氨能源将是无穷无尽的无碳能源

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太阳、空气和水制备的氨将成为全球无穷无尽的无碳

能源

海豆芽译自 Science 网科学新闻栏目 2018 年7月12 日，原作者 Robert F. Service

澳大利亚悉尼、布里斯班、以及墨尔本——澳大利亚这片亘古干旱的

风光是新种植园的沃土，墨尔本市郊莫纳什大学化学家道格拉斯•麦克

法兰（Douglas MacFarlane）如是说——到处都是风车丛林和太阳

能电池板。照射到这里的每平方米的阳光比任何地方都多，强劲的风

连续不断吹拂着其南部和东部沿海。总的来说，澳大利亚宣称可再生

能源潜力达 25000 千兆瓦，是世界上潜力最大的国家之一，大约是全

球现有装机容量的 4倍。然而因为人口少，加之储存和输出能源的方

式也很少，其丰富的可再生能源大部分未被开发。

这就是麦克法兰的切入点。过去 4年来，他一下致力于研究一种燃料

电池，即能够把可再生电力转换成一种无碳燃料——氨。燃料电池通

常得用储存在化学键内的能量来发电，麦克法兰则以相反的方式进行

处理操作。在他的第三层实验室里，陈列着处理装置之一，大约一只

冰球大小，并包裹着不锈钢。球顶部的二根塑料管供给氮气和水，一

根电力电缆提供电力。通过其前部的第三根管子静静地输出气态氨，

整个过程不用正常情况下制备化学品所需的温度、压力，也没有碳排

放。“这是在吸入氮，呼出氨，”麦克法兰说，象一位得意的父亲一样情

不自禁。

世界各地的公司每年生产了价值 600 亿美元的氨，主要用作肥料，而

麦克法兰的小发明可能使它们得以更高效和清洁利用。不过他的雄心

不止是帮助农民。通过把可再生电力转换成一种能够易于冷却并压缩

成液体燃料的高能气体，麦克法兰的燃料电池实际上把阳光和风装进

了瓶子里，使之变成一种能够船运到世界各地的商品，再转换回电力

甚至氢气来驱动燃料电池汽车。燃料电池里冒出的这种气体是无色的，

而且是环保的，麦克法兰说，氨真的是绿色环保，“液态氨是液体能

源，”他还说，“正是我们所需要的可持续技术。”

1个氮原子与3个氢原子结合成的氨（NH3）可能并不象一种理想的

燃料：这种化学物质在家用清洁剂中有使用，闻起来令人恶心且有毒。

但它的体积能量密度几乎是液态氢（绿色替代燃料的主要竞争对手）

的2倍，而且便于船运和分发。“可以储存、船运、燃烧、也可以把它

转换回氢和氮，” 英国牛津制造业巨头西门子的能源存储研究员蒂姆•

休斯说，“在许多方面，它都是理想的。”

