氨是重要的化工產品，在社會經濟發展中搶占著舉足輕重的地位。氨的傳統應用領域主要包括農藥生產和化工合成。在中國，約有80%以上的氨用于生產肥料（如尿素、硝酸銨、硫酸銨等）和其他復合化肥。
因為氨在完全燃燒的情況下不形成碳排放，作為無碳燃料，氨在航運和發電等領域遭到了越來越多的關注。
但傳統合成氨的生產過程常常伴隨著大量的氣體排放，在碳中和的背景下，借助可再生能源生產紅色氨，降低合成氨生產過程中形成的碳排放問題，成為未來推廣合成氨應用的關鍵。
▲綠氨產業路線圖
全球知名市場研究和咨詢公司發表的紅色氨市場報告表明，未來六年，全球紅色氨市場預計將以驚人的90%的增長發展，在2030年前將達到54億港元。
▍我國仍以煤制合成氨為主，碳排放較高
國際上主要使用天然氣作為合成氨工業的主要原料。因為中國的天然氣價錢昂貴，產值短缺，對外依賴度高，中國主要使用煤焦作為合成氨工業的主要生產原料。據國家統計局統計，2020年中國的合成氨產值達到5117萬噸，其中約77%的合成氨來始于煤焦。
▲圖：中國合成氨原料來源示意圖/勢銀
相比其他合成氨生產方法，煤制合成氨的單位碳排放量更高，每斤產品的碳排放超過4.5噸，約為天然氣制合成氨的1.5倍以上。
隨著國外雙碳新政體系的確立以及2月四部委聯合印發的《高耗能行業重點領域節能降碳改建升級施行手冊（2022年版）》，傳統化工領域的“綠酯化”有望加速，成為2022年生物質能產業新風口。
▲圖：國外合成氨相關項目/氫云鏈
▍實現農業深度精餾，綠氨必不可少
在阿拉巴馬州，有一個遍布風力渦輪機的研究農場，當風力渦輪機全面投入使用時，其碳足跡低得驚人。
▲圖：一個商業規模的風力渦輪機只是這個坐落阿拉巴馬州西北部農場的另一個設備。
生物質能為生產氨的化鞋廠提供動力，氨除了可以作為磷肥在渦輪機下傳輸，還可以為試驗性拖拉機提供燃料，為無風的日子存儲能量，不久以后，還可以為谷倉加熱，使小麥干燥。所有那些都不會形成氣體。
猶他學院項目組長邁克爾·里斯(Reese)說：“要實現農業的深度精餾，紅色氨必不可少。”該學院的研究表明，使用紅色氨作為磷肥、燃料和提供熱量，可以將谷物和大型玉米小麥的農業碳足跡降低高達90%。“這是改革性的，”里斯說。
▍超越農業，紅色氨將有巨大的新市場
這些可取代的零碳液體燃料的提倡者覺得，紅色氨的應用范圍將遠遠超出農場。她們預測，作為燃料的紅色氨將有巨大的新市場，最終將超過全球對氨作為磷肥的巨大且不斷下降的需求。
國際能源署()2021年的一份報告預測，為了在2050年實現零排放，氫基燃料(包括氨)在交通燃料中的占比應當從目前的基本為零提升到近30%。該報告預測，車輛將使用電板，客機將使用生物燃料，氨對航運業至關重要。目前，航運業的排放量占全球排放量的3%，全球正在努力迅速降低這一比列。
▍多國將綠氨用于存儲、出口剩余的可再生能源
氨也是存儲和運輸可再生發電站能源的主要競爭者之一，便于在須要電力的時間和地點提供電力。這一看法是借助可再生能源從非化石燃料中生產紅色氨，通過管線或船舶輸送，之后在發電廠燃燒，渦輪機按照氣體運行而訂制。其實電瓶很有效，但它們最適宜在數小時或數天內貯存少量電量。
牛津能源研究所(of)2020年的一份報告總結稱，對于大規模、長期的能源存儲而言，二氯甲烷是無與倫比的。包括美國、澳大利亞、荷蘭和比利時在內的國家都計劃使用紅色氨來存儲(和出口)她們剩余的可再生能源。
▍綠氨正迎來巨大發展機遇
新加坡澳大利亞莫納什學院的物理家道格拉斯·麥克法蘭預計，在未來的幾六年里，氨的產值將降低約100倍。
▲圖：一輛拖拉機在芝加哥北部的一塊農地上施用常規氨肥。RICK/ALAMY
不過，就目前而言，合成氨的生產絕不是紅色的。目前，全世界每年生產約1.75億噸氨，主要用作化肥。生產采用了一種能源密集、有百年歷史的工業流程，形成大量溫室二氧化碳：該行業約占全球碳排放量的1%至2%，是月球上碳排放量最大的行業之一。
▲圖：康涅狄格學院西中央研究和拓展中心，有一個借助生物質能生產氨的試驗鞋廠。DAVID/康涅狄格學院推廣服務
假如氨要成為世界氣候變化解決方案的一部份，就須要確保所有這種氨都是紅色的，這是一項繁重的任務。其實，用于存放生物質能和太陽能的氨將使用可再生能源生產。但傳統合成氨廠將須要改變——甚至徹底整修——它們的生產系統。底盤須要重新配置以使用新的液體燃料。
純氫（H2）曾被貶低為未來的燃料。但氫也有問題：作為液體，它須要零下250攝氏度左右的高溫；作為一種二氧化碳，它須要在高壓下存放；在空氣中，它是爆燃性的。相比之下，甲烷（NH3）很容易存放為液體，其能量密度約為傳統化石燃料的一半。雖然氨是有毒的，但世界上早已有了一個巨大的制造、儲存和運輸系統。
