应条件下的氨气能量副产物只有氮气和水，非常干净，如果反应条件不好，情况就完全不一样了:此时氨气会产生氮氧化物，这将是有毒废气

在实践中，氨作为能源的一些缺陷也会导致有毒废气的产生其燃点高，燃烧速度慢，热值略差，难以实现全程无氮氧化物的生成如果要大规模应用氨能，需要建设一套完整的废气回收处理环节，避免形成其他形式的污染物

日本在这方面取得了良好的进展目前，三菱重工开发的40000 kW 100%纯氨燃料发电机已经能够将氮氧化物控制在100ppm甚至10ppm以下，具有良好的商业潜力但这个原型机的功率还是太小，相对容易控制，所以不能断言其放大后的性能同样优秀

最后，目前对氨作为能源本身的研究还不够深入其关键参数如燃烧速度，火焰结构，着火延迟和污染物生成等还不完善，氨燃烧的反应机理也不完全清楚这些缺点也构成了氨作为能源使用过程中的障碍未来学术界进一步的深入研究也是不可或缺的

一些问题

除了上一节提到的具体技术困难外，氨作为燃料还面临其他一些实际问题。

很多人可能会发现，氨作为能源的经济性在这篇文章中自始至终都没有提及这主要是因为现阶段氨能没有经济性

首先，价格没有参考价值合成氨的当前吨价完全是基于当前的生产工艺和供求关系上面我们已经提到过，哈勃—博世法会产生惊人的碳排放，未来无法用于绿氨的大规模制备但是新工艺离成熟还有一段距离，我们也不知道绿氨到底能达到什么样的价格水平这就导致了一个不可忽视的风险，商业化的风险

这不是危言耸听，但由于种种原因规模无法扩大是常有的事我们已经说明了氢能在规模化过程中遇到的巨大困难，而之所以开发出氨能就是一个典型案例再比如以砷化镓太阳能电池为首的一组III—V族太阳能电池由于其优异的光电转换效率和其他性能，这种材料广泛应用于航空航天设备和军用无人机，在这些地方成本是非常不敏感的光伏行业并不是想把它规模化，而是因为无论如何也解决不了砷化镓的成本问题，这种材料的民用化进程一直停滞不前但其他从材料层面调整组件降低成本的尝试也因为种种原因举步维艰，尤其是在效率上缺乏与传统硅晶体电池竞争的能力

商业化本身并不是必然的承诺即使氨这种工业生产中众所周知，久经考验的物质，在改变用途和领域后，也需要重新考虑其经济价值

其次，目前的合成氨行业是典型的重资产行业，前期投资巨大，投资周期长绿氨工艺即使大规模投产，也不太可能有根本性的改变，给社会资本的准入带来一定困难而配套的绿色氢工厂，储运设施，电站等耗资巨大的项目，也不是社会资本独立解决的同时，目前的合成氨行业如果要改造升级相关设备，研发支出也将是巨大的这些资金只能靠行业自己筹集也是一个问题，传统化工行业对资本的吸引力一直很令人担忧没钱就不能转型，不转型就拿不到融资这种困境在传统能源企业在ESG环境下的转型过程中被清晰地观察到

换句话说，氨能源要想实现快速发展，来自国家顶层设计和配套政策的支持必不可少营造友好的投资环境对产业发展和升级至关重要，也有助于提高资本进入的意愿

参考资料:

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