氨，分子式為NH3，0.771 kg/m3，常溫下是一種無色氣體，易揮發，可燃，其極具辨識度的強烈刺激性氣味，哪怕不知其名的人也多少少有所體驗——說到這里恐怕許多讀者鼻腔中已經泛起一股難以言喻的“幻臭”。
氨對人類社會的運作至關重要，是世界上產量最高的無機化合物之一。2021年的合成氨年產量大約在1.8億噸左右[1]，其中約80%應用于化肥生產，其它則主要用于工業制冷劑以及生產多種工業原料[2]。
雖說可燃，長期以來氨并沒有被廣泛視作一種可能的能源形式，與能源最大的關系也主要是作為氫能的載體。
但氨本身擁有用作能源的潛力，且在環保需求持續高漲的當下，也得到了來自能源產業的關注。盡管不及氫能那樣在“碳中和”與“綠色經濟”的未來規劃中占據重要位置，部分能源行業參與者仍開始考慮越過將氨還原為氫這一步驟，直接嘗試將氨作為能源大規模使用，甚至有觀點稱其為“氫能2.0”。
那么到底是什么原因，促使能源行業將部分注意力從氫轉移至氨？氨作為一種潛在的綠色能源又具備哪些優點？其規模化之路上又有什么困難？本文將逐一解答。
氫是好能源，甚至可能是最清潔的能源。其制備原理非常簡單，工藝也有已經成熟的規模化生產技術（AEC，堿性電解），有在快速發展的下一代技術（PEM，質子交換膜電解；SOEC，固體氧化物電解），可以與風光電廠完美結合，就地解決消納、儲能等一系列高效利用綠電的問題。也就不奇怪，為何氫能在國家未來能源規劃中占據如此地位了。
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可氫也是一種壞能源，壞到當前產業面臨的困難遠比應用它帶來的好處要多得多。首先氫是一種極難儲存的物質，其臨界溫度極低，為-239.9℃（作為對比，氧氣的臨界溫度為-118.95℃），而維持這種低溫意味著很高的能耗，導致氫氣目前只能依賴高壓氣體鋼瓶這種相對低效的方式轉運，運輸成本居高不下。同時，氫作為自然界最輕的元素，其分子穿透力極強，很容易發生泄漏，且對金屬物質還有一定的腐蝕性，對儲氫罐與運輸管道（特別是接縫位置）的材料選擇提出了很高要求，而性能如此優秀的材料必然不會便宜，如何高效中長期儲氫是行業的長期難題。氫氣還是一種非常危險的物質，極端易燃易爆，而這搭配易泄露的特征，導致必須將安全標準維持在極高水平，而這又是一筆開支。
臨界溫度：每種物質的一個特定溫度，即物質以液態形式出現的最高溫度。在這個溫度以上，無論怎樣增大壓強，氣態物質不會液化。換言之， 臨界溫度越低，越難液化，儲存難度就越大。
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除了儲運問題，氫能雖然單位質量的能量密度不錯（高達142MJ/kg，標準煤為20.8MJ/kg），但單位體積的能量密度卻十分糟糕，而作為一種密度極低的物質，這才是對氫更為重要的一項指標。液態氫的能量密度約為2.4千瓦時每升（汽油的能量密度為9千瓦時每升），而這已經是最為理想的數據，考慮到大部分情況下氫氣并不能以液態方式轉運，進一步降低了其經濟效益[3]。
總的來說，氫能現階段尚未解決基本的儲運，而中長期的儲存更是困難重重。當前的一些技術路線，包括甲醇、金屬吸附等要么不具備規模化能力，要么極端不成熟，均不符合對氫能的長期規劃。而這決定了無論氫能產業是否能解決生產成本的問題，氫能都不具備大規模推廣的基本前提——沒有低成本的可靠儲運技術，大規模的氫能相關基建工程同樣意義不大，至少經濟性不高。
這就促使行業放寬視野，尋找一種和氫類似，制備工藝比較簡單、生產過程碳排放低、效率可接受、副產物清潔，同時還要易儲易運輸的物質。
于是能源行業找上了氨。
最基本的問題：氨是否具有作為一種綠色能源的潛質？答案是肯定的。
首先從氧化反應公式看，在恰當反應條件下，氨氣燃燒的產物可以僅有氮氣與水，與氫氣同等清潔，完全具備作為綠色能源服務“碳中和”的潛力。
