绿色氨气 通往新型清洁燃料的坎坷之路

随着到2050年实现零碳化的进程，你将会听到更多关于氨作为清洁燃料的选择。它看起来是长途运输和卡车运输所需清洁燃料的选择之一。那么，它是什么，它是如何制造的，以及它是如何成为一种绿色燃料？

氨作为一种燃料，按体积计算，氨（15.6兆焦/升）比液态氢（低温下9.1兆焦/升）多出70%的能量，是压缩氢气（700巴压力下5.6兆焦/升）能量的近三倍。按重量计算，它携带6250Wh/kg能量，是当今锂电池能量的20多倍，足以克服提取能量时引入的低效率问题。

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有几个关键的方法可以将氨作为燃料使用。一种是将其"裂解"为H2和N2气体，然后使用氢气，作为燃烧燃料或通过燃料电池发电。澳大利亚联邦科学与工业研究组织计算显示，当氨转化为氢并通过PEM燃料电池运行时，可获得约2094Wh/kg的能量。这大约是创造氨气所需的10兆瓦时/吨可再生能源的19%。

另一个选择是将氨作为燃烧燃料直接燃烧，与氧气结合以释放能量，而氮气和水是唯一的废气产品。这并不超级简单。氨不会在较低温度下燃烧，因此通常需要同时使用另一种燃烧燃料。此外，如果燃烧过程没有得到很好的管理，它可以释放大量的一氧化二氮，这是一种强大的温室气体。但如果操作得当，联邦科学与工业研究组织计算出的结果是2315Wh/kg，即合成氨的能量输入的21%。

第三种方法是直接使用氨作为高温固体氧化物燃料电池（SOFC）的燃料，用氮和水作为副产品发电。这样做的效率更高，可获得高达5510Wh/kg的回报，或50%的能量输入。这里的一个缺点是，SOFC技术很昂贵，而且往往工作缓慢，提供的功率密度很低，但有可能用一个燃料箱运行一个混合系统，在需要爆发力的时候将一定比例的氨燃料转化为氢气。

现在，氨的生产是一个肮脏和能源密集型的过程，所需的大多数氢气都是从蒸汽改造的甲烷气体中提取。从地下提取天然气总是会导致甲烷泄漏到大气中，在那里它是一种非常强大的温室气体，而蒸汽转化过程不仅耗费大量能源，而且作为反应的一部分还会释放二氧化碳。

为了将这些H2分子与从大气中取出的N2分子结合起来，你需要打破将这些氮原子固定在一起的强键。这通常是通过哈伯-博世工艺完成的，该工艺将两种气体的混合物加热到400°C（752°F）以上，并在铁催化剂的作用下将其加压到约250巴，从而产生液态氨。

不用说，这里的能源成本是巨大的，而且大部分能源通常来自化石燃料。氨的生产量巨大，它是世界上生产量第二大的化学品，它目前占全球化石能源使用和相关排放的2%。加上化学加工和逃逸的甲烷排放，氨是工业化学品生产中最大的污染源。

通过在哈伯-博世工艺中用绿色能源替代化石能源，并利用碳捕集与封存来分离和封存甲烷重整过程中的大部分二氧化碳排放，有可能减少目前氨生产过程中的排放。但不可能防止逃逸的甲烷泄漏，所以这种"蓝氨"仍然有环境成本。这被认为是一个过渡性步骤。

真正的"绿色氨"可以通过使用可再生能源通过电解产生氢气，然后通过由绿色能源驱动的哈伯-博世工艺来生产。这是一种效率相对低效的可再生能源利用，但它可以让你获得真正无排放的氨气来源。这被认为是一个中期的解决方案。

还有其他正在开发的完全绿色的方法，包括将可再生能源、水和空气转化为氨的"反向燃料电池"技术，而不需要单独的氢气电解过程。这些方法开始看起来相当有效，但目前它们仍然太慢，无法生产目前农业用途所需的大量氨，更不用说为新兴的绿色液体燃料市场服务。

从本质上讲，氨确实有可能成为一种可用的清洁燃料。但是这里的途径并不明确。需要做大量的工作来开发和推广新的绿色氨生产方法，而在另一端，需要做大量的工作来开发高效和强大的方法来使用它所储存的能量。如果要取代廉价、肮脏的柴油，这个等式的两边都需要变得具有成本竞争力。