澳大利亞多風(fēng)的海岸提供了大量的能源，有一天它可能會(huì)作為無碳燃料出口。圖片來源：COAST PROTECTION BOARD, SOUTH AUSTRALIA

澳大利亞莫納什大學(xué)化學(xué)家Douglas MacFarlane說，該國古老而貧瘠的土地是新增長的沃土：這里有風(fēng)車和太陽能板的廣袤“森林”。這些干旱地區(qū)每平方米的日照比其他任何地方都多，而強(qiáng)勁的風(fēng)沖擊著該國的南部和西部海岸。

總的來說，澳大利亞擁有2.5萬吉瓦的可再生能源潛力，是世界上最大的可再生能源蘊(yùn)藏地之一，大約是目前人類已知新能源總發(fā)電量的4倍。然而，由于人口稀少，儲存和出口新能源的路徑少，因此該國的可再生能源尚未完全開發(fā)。

為此，過去4年里，MacFarlane一直致力于研發(fā)出一種能將可再生電能轉(zhuǎn)化為無碳燃料：氨的方法。

燃料電池通常使用儲存在化學(xué)鍵中的能量發(fā)電;MacFarlane的方法則恰恰相反。他展示了一款不銹鋼設(shè)備，大小與冰球差不多。它的背面有兩根里面注有氮?dú)夂退乃芰瞎?，還有一根電源線用來供應(yīng)電力。通過位于它前面的第三根管子，這個(gè)設(shè)備能無聲地呼出氣體氨。所有這些過程都沒有熱量、壓力和碳排放。他說：“這是吸入氮?dú)?，呼出氨水?rdquo;

液體“陽光”

世界各地的公司每年都要生產(chǎn)價(jià)值600億美元的氨，主要是用作肥料，而MacFarlane的發(fā)明可能會(huì)讓這一過程更有效率、更清潔。但他的雄心遠(yuǎn)不止幫助農(nóng)民。

通過將可再生電力轉(zhuǎn)換為一種易于被冷卻并壓縮成液體燃料的高能氣體，MacFarlane的燃料電池有效地將陽光和風(fēng)裝入瓶中，運(yùn)到世界任何地方，然后轉(zhuǎn)換成電能或氫氣作為燃料電池汽車的動(dòng)力。MacFarlane說，氨是綠色環(huán)保的。他說：“液態(tài)氨是液態(tài)的能源，它就是我們所需要的可持續(xù)發(fā)展技術(shù)。”

氨看起來可能不像一種理想的燃料：這種化學(xué)物質(zhì)氣味難聞，而且有毒。但是它的能量密度是液態(tài)氫的兩倍，而且更容易運(yùn)輸和配送。“你可以儲存、運(yùn)送、燃燒它，然后把它轉(zhuǎn)換成氫和氮。”制造巨頭西門子公司能源存儲研究員Alan Finkel說，“在很多方面，它是完美的。”

全球各地的研究人員都在追求“氨經(jīng)濟(jì)”的前景，而澳大利亞正準(zhǔn)備自己來引領(lǐng)。澳大利亞首席科學(xué)家Alan Finkel說：“這才剛剛開始。”聯(lián)邦政府官員還沒有提供任何支持可再生氨的主要立法。

但去年，澳大利亞可再生能源機(jī)構(gòu)宣布，為可再生能源創(chuàng)造出口經(jīng)濟(jì)是它的首要任務(wù)之一。今年，該機(jī)構(gòu)宣布投入2000萬美元初始資金，用于支持可再生能源技術(shù)出口，包括氨的運(yùn)輸技術(shù)。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織低排放技術(shù)研究主任David Harris稱：“氨是出口可再生能源的關(guān)鍵推動(dòng)者，它是通往一個(gè)全新世界的橋梁。”

打破傳統(tǒng)

然而，可再生氨的支持者將首先不得不想辦法取代現(xiàn)代世界最大、最骯臟、最久享盛名的工業(yè)流程之一：合成氨法。

直到1909年，固氮細(xì)菌仍然制造了地球上的大部分氨。但就在那一年，德國科學(xué)家Fritz Haber發(fā)現(xiàn)了一種反應(yīng)，即在鐵催化劑的幫助下，可以分解將氮分子結(jié)合在一起的堅(jiān)硬化學(xué)鍵，并將原子與氫結(jié)合成氨。這種反應(yīng)需要“蠻力”——在高達(dá)250個(gè)大氣壓的高而窄的鋼質(zhì)反應(yīng)堆中進(jìn)行，這一過程首先由德國化學(xué)家Carl Bosch完成工業(yè)化。

大多數(shù)氨被用作肥料。近幾十年來，合成氨法使農(nóng)民能夠養(yǎng)活世界上不斷膨脹的人口。據(jù)估計(jì)，今天人體中至少有一半的氮來自合成氨裝置。

合成氨法引領(lǐng)了綠色革命，但這個(gè)過程絕不是環(huán)保的。它需要?dú)錃?，而這種氣體是從天然氣或煤炭中剝離出來，而二氧化碳被留了下來。而且，在反應(yīng)堆中產(chǎn)生氫氣和氮?dú)馑枰膲毫?huì)消耗更多的化石燃料，這意味著排放更多的二氧化碳。這些排放加起來：氨生產(chǎn)消耗了世界上2%的能源，產(chǎn)生了1%的二氧化碳。