氨作為燃料的性能也屬尚可。單位質量下氨的能量密度雖遠不及氫，但其單位體積的能量密度則有3.5千瓦時每升，比液氫的2.4千瓦時每升高了近50%，優勢非常明顯[3]。而且氨燃料的辛烷值較高，抗爆性能較好，可以增加發動機的壓縮比以提高輸出功率，使得發動機的熱效率提高到50%以上，是普通燃油汽車的2倍[2]。
合成氨最大的優點，是其遠比氫要容易儲存，常壓下-33℃或常溫下9個大氣壓即可使氨液化，且對儲存容器的要求也不高。同時，氨作為人類制備規模最大的化合物之一，儲運技術非常成熟，管道、鐵路、駁船、船舶、公路拖車均可，對大規模興建基礎設施的需求并不強。以上正是氨被視作儲氫關鍵技術的核心原因。總的來說相較于氫，大規模的應用氨至少在儲運環節并沒有太多麻煩。
氨的生產可以只依賴水、空氣以及電力，這意味著理論上也存在和氫氣同樣清潔的制備方式，基本無碳排放的“綠氨”是可能的。理想中最為簡單的一種綠氨生產模式，是將制氫站、合成氨工廠與可再生能源電廠整合，通過風光或其它形式的綠電電解水制氫，再用這一過程中生產出的綠氫進一步與空氣中的氮氣結合，繼續使用綠電生產氨氣。如此一來，就有望實現全流程的無排放氨生產，且同樣可以解決新能源消納難的問題。不過綠氨現階段只是一種構想，仍然面臨很多困難，關于這一點將在下文詳述。
綠氨生產示意圖 l 圖片來源：[3]
對氨能源的利用與氫能并無大的區別，可以是燃料電池、替代傳統化石燃料應用于工業生產、用于發電、船舶、車輛（早在1940年比利時就曾嘗試過氨能公交車[4]）等等。
理想的氨循環 l 圖片來源：[4]
目前對氨能源表現出最濃厚興趣的，是船舶行業。例如挪威的船舶設計公司Breeze Ship Design在近期宣布，將設計基于現有的110,000載重噸Aframax船舶的氨動力油輪，作為挪威綠色航運計劃(GSP)的一部分[5]。而在2021年3月，韓國船級社（KR）就曾授予韓國船舶技術株式會社研發的“8000噸級氨燃料動力加注船”原則性認可證書（AiP），這是韓國第一艘以船用輕質柴油（MGO）和氨為雙燃料的8000噸級氨燃料加注船[6]。日本方面也有包括日本郵船株式會社、日本發動機株式會社（Japan Engine Corporation）、株式會社IHI原動機在內的共五家機構，共同開展“搭載日本產氨燃料發動機的船舶的開發”[7]。
國內當然也不甘示弱。由中國船舶集團有限公司旗下上海船舶研究設計院自主研發設計的中國首創首款氨燃料動力7000車位汽車運輸船（PCTC）正式獲得DNV頒發的原則性認可（AiP）證書[8]。
另一方面，受限于技術與生產，快速規模利用純氨有一定難度，但將氨與其他燃料如煤、氫等混用是值得嘗試，且效果更加立竿見影的方式。例如今年1月24日，國家能源集團就對外公布了一種燃煤鍋爐混氨燃燒技術。該技術在40兆瓦燃煤鍋爐實現混氨燃燒熱量比例達35%，對煤的使用仍不可避免的會產生碳排放，但排放強度在混入氨后可大幅降低，而且能量輸出也更有保障，無疑也是一種可行的“碳中和”方案[9]。
當然，氨縱有千般好，想要真正規模化應用需要解決的技術問題同樣很多。
氨作為能源規模化首先必須要解決的，就是如何生產“綠氨”。當前的合成氨模式不太可能支持將氨用作能源，且與綠電也不相匹配。
目前合成氨產業所使用的哈勃-博施法（Haber–Bosch process），是在450℃~500℃，200個標準大氣壓下，通過混入催化劑讓氮氣與氫氣發生反應生成氨氣。這種方式能耗極高，會消耗大量化石燃料，不符合“碳中和”的理念。而生產過程中所用氫的由天然氣和煤加工而來，涉及煤氣化工業路線與天然氣重整工藝兩個大方向，同樣涉及大量碳排放。
以我國為例，受能源結構影響，主要通過煤氣化制備合成氨所需氫氣。數據顯示，我國生產每噸合成氨消耗約1.53噸標準煤，產生碳排放約5.94噸，其中工藝流程貢獻4.71噸碳排放，外部耗能間接排放1.23噸；即使是海外排放較低的天然氣路線，總排放也要在3.10 噸 CO2/噸氨左右[10]。一些往期數據顯示，合成氨工業產生的碳排放，可以達到全球溫室氣體排放量的約1.0%（或約占全球 CO 2排放量的 1.4% ），可謂十分驚人；若計算開采化化石燃料過程中的排放數據，則還可進一步上升[4]。
