4月17日，美國(guó)智庫(kù)信息技術(shù)與創(chuàng)新基金會(huì)（ITIF）發(fā)布由漢娜博伊爾斯（Hannah Boyles）撰寫(xiě)的題為《值得關(guān)注的氣候技術(shù)——綠色氨》（Climate-Tech to Watch: Green Ammonia）的報(bào)告，指出綠色氨由于其便存儲(chǔ)和易運(yùn)輸?shù)忍匦宰鳛榭珙I(lǐng)域氣候解決方案近期引起廣泛關(guān)注。報(bào)告指出，這項(xiàng)技術(shù)很有前途，但如果要發(fā)揮其潛力，仍然需要降低成，此外還需要政府研發(fā)與示范來(lái)支持消除低往返效率等技術(shù)障礙的努力。

1  圖 | 報(bào)告首頁(yè)

01 綠色氨是什么？

氨是一種廣泛用于生產(chǎn)化肥的無(wú)色氣體，由于其作為能源載體和零碳燃料的前景而備受關(guān)注。生產(chǎn)氨是能源密集型的，通常涉及化石衍生的氫和從大氣中獲得的氮的反應(yīng)。大多數(shù)相關(guān)的碳排放來(lái)自使用天然氣作為氫前體的原料。或者，通過(guò)電解水生產(chǎn)氫氣，其中可再生電力是能源（例如，綠色氨）顯著減少氨生產(chǎn)碳排放的途徑。

02 綠氨作為跨領(lǐng)域氣候解決方案為何如此重要？

向凈零二氧化碳 (CO₂) 全球能源系統(tǒng)的過(guò)渡將要求各國(guó)部署廣泛的變革性低碳技術(shù)，以改變能源的產(chǎn)生、運(yùn)輸和使用方式。預(yù)計(jì)綠色氨將在打破重工業(yè)和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中能源使用與CO₂排放（例如脫碳）之間的依賴關(guān)系以及作為低碳能源載體方面發(fā)揮多種作用。

目前全球氨產(chǎn)量（主要用作生產(chǎn)化肥的原料）約為每年1.94億噸，占全球CO₂排放量的 1.8%。因此，廣泛采用綠色氨可以顯著減少農(nóng)業(yè)的碳足跡。最近的一項(xiàng)研究估計(jì)，使用綠色氨作為肥料、熱能和燃料可以將玉米和其他小型糧食作物的化石能源消耗減少90%。

除了農(nóng)業(yè)，綠色氨還為其他行業(yè)提供了額外的脫碳選擇。它具有高能量密度，而且與氫不同，它不需要在極低的溫度或高壓下儲(chǔ)存，因此更容易運(yùn)輸。這些特性與海事部門(mén)尤其相關(guān)，該部門(mén)約占全球排放量的 3%。國(guó)際能源署 (IEA) 將氨視為航運(yùn)脫碳的重要解決方案，到2050年可能解決45%的能源需求。

綠色氨還可能作為電力部門(mén)的能源載體發(fā)揮重要作用。它是運(yùn)輸氫的良好候選者，也可用作長(zhǎng)期存儲(chǔ)介質(zhì)，在可再生能源發(fā)電量較低時(shí)提供電力。在這種情況下，可以使用可變的可再生能源（例如風(fēng)能、太陽(yáng)能）來(lái)制造氫氣，然后制造氨氣，然后將其儲(chǔ)存起來(lái)。每當(dāng)需要使用能源時(shí)，氨可以重新轉(zhuǎn)化以提供該能源。而且，由于季節(jié)性間期儲(chǔ)能成本高昂，氨可以降低該領(lǐng)域成本。

圖 1 綠色氨在未來(lái)能源系統(tǒng)中的作用

然而，擴(kuò)大全球氨生產(chǎn)規(guī)模確實(shí)伴隨著風(fēng)險(xiǎn)。氨是有毒的，雖然它本身不是溫室氣體，但氨泄漏會(huì)與其他空氣中的化學(xué)物質(zhì)相互作用，形成細(xì)顆粒物，最終影響空氣質(zhì)量。此外，燃燒氨而不是化石燃料會(huì)產(chǎn)生氮氧化物 (NOx)，盡管現(xiàn)有技術(shù)可以最大限度地減少這些排放。圖 1 說(shuō)明了氨的生產(chǎn)和使用情況。

03 全球及美國(guó)綠色氨技術(shù)的進(jìn)展現(xiàn)狀

全球綠色合成氨產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，但已引起全球行業(yè)參與者和政府的關(guān)注，試點(diǎn)工廠已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)，其中包括英國(guó)和日本的風(fēng)能發(fā)電廠。幾家公司也在開(kāi)發(fā)商業(yè)規(guī)模的工廠。挪威化學(xué)公司Yara正在澳大利亞建設(shè)一個(gè)年產(chǎn) 3500噸綠色氨的工廠。迄今為止宣布的最大項(xiàng)目在沙特阿拉伯。2025年建成后，每年可提供120萬(wàn)噸綠色氨水。

