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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(shí)間：2022-02-24 作者：本站 瀏覽量：603


氫能源是公認(rèn)的清潔能源，一直被研究者關(guān)注。但氫能作為燃料，其供給和運(yùn)輸儲(chǔ)存還沒有一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。


氫氣作為一種能源有一個(gè)致命問題：作為液體，它需要大約-250攝氏度的低溫，這個(gè)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(chǔ)存，成本很高；在空氣中，它是爆炸性的，安全性要求很嚴(yán)格。作為氫能的孿生兄弟，氨氣被認(rèn)為是氫能的最好補(bǔ)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?dú)夥磻?yīng)而產(chǎn)生。氨很容易作為液體儲(chǔ)存，氨氣加一點(diǎn)壓力就可在?10 ℃時(shí)液化，能量損失不多，還很安全，便于儲(chǔ)存和運(yùn)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(chǔ)存更多能量。而且，世界已經(jīng)有一個(gè)巨大的制造、儲(chǔ)存和運(yùn)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(dòng)航運(yùn)、空運(yùn)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(chǔ)存或出口的國家計(jì)劃。




01

綠氨領(lǐng)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?xì)浠衔镏嗅尫艢錃猓ǔＪ羌淄椋@會(huì)將二氧化碳釋放到大氣中。

據(jù)估計(jì)，氨生產(chǎn)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(yīng)用會(huì)引發(fā)產(chǎn)生氮氧化物化合物的副反應(yīng)，這些化合物是強(qiáng)效溫室氣體，比二氧化碳捕獲更多熱量。

自20世紀(jì)初以來，氨的來源主要采用Haber-Bosch（哈伯工藝）傳統(tǒng)生產(chǎn)方法。使用蒸汽從天然氣中提取氫氣（產(chǎn)生二氧化碳作為副產(chǎn)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?dú)饨Y(jié)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(chǎn)品。” 莫納什大學(xué)的化學(xué)家 Douglas Macfarlane說。他表示，傳統(tǒng)方法每生產(chǎn)一噸氨水就會(huì)產(chǎn)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(chǎn)的大部分食物，我們的大部分食物實(shí)際上是化石燃料產(chǎn)品，這是一個(gè)非常令人不安的事實(shí)。” 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(chǎn)生大量溫室氣體。所以，真正的問題在于，如何廉價(jià)、高效、綠色地制備氨。這成為科學(xué)家研究的方向。

化學(xué)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(xué)反應(yīng)或電解。綠色氨領(lǐng)域正在展開一場完整的全球競賽。

澳大利亞莫納什大學(xué)的Macfarlane教授是綠氨制備的代表。Macfarlane的技術(shù)不只是更換氫氣的來源或擺弄細(xì)節(jié)，而是設(shè)想了一種制造氨的全新方法。這個(gè)想法是直接在電化學(xué)電池中生產(chǎn)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(xué)》雜志上。目前，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)授權(quán)給一家名為Jupiter Ionics的初創(chuàng)公司使用。Jupiter Ionics公司的目標(biāo)是使用一種使用與鋰電池類似的電解質(zhì)的電池來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
圖說：Jupiter Ionics 的綠色氨生產(chǎn)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?dú)猓瑥乃蟹蛛x出氫氣以產(chǎn)生氨。該反應(yīng)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(kuò)大該技術(shù)的商業(yè)用途。莫納什大學(xué)表示，該技術(shù)可以推動(dòng)這種污染嚴(yán)重但至關(guān)重要的化學(xué)品走向更綠色的未來。

Jupiter Ionics不是唯一生產(chǎn)綠色氨的公司。悉尼大學(xué)和新南威爾士大學(xué)(UNSW)的研究人員還開發(fā)了其他技術(shù)。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(jī)構(gòu)都在爭奪這塊可再生能源蛋糕。

美國明尼蘇達(dá)大學(xué)項(xiàng)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(gè)試驗(yàn)工廠，測試兩項(xiàng)創(chuàng)新：一種新的和改進(jìn)的催化劑，以及一種用于在工藝結(jié)束時(shí)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(dá)大學(xué)中西部研究和推廣中心，是一家利用風(fēng)能生產(chǎn)氨的試點(diǎn)工廠的所在地
來源：明尼蘇達(dá)大學(xué)

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

“更廣泛地說，全球范圍內(nèi)在這種將氮還原為氨的電化學(xué)方法方面已經(jīng)做出了相當(dāng)大的努力，”他說。“但其中很多采取一種截然不同的方法，我們稱之為水性方法。這完全與電化學(xué)的性質(zhì)以及進(jìn)行它的溶劑有關(guān)。”

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

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


02

綠氨革命或?qū)砼R

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

Macfarlane教授預(yù)計(jì)，未來幾十年氨的產(chǎn)量將增加約100倍。擴(kuò)大綠色氨的規(guī)模很重要，因?yàn)閷@種化學(xué)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?yàn)樗型蔀槲磥淼娜剂稀?/a>

“目前全球氨市場價(jià)值約 1000 億美元，但提議將綠色氨用作運(yùn)輸燃料和一種能源儲(chǔ)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(bào)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(shí)現(xiàn)凈零排放方面發(fā)揮著重要作用。隨著碳價(jià)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(nóng)民來說，自制氨也可能是一個(gè)將化肥生產(chǎn)掌握在自己手中的機(jī)會(huì)。化肥是目前最重要的氨應(yīng)用——Jupiter Ionics 計(jì)劃開始在適度的工業(yè)水平上生產(chǎn)氨肥，這要?dú)w功于新的資金。

“我們一直在與一些農(nóng)民交談，我們認(rèn)為一旦每天可以生產(chǎn)10或20公斤氨的程度，就可以滿足個(gè)別農(nóng)民的肥料需求，”Day說。“我們的發(fā)展計(jì)劃集中在短期內(nèi)，然后從那里擴(kuò)大規(guī)模。”而且，Day說，他們的技術(shù)的好處之一是它可以非常容易地放大或縮小。

“因?yàn)檫@是一個(gè)電化學(xué)過程，所以基本單元是電池。一旦你讓一個(gè)單元在特定的規(guī)模上工作，擴(kuò)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(gè)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(shù)本身的生產(chǎn)和商業(yè)化，讓農(nóng)民在現(xiàn)場就地生產(chǎn)自己的肥料。
Day說“有些公司將成為技術(shù)開發(fā)商，他們會(huì)將技術(shù)授權(quán)給制造設(shè)備的人；其他人則更進(jìn)一步，自己制造設(shè)備并將產(chǎn)品出售給最終用戶；其他人甚至進(jìn)一步整合，并表示他們將提供資金和使用的設(shè)備，然后你租用它。”

對于農(nóng)民來說，這可能是一個(gè)將化肥生產(chǎn)掌握在自己手中的強(qiáng)大機(jī)會(huì)，這將極大地動(dòng)搖現(xiàn)有的化肥市場。此外，Day說，該技術(shù)可用于儲(chǔ)存來自風(fēng)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(chǎn)商將尋找加入的方法。