現階段合成氨產業鏈 l 圖片來源：[10]
此外，哈勃-博施法所用設備對輸入能源的質量要求比較高，對波動性的應對能力不強，且設備也不能隨意啟停。這不符合風光電高波動性的基本特征，導致兩者兼容性頗為糟糕，也給綠電接入合成氨生產造成了很大困難。
綜上所述，當前合成氨工藝不太可能支撐氨能源產業，尋找新的生產方案至關重要。
目前合成氨產業在嘗試開發新的制備工藝，如固氮酶合成氨、光催化合成氨、電催化合成氨、等離子體法合成氨、循環工藝法合成氨以及超臨界合成氨等。其中固氮酶合成氨、光催化合成氨及電催化合成氨有著一定關注度[11]。
固氮酶合成氨：這是一種生物技術路線，通過利用固氮微生物將大氣中的氮氣還原成氨，可在常溫常壓條件下進行，技術成熟度很低；
光催化合成氨：利用光催化劑引發光化學反應，將太陽能轉化為化學能制氨。該技術可以做到在常溫常壓條件下合成氨，也幾乎不產生碳排放。該轉換過程非常低效，且氮分子極高的化學穩定性進一步限制了這種工藝的生產能力；
電催化合成氨：通過直接或間接方式將氮氣通過電化學反應還原為氨，反應過程中的氫則直接由水電解制得，可完全繞過傳統的哈勃-博施法，總體也是基本無額外排放的生產工藝，但同樣存在效率低的缺陷。
電催化氮還原反應示意圖 l 圖片來源：[4]
當然，正如大部分新技術一樣，這些新一代的氨生產工藝太過不成熟，存在效率太差、反應過程不穩定、經濟性不清晰的問題，需要進一步驗證與完善。
另有一種方式，是將氨的生產與固碳技術相結合，降低生產過程中的碳排放，若以氫氣的命名法，可以將這種氨稱為“藍氨”。但為生產線加裝額外的設備無疑會體現在成本上，這對于合成氨本就不算高的利潤空間可能很難接受，而且也不真正解決問題，因此只能認為是一種過度方案。
氨的毒性也需要有恰當的解決方式，否則作為一種強污染物，其環境風險將限制大規模的應用。目前一些新式儲存方式有望解決這一問題，如將儲存在多孔金屬氨絡合物(如六氨氯化鎂Mg(NH3)6Cl2)中。在金屬氨絡合物中，氨的吸附和解吸完全可逆，且只有在350℃或更高溫度下加熱才會從多孔介質中釋放，這將大幅降低泄露導致環境污染的風險[2]。不過這一過程帶來的額外成本尚不清楚，其經濟性本身需要進一步考察。
尋找能夠保證氨穩定燃燒的方式也很重要，相關技術的進展需要多加關注。上文提到恰當反應條件下的氨能源副產物只有氮氣與水，很是清潔；如若反應條件不好，情況就完全不同了：此時氨會產生氮氧化合物（NOX），不折不扣的有毒害廢氣。
實際應用中，氨作為能源的一些缺陷也會導致有毒廢氣的產生。其燃點高（651攝氏度），燃燒速度比較慢，熱值（發熱量）也略差一些，想要實現全過程的無氮氧化合物生成比較困難。若想大規模應用氨能源，需得建設配套的廢氣回收處理環節，以避免形成其他形式的污染物。
日本在這一環節上取得了不錯的進展。三菱重工目前開發的4萬千瓦100%純氨燃料發電機，已經能將氮氧化物控制在100ppm（百萬分之一）甚至10ppm以下，商業化潛力不錯[11]。不過這種原型機的功率仍然太小，相對也好控制，不能斷言其在放大后的性能同樣優秀。
最后，當前對氨作為一種能源的研究本身也不夠深入。其燃燒速度、火焰結構、點火延遲、污染物形成等關鍵參數仍不完善，對氨燃燒的反應機理也未完全清晰，這些不足同樣構成了將氨作為能源過程中的障礙[2]。未來，學界的進一步的深入研究同樣不可或缺。
除了上一節提到的具體技術困難外，氨作為一種燃料還面臨其他一些現實問題。
許多人可能會發現，本文從始至終，完全沒有提及氨作為能源的經濟性。這主要是因為，氨能源現階段其實沒有什么經濟性可言。
首先是價格不具參考價值（而且噸價本就比原油貴）。“當前”的合成氨噸價完全是建立在“當前”的生產工藝與供需關系之上的，而我們在上文已經提到，哈勃-博施法會產生驚人的碳排放，不可能用于未來的綠氨大規模制備，但新的工藝距離成熟還有不小的距離，我們并不是非常清楚綠氨能實現什么水平的價格。這引出了一個不容忽視的風險，商業化的風險。
