氨是重要的化工产品，在社会经济发展中抢占着举足轻重的地位。氨的传统应用领域主要包括农药生产和化工合成。在中国，约有80%以上的氨用于生产肥料（如尿素、硝酸铵、硫酸铵等）和其他复合化肥。
因为氨在完全燃烧的情况下不形成碳排放，作为无碳燃料，氨在航运和发电等领域遭到了越来越多的关注。
但传统合成氨的生产过程常常伴随着大量的气体排放，在碳中和的背景下，借助可再生能源生产红色氨，降低合成氨生产过程中形成的碳排放问题，成为未来推广合成氨应用的关键。
▲绿氨产业路线图
全球知名市场研究和咨询公司发表的红色氨市场报告表明，未来六年，全球红色氨市场预计将以惊人的90%的增长发展，在2030年前将达到54亿港元。
▍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。因为中国的天然气价钱昂贵，产值短缺，对外依赖度高，中国主要使用煤焦作为合成氨工业的主要生产原料。据国家统计局统计，2020年中国的合成氨产值达到5117万吨，其中约77%的合成氨来始于煤焦。
▲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法，煤制合成氨的单位碳排放量更高，每斤产品的碳排放超过4.5吨，约为天然气制合成氨的1.5倍以上。
随着国外双碳新政体系的确立以及2月四部委联合印发的《高耗能行业重点领域节能降碳改建升级施行手册（2022年版）》，传统化工领域的“绿酯化”有望加速，成为2022年生物质能产业新风口。
▲图：国外合成氨相关项目/氢云链
▍实现农业深度精馏，绿氨必不可少
在阿拉巴马州，有一个遍布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坐落阿拉巴马州西北部农场的另一个设备。
生物质能为生产氨的化鞋厂提供动力，氨除了可以作为磷肥在涡轮机下传输，还可以为试验性拖拉机提供燃料，为无风的日子存储能量，不久以后，还可以为谷仓加热，使小麦干燥。所有那些都不会形成气体。
犹他学院项目组长迈克尔·里斯(Reese)说：“要实现农业的深度精馏，红色氨必不可少。”该学院的研究表明，使用红色氨作为磷肥、燃料和提供热量，可以将谷物和大型玉米小麦的农业碳足迹降低高达90%。“这是改革性的，”里斯说。
▍超越农业，红色氨将有巨大的新市场
这些可取代的零碳液体燃料的提倡者觉得，红色氨的应用范围将远远超出农场。她们预测，作为燃料的红色氨将有巨大的新市场，最终将超过全球对氨作为磷肥的巨大且不断下降的需求。
国际能源署()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当从目前的基本为零提升到近30%。该报告预测，车辆将使用电板，客机将使用生物燃料，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列。
▍多国将绿氨用于存储、出口剩余的可再生能源
氨也是存储和运输可再生发电站能源的主要竞争者之一，便于在须要电力的时间和地点提供电力。这一看法是借助可再生能源从非化石燃料中生产红色氨，通过管线或船舶输送，之后在发电厂燃烧，涡轮机按照气体运行而订制。其实电瓶很有效，但它们最适宜在数小时或数天内贮存少量电量。
牛津能源研究所(of)2020年的一份报告总结称，对于大规模、长期的能源存储而言，二氯甲烷是无与伦比的。包括美国、澳大利亚、荷兰和比利时在内的国家都计划使用红色氨来存储(和出口)她们剩余的可再生能源。
▍绿氨正迎来巨大发展机遇
新加坡澳大利亚莫纳什学院的物理家道格拉斯·麦克法兰预计，在未来的几六年里，氨的产值将降低约100倍。
▲图：一辆拖拉机在芝加哥北部的一块农地上施用常规氨肥。RICK/ALAMY
不过，就目前而言，合成氨的生产绝不是红色的。目前，全世界每年生产约1.75亿吨氨，主要用作化肥。生产采用了一种能源密集、有百年历史的工业流程，形成大量温室二氧化碳：该行业约占全球碳排放量的1%至2%，是月球上碳排放量最大的行业之一。
▲图：康涅狄格学院西中央研究和拓展中心，有一个借助生物质能生产氨的试验鞋厂。DAVID/康涅狄格学院推广服务
假如氨要成为世界气候变化解决方案的一部份，就须要确保所有这种氨都是红色的，这是一项繁重的任务。其实，用于存放生物质能和太阳能的氨将使用可再生能源生产。但传统合成氨厂将须要改变——甚至彻底整修——它们的生产系统。底盘须要重新配置以使用新的液体燃料。