與此同時(shí)，許多公司和政府正在支持對(duì)綠色氨的新應(yīng)用的研究。三菱正在開(kāi)發(fā)直接燃燒氨的渦輪機(jī)，日本資助了一個(gè)到2024 年改造船舶以使用氨運(yùn)行的項(xiàng)目。領(lǐng)先的船用發(fā)動(dòng)機(jī)制造商 MAN 和W?rtsil? 都宣布計(jì)劃到 2024 年使使用氨運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)商業(yè)化。

綠色氨目前在美國(guó)僅以中試規(guī)模生產(chǎn)，但正在努力實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。能源部 (DOE) 在資助生產(chǎn)綠色氨的早期研究、開(kāi)發(fā)和示范 (RD&D) 項(xiàng)目方面發(fā)揮了重要作用。通過(guò)高級(jí)研究計(jì)劃署能源 (ARPA-E) REFUEL計(jì)劃，DOE 資助了用于生產(chǎn)和使用氨作為碳中性液體燃料的組件技術(shù)和試點(diǎn)系統(tǒng)。在REFUEL計(jì)劃之后，ARPA-E向三角研究所額外撥款 1000萬(wàn)美元，用于展示可再生氨的生產(chǎn)和使用。此外，美國(guó)能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室資助了六個(gè)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，以幫助現(xiàn)有氨市場(chǎng)脫碳。

全球最大的氨生產(chǎn)商CF Industries宣布于2020年在路易斯安那州建造一座綠色氨工廠。2023年投產(chǎn)后，年產(chǎn)綠氨2萬(wàn)噸。

04 關(guān)鍵政策問(wèn)題：解決成本和規(guī)模問(wèn)題的創(chuàng)新

工業(yè)界大規(guī)模生產(chǎn)綠色氨的努力得到了美國(guó)聯(lián)邦政府對(duì)低碳?xì)渖a(chǎn)的支持。美國(guó)兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法撥款95億美元用于支持不斷增長(zhǎng)的清潔氫市場(chǎng)，2022年的通脹削減法案提供了進(jìn)一步的激勵(lì)措施，包括生產(chǎn)稅收抵免。

盡管最近有激勵(lì)措施，但綠色氨在提高競(jìng)爭(zhēng)力方面仍然面臨重大障礙，尤其是在航運(yùn)等新的終端用途方面。按照目前的成本——大約每噸794美元到1543美元——綠色氨不太可能在全球肥料市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)力，或者作為其他行業(yè)的解決方案。對(duì)于現(xiàn)有應(yīng)用，綠色氨必須滿足化石燃料的成本，每噸121美元至375美元不等。

要使綠色氨成為一種可行的航運(yùn)低碳燃料，它需要在經(jīng)濟(jì)上與目前航運(yùn)中使用的化石燃料具有競(jìng)爭(zhēng)力，包括重油 (HFO) 和船用柴油 (MGO)。綠色氨還必須與生物柴油等其他低碳替代品競(jìng)爭(zhēng)。

圖2 運(yùn)輸燃料的比較成本范圍

使用氨發(fā)電或儲(chǔ)能會(huì)帶來(lái)額外的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)考慮。其中一個(gè)因素是往返效率，它衡量將可再生能源轉(zhuǎn)化為氨、儲(chǔ)存和運(yùn)輸氨，然后將氨轉(zhuǎn)化回電能的效率。綠色氨的端到端效率僅為11%至 19%，這意味著由此產(chǎn)生的電力將比用于生產(chǎn)氨的原始電力貴5 至9倍。日本的氨發(fā)電模型發(fā)現(xiàn)，由于往返效率較低，使用氨發(fā)電的成本大約是可再生能源的兩倍。雖然效率可能會(huì)提高，但綠色氨不太可能成為有競(jìng)爭(zhēng)力的能源。

降低成本、提高效率、擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模和擴(kuò)大管道基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)于新應(yīng)用和預(yù)期增加的需求至關(guān)重要。DOE通過(guò)資助RD&D加速創(chuàng)新，在克服這些障礙方面發(fā)揮著重要作用。對(duì)新催化劑、反應(yīng)器設(shè)計(jì)和分離策略等領(lǐng)域的研究可以提高氨生產(chǎn)效率并降低成本。ARPA-E通過(guò)3600萬(wàn)美元的 REFUEL計(jì)劃資助多個(gè)與低碳氨相關(guān)的RD&D項(xiàng)目。還需要公共研發(fā)資金來(lái)解決與氨燃燒相關(guān)的環(huán)境和安全挑戰(zhàn)，包括開(kāi)發(fā)和測(cè)試減少氮氧化物排放的方法。

終端用戶支持對(duì)綠色氨的需求的政策也很重要。例如，美國(guó)能源部最近資助了兩個(gè)項(xiàng)目，研究氨在燃?xì)廨啓C(jī)中的使用。同樣，國(guó)際海事組織正在努力制定安全使用氨作為船用燃料的準(zhǔn)則，這將有助于擴(kuò)大需求。

05 展望

綠色氨最近引起了廣泛關(guān)注。這項(xiàng)技術(shù)很有前途，但如果要發(fā)揮其潛力，仍然需要降低成本、開(kāi)展示范、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和市場(chǎng)需求增長(zhǎng)。除了降低成本外，還需要政府研發(fā)與示范來(lái)支持消除低往返效率等技術(shù)障礙的努力。

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