世界上最大的氨生產(chǎn)企業(yè)雅苒國際公司正朝著綠色環(huán)保的方向邁出第一步，它的一座實(shí)驗(yàn)工廠將于2019年投產(chǎn)，這個(gè)新的工廠不再依靠天然氣制造氫氣，而是將一個(gè)2.5兆瓦的太陽能陣列產(chǎn)生的電力輸送到一個(gè)電解液庫中，將水分解成氫氣和氧氣。雖然該設(shè)施仍將依賴于合成氨法的反應(yīng)，將氫與氮結(jié)合起來制造氨。但是整個(gè)過程中減少了大約一半的二氧化碳排放量。

而且隨著市場的增長，進(jìn)口氨的分銷渠道和使用氨的技術(shù)也會(huì)越來越多。到那時(shí)，像MacFarlane這樣的燃料電池就可以取代合成氨法本身了，而半綠色的氨生產(chǎn)方式可能會(huì)變成全綠色。

反其道行之

與施加可怕的熱量和壓力相反，反向燃料電池巧妙地糾纏離子和電子制造氨。正如在電池充電時(shí)那樣，帶電離子在兩個(gè)電極之間流動(dòng)。

被催化劑覆蓋的陽極能將水分子分解成氧氣、氫離子和電子。質(zhì)子通過電解液和質(zhì)子滲透膜進(jìn)入陰極，而電子則通過導(dǎo)線開始了旅程。在陰極中，催化劑分裂氮?dú)夥肿硬⒋偈箽潆x子和電子與氮發(fā)生反應(yīng)，從而生成氨。

目前，產(chǎn)出仍是適度的。在室溫和常壓下，燃料電池的一般反應(yīng)效率在1%到15%之間，但產(chǎn)量仍然很小。

不過，MacFarlane已經(jīng)找到了一種通過改變電解液提高效率的方法。在水基電解質(zhì)中，水分子有時(shí)會(huì)在陰極處與電子發(fā)生反應(yīng)，偷走電子，如果不出現(xiàn)這種情況，就會(huì)產(chǎn)生氨。“我們一直在努力讓電子進(jìn)入氫當(dāng)中。”他說。

為了減少這種情況，MacFarlane選擇了離子液體電解質(zhì)。這種方法允許更多的氮和更少的水在陰極的催化劑附近，從而提高氨的產(chǎn)量。該團(tuán)隊(duì)去年在《能源與環(huán)境科學(xué)》雜志上發(fā)文指出，通過這種方法，燃料電池的效率從15%飆升到60%。但這只是一種折中辦法，燃料電池里的離子液體比水的黏性大了10倍，質(zhì)子必須緩慢地進(jìn)入陰極，從而減慢了氨的生產(chǎn)速度。這讓MacFarlane頭疼不已。

為了加快速度，MacFarlane等人正在調(diào)整他們的離子液體。在今年4月發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì)能源快報(bào)》的一項(xiàng)研究中，他們報(bào)告稱設(shè)計(jì)出了一種富含氟的物質(zhì)，可以幫助質(zhì)子更容易地通過，從而使氨的生產(chǎn)速度提高10倍。但是，在他的電池能夠達(dá)到美國能源部設(shè)定的指標(biāo)前，其生產(chǎn)速率仍然需要增加一個(gè)數(shù)量級。

澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織的Sarb Giddey和同事，正在用他們的“膜反應(yīng)器”制造氨。“它依賴于高溫和適度的壓力——遠(yuǎn)低于合成氨法反應(yīng)堆，與MacFarlane的電池相比，它能提高吞吐量，但同時(shí)也犧牲了效率。”

反應(yīng)堆需要一對同軸的長金屬管，并被加熱到450攝氏度。在管道之間的狹窄縫隙中，氫氣可以由太陽能或風(fēng)力的電解槽制造。在縫隙中，催化劑將氫分子分解成氫原子，然后憑借適度的壓力迫使其通過內(nèi)管壁的原子晶格進(jìn)入空心內(nèi)核，而氮分子就在那里等待著。而像鈀這樣的催化活性金屬則排列于內(nèi)部表面，分解氮分子，誘使氫原子和氮原子結(jié)合成氨。

但這些方法能否變得高效和快速仍然未知。美國阿肯色大學(xué)化學(xué)工程師Lauren Greenlee指出：“業(yè)界仍在試圖弄清楚該走哪條路。”美國能源部可再生燃料高級研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Grigorii Soloveichik也同意這一觀點(diǎn)：“制造綠色氨并不難，但在經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)是困難的。”

不過，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省最近發(fā)布的一份可再生能源路線圖似乎帶來了希望。該路線圖顯示，到2030年以后，日本每年可能會(huì)進(jìn)口100億到200億美元的氫氣。日本、新加坡和韓國都已開始與澳大利亞官員討論建立港口，以進(jìn)口可再生的氫或氨的事宜。

Harris說：“我不知道這一切是如何在經(jīng)濟(jì)上走到一起的。但似乎人們有足夠的興趣讓這個(gè)行業(yè)開始起步。”

但Cooper知道他想要怎樣結(jié)束。在悉尼一個(gè)下雨的早晨，他在喝咖啡時(shí)描述了對可再生氨的未來愿景。也許在未來30年里，澳大利亞的海岸上停泊著超級油輪，但它們的內(nèi)部不會(huì)被石油填滿。

海底的電力線將把可再生電力輸送到岸上的風(fēng)力和太陽能發(fā)電廠。在船上，一種設(shè)備將利用電力淡化海水，并將淡水輸送到電解液中以產(chǎn)生氫氣。另一種裝置可以從天空中過濾氮?dú)狻７聪蛉剂想姵貢?huì)將兩者結(jié)合成氨，再裝入油輪——這是來自太陽、空氣和海洋的巨額饋贈(zèng)。(唐一塵編譯)