纯氢（H2）曾被贬低为未来的燃料。但氢也有问题：作为液体，它须要零下250摄氏度左右的高温；作为一种二氧化碳，它须要在高压下存放；在空气中，它是爆燃性的。相比之下，甲烷（NH3）很容易存放为液体，其能量密度约为传统化石燃料的一半。虽然氨是有毒的，但世界上早已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、廉价的制氨方式是使用蒸气从天然气中提取氧气（形成气体作为副产品），之后在数百摄氏度的高压和低温下将甲烷与空气中的氧气结合。这个过程被称为Haber-Bosch过程，得名于1900年代初期发明它的诺贝尔奖获得者物理家，一般每生产一吨可用氨，还会向大气释放近2吨甲烷。
缩减氨生产排放量的最简单方式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氧气，哈伯-博世流程的其余部份保持不变，由可再生电力提供动力。这就是犹他鞋厂2013年开张时正在做的事情，也是许多其他商业活动现今正在计划的事情。
自2018年以来，美国和加拿大仍然在运行实验性的风力-红色氨厂。在英国，目前世界上最大的氨生产商CF计划到2023年在路易斯安那州唐纳森维尔建一座旗舰红色氨厂，年产值为20000吨。在美国，雅苒的皮尔巴拉氨厂的目标是到2022年末每年生产3500吨红色氨，到2030年将产值降低50倍。
计划中最大的项目是伊朗阿拉伯：计划于2025年建成的一座鞋厂的目标是每年生产120万吨红色氨。
▲图：与AcmeGroup合作，在喀麦隆开发大规模红色氨鞋厂
▍绿氨发展仍面临众多挑战
虽然有如此多的项目，但这依然只是目前全球每年1.75亿吨合成氨产值的一小部份。并且这些扩张存在风险，包括氨的意外泄露，甚至是高含量盐的环境污染。高含量盐是海水淡化的副产品，用于制造红色乙炔。
借助现有技术，这样的规模是可以实现的液态氨，但成本很高。依据牛津学院的报告，现在日本一家使用化石燃料的小型鞋厂生产的氨比电力生产的氨实惠73%。成本很大程度上取决于当地的水价，而这一市场正在迅速变化。
为了让红色氨快速发展壮大，可能须要政府新政来帮助补助红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。日本能源部已捐助1000万港元，用于建造一个试验鞋厂，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。
▍电力公司正在开发借助二氯甲烷发电的涡轮机
一旦制造出红色氨，系统也须要改建便于使用它——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。
这并不是哪些新看法，也不是哪些新技术。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，由于当时石油匮乏。但此后人们发觉，化石燃料既实惠又容易使用。
▲图：一种用汽油和红色氨混和燃料加装的拖拉机。/犹他学院东部研究和拓展中心
与化石燃料相比，氨燃烧更慢，更难点燃；大多数氨底盘须要一定剂量的汽油或二氧化碳就能启动。假如底盘泄露未燃烧的氨，那可能是有毒的。氨底盘常常会形成氮氧化物，这也是一种强效温室二氧化碳。不过，有催化转换器可以解决这个问题。
包括美国MAN和法国WinGD在内的主要底盘制造商目前正在开发氨燃料底盘和套件，以整修旧底盘液态氨，使其才能使用氨，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。在阿拉巴马州，Aza公司正在将氨动力底盘技术商业化。
电力生产公司也在开发借助甲烷发电的涡轮机。用电来制造氧气，之后制造氨，运输氨并再将其转化为电，与电瓶98%的效率相比，这可能看上去很疯狂——最终只能获得大概20%到30%的电能。但这个过程可以轻松存储和运输这种能量。
▍氨可能是液体燃料的未来
海外报告称：“未来六年是红色生物质能行业胜败的关键”，“如果到2030年全球产值可以按计划降低到1000万吨以上，成本增加到1.5欧元/公斤或更低，这么该行业将成为全球能源结构的永久组成部份。”
须要提醒的是，绿氨应用市场处于探求期、种子阶段，还不具备商业化条件。而作为燃料，氨目前存在不易燃起、燃烧稳定性较差等技术问题须要攻关；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，能源须要多元化发展。一方面，政府须要支持氨能技术研制和示范；另一方面企业则更须要进行自主技术攻关，先跑通商业模式，再借助先发优势捉住市场机会。
无论未来朝那个方向发展，观察人士预计红色氨市场将迅速升温。虽然氨肯定不是解决所有问题的最佳方案，但依据国际能源署的研究，红色氨与生物燃料和氧气一起，在实现净零排放方面发挥着作用。
随着碳价位的下降，红色氨可能成为液体燃料的未来。
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内容参考：Jones,,国际能源小数据，日本钻探网站，氢云链，势银能链号等。