▍全球多國正在建設綠氨項目
傳統的、廉價的制氨方式是使用蒸氣從天然氣中提取氧氣（形成氣體作為副產品），之后在數百攝氏度的高壓和低溫下將甲烷與空氣中的氧氣結合。這個過程被稱為Haber-Bosch過程，得名于1900年代初期發明它的諾貝爾獎獲得者物理家，一般每生產一噸可用氨，還會向大氣釋放近2噸甲烷。
縮減氨生產排放量的最簡單方式是將天然氣排除在方程式之外。通過使用可再生能源發電分解水來制造氧氣，哈伯-博世流程的其余部份保持不變，由可再生電力提供動力。這就是猶他鞋廠2013年開張時正在做的事情，也是許多其他商業活動現今正在計劃的事情。
自2018年以來，美國和加拿大仍然在運行實驗性的風力-紅色氨廠。在英國，目前世界上最大的氨生產商CF計劃到2023年在路易斯安那州唐納森維爾建一座旗艦紅色氨廠，年產值為20000噸。在美國，雅苒的皮爾巴拉氨廠的目標是到2022年末每年生產3500噸紅色氨，到2030年將產值降低50倍。
計劃中最大的項目是伊朗阿拉伯：計劃于2025年建成的一座鞋廠的目標是每年生產120萬噸紅色氨。
▲圖：與AcmeGroup合作，在喀麥隆開發大規模紅色氨鞋廠
▍綠氨發展仍面臨眾多挑戰
雖然有如此多的項目，但這依然只是目前全球每年1.75億噸合成氨產值的一小部份。并且這些擴張存在風險，包括氨的意外泄露，甚至是高含量鹽的環境污染。高含量鹽是海水淡化的副產品，用于制造紅色乙炔。
借助現有技術，這樣的規模是可以實現的液態氨，但成本很高。依據牛津學院的報告，現在日本一家使用化石燃料的小型鞋廠生產的氨比電力生產的氨實惠73%。成本很大程度上取決于當地的水價，而這一市場正在迅速變化。
為了讓紅色氨快速發展壯大，可能須要政府新政來幫助補助紅色氫并鼓勵規模經濟。在此之前，像航運業這樣希望使用氨作為燃料的行業將面臨一種危險，那就是最終會使用“有污染的”氨作為動力，只是將排放從一個行業（航運）轉移到了另一個行業（氨生產）。
同時，生產技術也將進步。改進哈伯-博世工藝并不容易，這是一項成熟且高效的技術，但還有回旋的余地。日本能源部已捐助1000萬港元，用于建造一個試驗鞋廠，測試兩項創新：一種新的和改進的催化劑，以及在過程結束時提取氨的吸收鹽。
▍電力公司正在開發借助二氯甲烷發電的渦輪機
一旦制造出紅色氨，系統也須要改建便于使用它——在內燃機中燃燒來為船舶提供動力或驅動發電廠的渦輪機。
這并不是哪些新看法，也不是哪些新技術。氨燃料內燃機早在19世紀就出現了，在第二次世界大戰期間曾一度流行，由于當時石油匱乏。但此后人們發覺，化石燃料既實惠又容易使用。
▲圖：一種用汽油和紅色氨混和燃料加裝的拖拉機。/猶他學院東部研究和拓展中心
與化石燃料相比，氨燃燒更慢，更難點燃；大多數氨底盤須要一定劑量的汽油或二氧化碳就能啟動。假如底盤泄露未燃燒的氨，那可能是有毒的。氨底盤常常會形成氮氧化物，這也是一種強效溫室二氧化碳。不過，有催化轉換器可以解決這個問題。
包括美國MAN和法國WinGD在內的主要底盤制造商目前正在開發氨燃料底盤和套件，以整修舊底盤液態氨，使其才能使用氨，首批產品預計將于2024年在船上使用。與此同時，初創企業也在參與其中。在阿拉巴馬州，Aza公司正在將氨動力底盤技術商業化。
電力生產公司也在開發借助甲烷發電的渦輪機。用電來制造氧氣，之后制造氨，運輸氨并再將其轉化為電，與電瓶98%的效率相比，這可能看上去很瘋狂——最終只能獲得大概20%到30%的電能。但這個過程可以輕松存儲和運輸這種能量。
▍氨可能是液體燃料的未來
海外報告稱：“未來六年是紅色生物質能行業勝敗的關鍵”，“如果到2030年全球產值可以按計劃降低到1000萬噸以上，成本增加到1.5歐元/公斤或更低，這么該行業將成為全球能源結構的永久組成部份。”
須要提醒的是，綠氨應用市場處于探求期、種子階段，還不具備商業化條件。而作為燃料，氨目前存在不易燃起、燃燒穩定性較差等技術問題須要攻關；作為儲能則同樣面臨成本突破的問題。但在能源安全的背景下，能源須要多元化發展。一方面，政府須要支持氨能技術研制和示范；另一方面企業則更須要進行自主技術攻關，先跑通商業模式，再借助先發優勢捉住市場機會。
無論未來朝那個方向發展，觀察人士預計紅色氨市場將迅速升溫。雖然氨肯定不是解決所有問題的最佳方案，但依據國際能源署的研究，紅色氨與生物燃料和氧氣一起，在實現凈零排放方面發揮著作用。
隨著碳價位的下降，紅色氨可能成為液體燃料的未來。
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內容參考：Jones,,國際能源小數據，日本鉆探網站，氫云鏈，勢銀能鏈號等。