氨是重要的化工产品，在社会经济发展中占据着举足轻重的地位。氨的传统应用领域主要包括化肥生产和化工合成。在中国，约有80%以上的氨用于生产氮肥（如尿素、硝酸铵、硫酸铵等）和其他复合肥料。

    由于氨在完全燃烧的情况下不产生碳排放，作为无碳燃料，氨在航运和发电等领域受到了越来越多的关注。

    但传统合成氨的生产过程往往伴随着大量的二氧化碳排放，在碳中和的背景下，利用可再生能源生产绿色氨，减少合成氨生产过程中产生的碳排放问题，成为未来推广合成氨应用的关键。

▲绿氨产业路线图

    全球著名市场研究和咨询公司Future Market Insights发表的绿色氨市场报告表明，未来十年，全球绿色氨市场预计将以惊人的90%的增速发展，在2030年前将达到54亿美元。

    ▍我国仍以煤制合成氨为主，碳排放较高

    国际上主要使用天然气作为合成氨工业的主要原料。由于中国的天然气价格高昂，产量匮乏，对外依赖度高，中国主要使用煤炭作为合成氨工业的主要生产原料。据国家统计局统计，2020年中国的合成氨产量达到5117万吨，其中约77%的合成氨来源于煤炭。

▲图：中国合成氨原料来源示意图 / 势银

    相比其他合成氨生产方式，煤制合成氨的单位碳排放量更高，每吨产品的碳排放超过4.5吨，约为天然气制合成氨的1.5倍以上。

    随着国内双碳政策体系的确立以及2月四部委联合印发的《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）》，传统化工领域的“绿氨化”有望加速，成为2022年氢能产业新风口。

▲图：国内合成氨相关项目 / 氢云链

    ▍实现农业深度脱碳，绿氨必不可少

    在明尼苏达州，有一个布满风力涡轮机的研究农场，当风力涡轮机全面投入使用时，其碳足迹低得惊人。

▲图：一个商业规模的风力涡轮机只是这个位于明尼苏达州西南部农场的另一个设备。

    风能为生产氨的化工厂提供动力，氨不仅可以作为肥料在涡轮机下传输，还可以为试验性拖拉机提供燃料，为无风的日子储存能量，不久之后，还可以为谷仓加热，使谷物干燥。所有这些都不会产生二氧化碳。

    明尼苏达大学项目主任迈克尔·里斯(Michael Reese)说：“要实现农业的深度脱碳，绿色氨必不可少。”该大学的研究表明，使用绿色氨作为肥料、燃料和提供热量，可以将玉米和小型谷物作物的农业碳足迹减少高达90%。“这是变革性的，”里斯说。

    ▍超越农业，绿色氨将有巨大的新市场

    这种可替代的零碳液体燃料的倡导者认为，绿色氨的应用范围将远远超出农场。他们预测，作为燃料的绿色氨将有巨大的新市场，最终将超过全球对氨作为肥料的巨大且不断增长的需求。

    国际能源署(International Energy Agency) 2021年的一份报告预测，为了在2050年实现零排放，氢基燃料(包括氨)在交通燃料中的占比应该从目前的基本为零提高到近30%。该报告预测，汽车将使用电池，飞机将使用生物燃料，氨对航运业至关重要。目前，航运业的排放量占全球排放量的3%，全球正在努力迅速降低这一比例。

    ▍多国将绿氨用于储存、出口剩余的可再生能源

    氨也是储存和运输可再生发电厂能源的主要竞争者之一，以便在需要电力的时间和地点提供电力。这一想法是利用可再生能源从非化石燃料中生产绿色氨，通过管道或船舶输送，然后在发电厂燃烧，涡轮机根据氨气运行而定制。虽然电池很有效，但它们最适合在数小时或数天内储存少量电量。

牛津能源研究所(Oxford Institute of Energy Studies) 2020年的一份报告总结称，对于大规模、长期的能源储存而言，液氨是无与伦比的。包括日本、澳大利亚、荷兰和英国在内的国家都计划使用绿色氨来储存(和出口)他们剩余的可再生能源。

    ▍绿氨正迎来巨大发展机遇

    澳大利亚墨尔本莫纳什大学的化学家道格拉斯·麦克法兰预计，在未来的几十年里，氨的产量将增加约100倍。

▲图：一辆拖拉机在华盛顿东部的一块土地上施用常规氨肥。RICK DALTON / ALAMY

    不过，就目前而言，合成氨的生产绝不是绿色的。目前，全世界每年生产约1.75亿吨氨，主要用作肥料。生产采用了一种能源密集、有百年历史的工业流程，产生大量温室气体：该行业约占全球碳排放量的1%至2%，是地球上碳排放量最大的行业之一。

▲图：明尼苏达大学西中央研究和拓展中心，有一个利用风能生产氨的试验工厂。

DAVID HANSEN / 明尼苏达大学推广服务

    如果氨要成为世界气候变化解决方案的一部分，就需要确保所有这些氨都是绿色的，这是一项艰巨的任务。当然，用于储存风能和太阳能的氨将使用可再生能源生产。但传统合成氨厂将需要改变——甚至彻底改造——它们的生产系统。发动机需要重新配置以使用新的液体燃料。

    纯氢（H2）曾被吹捧为未来的燃料。但氢也有问题：作为液体，它需要零下250摄氏度左右的低温；作为一种气体，它需要在高压下储存；在空气中，它是爆炸性的。相比之下，氨气（NH3）很容易储存为液体，其能量密度约为传统化石燃料的一半。尽管氨是有毒的，但世界上已经有了一个巨大的制造、储存和运输系统。