這并非危言聳聽，因種種原因遲遲無法規模化的實例很是普遍。上文我們已經闡述了氫能源在規模化過程中遇到的巨大困難，之所以開發氨能源本身就是個很典型的案例。另一個例子則是以砷化鎵太陽能電池為首的一眾III-V族太陽能電池。這種材料由于極其優秀的光電轉化效率以及其他性能，被廣泛應用于空天設備（航天站、衛星等）與軍用無人機這些成本非常不敏感的領域。光伏產業并非沒有試圖將其規模化，可由于無論如何也不能解決砷化鎵的成本問題，如今針對這一材料的民用化進程已經停滯。而其他調整組分從材料層面降本的嘗試，也由于各種原因舉步維艱，特別是缺乏在效率上與傳統硅晶電池競爭的能力而敗下陣來。
商業化本身不是一種必然的承諾。哪怕是氨這樣工業生產已經十分熟悉、久經考驗的物質在換一種用法、換一個領域后，也需要重新考量其經濟價值。
其次，當前的合成氨是典型的重資產行業，前期投入巨大且投資周期很長，這一點即使綠氨工藝得以大規模投產，也不太可能有根本性的變化，這給社會資本的接入帶來了一定的困難。配套的綠氫工廠、儲運設施、電站等等耗費甚巨的項目都不是社會資本能夠獨立解決的。同時，當前合成氨行業若想轉型，相關設備的升級改造，研發支出同樣會是巨大的開支，這些資金僅靠行業自行籌集也是個問題，而傳統化工業對資本的吸引力一直以來都很堪憂。沒錢就不能轉型，不轉型就更融不到資，這一困境在ESG大環境下的傳統能源企業轉型過程中，已經可以被十分明確的觀察到。
換言之，若氨能源想要實現長足發展，來自國家頂層設計與配套政策的支持必不可少。構建一個友好的投資環境對產業發展升級，以及提高資本接入的意愿皆至關重要。
References：
[1]IFA: 公開摘要 中期肥料展望 2021 – 2025 .2021.08
[2]陳達南, 李軍, 黃宏宇, 陳穎, 何兆紅, 鄧立生. 氨燃燒及反應機理研究進展[J]. 化學通報, 2020, 83(6): 508-515.
[3]Salmon, N., & Ba?ares-Alcántara, R. (2021). Green ammonia as a spatial energy vector: a review. Sustainable Energy & Fuels, 5(11), 2814-2839.
[4]MacFarlane, D. R., Cherepanov, P. V., Choi, J., Suryanto, B. H., Hodgetts, R. Y., Bakker, J. M., ... & Simonov, A. N. (2020). A roadmap to the ammonia economy. Joule, 4(6), 1186-1205.
[5]國際船舶海工網: 挪威船舶設計公司Breeze獲政府支持設計氨燃料動力大型油輪. 202203.09 https://mp.weixin.qq.com/s/_6yVkE5fHpynrlDx3hLZlA
[6]國際船舶海工網: 8千噸級氨燃料動力加注船獲船級社原則性認證. 2021.04.02 https://mp.weixin.qq.com/s/J9Kk7aJjZs4zs56xaABcEA
[7]AIpatent: 日本企業將合力開發“日本產”氨燃料船，從研發到商業化 2021.11.15 https://mp.weixin.qq.com/s/QXccGQyPFZn4UOjsmL1nKg
[8]中國船舶網: 中國首創首款氨燃料動力船獲國際認可. 2022.03.26 https://mp.weixin.qq.com/s/HEyl1DVZchQjVEzDP8K3oQ
[9]新華網: 我國成功研發燃煤鍋爐混氨燃燒技術. 科技日報. 2022.01.26 http://www.news.cn/science/2022-01/26/c_1310440952.htm
[10]國聯證券: 綠氫——風正帆懸，平價在望. 2021.06.07
[11]袁素: 氨能：2022年的能源新風口？. 能源評論?首席能源觀. 2022.02.21 http://www.escn.com.cn/news/show-1344856.html