世界各地的研究人员正在追赶同样的“氨经济”愿景，而澳大利亚则定位

为自己领先主导。家住堪培拉的澳大利亚首席科学家艾伦•芬克尔说，

“才刚刚开始。”芬克尔说，联邦政客们还没有提供任何支持可再生氨的

重要立法，这在一个长期出口煤炭和天然气的国家是可以理解的。但

去年，澳大利亚可再生能源事务处宣布，创造一种可再生能源出口经

济是其重点之一。今年，该机构宣布了2000 万澳元的启动资金以支

持可再生出口技术，包括船运氨在内。

澳大利亚可再生能源咨询公司可再生氢公司的董事长布莱特•库珀

（Brett Cooper）说，澳大利亚的各个州的政客们都将可再生氨视为

当地就业和税收的潜在来源。在昆士兰州，官员们正讨论在港口城市

格拉德斯通建立一个氨出口终端，这里早已是向亚洲船运液化天然气

的枢纽。今年2月，南澳大利亚州向一个可再生氨项目提供了1200

万澳元的补贴和贷款。而在去年，一个国际财团宣布计划在西澳大利

亚州建一个被称为亚洲可再生能源中心的价值 100 亿美元的风能和太

阳能联合电站。尽管该项目 9000 兆瓦的电力大部分将通过海底电缆

传输，为印尼数百万家庭提供电力，但其中一些电力可能用来生产远

距离出口的氨。“氨是出口可再生能源得以实现的关键，它是通往一个

全新世界的桥梁。”位于朴伦威尔的澳大利亚联邦科学与工业研究组织

（CSIRO）能源研究所的低排放技术研究主管戴维•哈里斯（David

Harris）说。

可是，首先，可再生氨的福音传道者将不得不取代现代世界最大、最

肮脏，而且最历史悠久的工业工艺：有时称为哈伯-博世（Haber-

Bosch）

这家氨工厂是一个金属管道和槽缸的大都会，坐落于西澳大利亚州皮

巴拉沙漠与海洋相接的红色石漠之中。这家世界最大的氨生产厂归属

挪威雅苒国际有限公司（Yara），于 2006 年竣工，其厂房仍然在闪

闪发光，技术上是世界最先进的，也是世界最大的氨生产厂之一。然

而其核心仍然是钢制反应塔，采用的仍然是 100 多年前制备氨的配方。

直到1909 年，世界上大部分的氨都是固氮细菌所制造。但就是那一

年，德国科学家弗里茨•哈伯（Fritz Haber）发现了一个化学反应，

即借助铁催化剂，能够分裂把N2 分子结合在一起的牢固的化学键，

并与氢原子结合成氨。这种反应耗费巨大的力量，在又高又细的钢反

应塔里要有高达250 大气压的压力，这一工艺首先由德国化学家卡尔•

博世（Carl Bosch）实现工业化。这个工艺相当高效，输入工厂的能

量大约 60%最终被储存在氨的化学键里。如果扩建成雅苒工厂那样的

规模，这种工艺能生产巨量的氨。如今，这个设施每年制备和船运了

85 万吨氨，超过帝国大厦重量的 2倍。

大多数氨被用作肥料。植物渴望氮，用于构建蛋白质和DNA，而氨则

以一种生物可利用的形式提供氮。哈伯-博世反应器大量生产氨的速度

比自然过程快得多，而且近几十年来，这项技术使农民能够养活世界

上日益爆炸增长的人口。据估计，目前人体中至少有一半的氮来自合

成氨工厂。

哈伯-博世反应导致了绿色革命，但这个反应工艺根本不是绿色的。反

应需要氢气（H2）的来源，氢气利用加压的超热蒸汽与天然气或煤的

一种反应里分离出来，二氧化碳（CO2）被抛弃，占到整个反应工艺

大约一半的排放量。第二种原料是 N2，很容易从空气中分离，空气中

78%是氮。但在反应器中使氢和氮结合需要产生的压力消耗更多的化

石燃料，这意味着排放更多的 CO2。这些排放加在一起：全世界氨的

生产消费了大约 2%的能源，产生了大约 1%的CO2 排放。

制备氨的绿色方法

反向燃料电池可以利用可再生能源用空气和水制造氨气，这种技术比

工业化的哈伯-博世工艺更加环保。可再生的氨能够当作肥料（氨的传

统用途），也可当作高能燃料。

工业氨

全世界大部氨是采用哈伯–博世合成的，这 100 多年前的工艺是快速

而相当高效的。但各家工厂排放巨量的二氧化碳（CO2）。

温和的反应

反向燃料电池利用可再生电力来驱动化学反应制备氨。水在阳极发生

反应生成氢离子（H+），氢离子移向阴极，在那里与氮（N2）发生

反应形成氨。这个反应效率高但缓慢。

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太阳、空气和水制备的氨将成为全球无穷无尽的无碳能源海豆芽译自Science网科学新闻栏目2018年7月12日，原作者RobertF.Service澳大利亚悉尼、布里斯班、以及墨尔本——澳大利亚这片亘古干旱的风光是新种植园的沃土，墨尔本市郊莫纳什大学化学家道格拉斯•麦克法兰（DouglasMacFarlane）如是说——到处都是风车丛林和太阳能电池板。照射到这里的每平方米的阳光比任何地方都多，强劲的风连续不断吹拂着其南部和东部沿海。总的来说，澳大利亚宣称可再生能源潜力达25000千兆瓦，是世界上潜力最大的国家之一，大约是全球现有装机容量的4倍。然而因为人口少，加之储存和输出能源的方式也很少，其丰...

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