    ▍全球多国正在建设绿氨项目

    传统的、廉价的制氨方法是使用蒸汽从天然气中提取氢气（产生二氧化碳作为副产品），然后在数百摄氏度的高压和高温下将氢气与空气中的氮气结合。这个过程被称为Haber-Bosch 过程，得名于 1900 年代早期发明它的诺贝尔奖获得者化学家，通常每生产一吨可用氨，就会向大气释放近 2 吨二氧化碳。

    削减氨生产排放量的最简单方法是将天然气排除在方程式之外。通过使用可再生能源发电分解水来制造氢气，哈伯-博世流程的其余部分保持不变，由可再生电力提供动力。这就是明尼苏达工厂2013年开业时正在做的事情，也是许多其他商业活动现在正在计划的事情。

    自2018年以来，英国和日本一直在运行实验性的风力-绿色氨厂。在美国，目前世界上最大的氨生产商CF Industries计划到2023年在路易斯安那州唐纳森维尔建一座旗舰绿色氨厂，年产量为20000吨。在澳大利亚，雅苒的皮尔巴拉氨厂的目标是到2022年底每年生产3500吨绿色氨，到2030年将产量增加50倍。

    计划中最大的项目是沙特阿拉伯：计划于2025年建成的一座工厂的目标是每年生产120万吨绿色氨。

▲图：Scatec与Acme Group合作，在阿曼开发大规模绿色氨工厂

    ▍绿氨发展仍面临诸多挑战

    尽管有这么多的项目，但这仍然只是目前全球每年1.75亿吨合成氨产量的一小部分。而且这种扩张存在风险，包括氨的意外泄漏，甚至是高浓度盐的环境污染。高浓度盐是海水淡化的副产品，用于制造绿色氢气。

    利用现有技术，这样的规模是可以实现的，但成本很高。根据牛津大学的报告，如今美国一家使用化石燃料的大型工厂生产的氨比电力生产的氨便宜73%。成本很大程度上取决于当地的电价，而这一市场正在迅速变化。

    为了让绿色氨快速发展壮大，可能需要政府政策来帮助补贴绿色氢并鼓励规模经济。在此之前，像航运业这样希望使用氨作为燃料的行业将面临一种危险，那就是最终会使用“有污染的”氨作为动力，只是将排放从一个行业（航运）转移到了另一个行业（氨生产）。

    同时，生产技术也将进步。改进哈伯-博世工艺并不容易，这是一项成熟且高效的技术，但还有回旋的余地。美国能源部已资助1000万美元，用于建造一个试验工厂，测试两项创新：一种新的和改进的催化剂，以及在过程结束时提取氨的吸收盐。

    ▍电力公司正在开发利用液氨发电的涡轮机

    一旦制造出绿色氨，系统也需要改造以便使用它——在内燃机中燃烧来为船舶提供动力或驱动发电厂的涡轮机。

    这并不是什么新想法，也不是什么新技术。氨燃料内燃机早在19世纪就出现了，在第二次世界大战期间曾一度流行，因为当时石油短缺。但此后人们发现，化石燃料既便宜又容易使用。

▲图：一种用柴油和绿色氨混合燃料改装的拖拉机。Esther Jordan / 明尼苏达大学西部研究和拓展中心

    与化石燃料相比，氨燃烧更慢，更难点燃；大多数氨发动机需要一定剂量的柴油或氢气才能启动。如果发动机泄漏未燃烧的氨，那可能是有毒的。氨发动机往往会产生氮氧化物，这也是一种强效温室气体。不过，有催化转换器可以解决这个问题。

    包括德国MAN Energy Solution和瑞士WinGD在内的主要发动机制造商目前正在开发氨燃料发动机和套件，以改造旧发动机，使其能够使用氨，首批产品预计将于2024年在船上使用。与此同时，初创企业也在参与其中。在明尼苏达州，Aza Power Systems公司正在将氨动力发动机技术商业化。

    电力生产公司也在开发利用氨气发电的涡轮机。用电来制造氢气，然后制造氨，运输氨并再将其转化为电，与电池98%的效率相比，这可能看起来很疯狂——最终只能获得大约20%到30%的电能。但这个过程可以轻松储存和运输这些能量。

    ▍氨可能是液体燃料的未来

    海外报告称：“未来十年是绿色氢能行业成败的关键”，“如果到 2030 年全球产量可以按计划增加到 1000 万吨以上，成本降低到 1.5 美元/公斤或更低，那么该行业将成为全球能源结构的永久组成部分。”

    需要提醒的是，绿氨应用市场处于探索期、种子阶段，还不具备商业化条件。而作为燃料，氨目前存在不易点燃、燃烧稳定性较差等技术问题需要攻关；作为储能则同样面临成本突破的问题。但在能源安全的背景下，能源需要多样化发展。一方面，政府需要支持氨能技术研发和示范；另一方面企业则更需要进行自主技术攻关，先跑通商业模式，再利用先发优势抓住市场机会。

    无论未来朝哪个方向发展，观察人士预计绿色氨市场将迅速升温。尽管氨肯定不是解决所有问题的最佳方案，但根据国际能源署的研究，绿色氨与生物燃料和氢气一起，在实现净零排放方面发挥着作用。

    随着碳价格的上涨，绿色氨可能成为液体燃料的未来。