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大家好，我是逸辰。氨越来越被认为是未来世界的一种重要的，可持续的燃料，它在重型运输，发电，分布式储能领域都有很好的发展。可以预见到的是，如果大规模生产，氨可以替代一部分液体燃料的消耗。但目前合成氨的发展路线也遇到一定的问题和挑战。
基于此，Joule在年的6月17日上线了MacFarlane等八人集体撰写的题为“ARoadmaptotheAmmoniaEconomy”的关于合成氨经济路线的展望。本文主要评估了当前和新兴的可再生能源合成氨技术，包括对电催化合成氨反应领域面临的问题进行深入讨论。然后讨论了在大规模扩大这些技术使其成为通用燃料时必须解决的一些相关挑战。同时调研了用于氨作为能源载体的最终用途形式。认识到充分了解氨的使用对环境的潜在影响以及地球氮循环的重要性。
亮点：本文将主要介绍两个问题。一是：什么是氨经济？二是：其未来技术发展路线会是什么。
01液体燃料-可大规模调度的能量存储方式
近十年来，可再生能源技术的发展让人们意识到，可运输或可调度的能源的严重缺乏，已经成为全球可再生能源转变的主要瓶颈。虽然电池技术的发展解决了部分问题，但它不适合将世界上风能和太阳能丰富地区的能源大规模运输到市场上。对于海运或者管道的大宗运输，液化形式的能源存储几乎肯定是首选，这将人们的注意力集中到从可再生能源中生产高能量密度液体燃料的过程上，这个过程既划算，又可持续。
液体燃料的载体有很多形式。比如液态氢，液体有机氢载体，各种可能的二氧化碳还原产物（包括醇类等）以及氨。每一种能量形式均有其优缺点，例如氢气液化需要巨大的成本，二氧化碳还原目前仍需要使用富集的二氧化碳才可以实现，二氧化碳的捕集和富集成本不可忽略。
相对于以上几种能量利用形式，氨的储存利用有一定优势。室温条件下，将压力增加至10bar或者常压下冷却到零下33度就可以使氨液化。同时无论是氨的航海运输还是管道运输技术均已经成熟。
02“氨经济”的由来
目前大部分氨被用作化肥的生产，在上次的消息中，可以看到，尿素的生产占据了全球80%以上的氨产量，[1]这是一个很大的数字，因此之前也有过类似于“吃饱了别忘合成氨”的调侃。除此之外，它也是我们大多数含氮化学品、材料和药品的来源。
一百多年以前，Haber和Bosch的发现使氨和氨基肥料的工业生产成为可能。虽然工艺流程在不断改进，但基本思路不变。即通过蒸汽重整从天然气或煤中生成氢气，并通过低温工艺从空气中分离出来的氮气结合，形成氨。合成氨反应为放热反应，但室温条件下反应速率常数很小，因此为了保证一定的合成氨产率，不得不采用度以上的高温和超过bar的压力才能高效驱动合成氨反应。需要大面积的产房和耐高压的工业设备，这一部分经济成本高。同时，合成氨排放气体占全球温室气体排放的1%，从可持续发展的角度也这也是不利因素。
随着对可再生能源研究的深入，通过改善氢制备方式降低整个合成氨过程碳排放的趋势日益明显。即采用光解水或电解水或光热催化分解水制氢。同时，利用光/电等清洁方式在常温常压下合成氨，并把其作为一种氢能量的载体，运输至相应的场所后分解产生氢气，并释放出氮气，从而实现氮循环的过程。这种可持续的循环经济过程，可以被称为“氨经济”。如图二所示。
图一绿色氢技术应用于肥料制造的相关报道[2]
图二“氨经济”的愿景，其中能源的来源和使用都是基于氨
03合成氨的技术发展路线有哪些？
根据对氨经济的展望，合成氨的技术发展路线主要可以分为三代。
第一代
第一代技术强调使用碳封存或抵消来将合成氨的碳排放影响降至零。这更可能是一个过渡方案，来帮助建立一个肥料和化工以外的氨市场。从能耗角度考虑，现代合成氨工业能耗为8MWh/tonne,而氨的热值仅仅为5.2MWh/tonne，这表明能量利用效率仅为65%。碳封存过程造成的额外能源成本将进一步降低能量利用效率。
第二代
第二代合成氨是由H-B法制造，但氢源不来自于化石燃料的转化，而是由可再生能源制备。这种做法的好处是现有的合成氨工厂不会停止生产，只需要转接新的氢生产供应系统即可。西门子实现了小规模的应用。他们使用20KW风力涡轮机产生的完全可再生的电力驱动质子膜分解水电解槽（PEM）来制备氢气，从而可以得到每天约30kg的氨产量。
成本方面主要考虑三部分：一是合成氨工厂原本的成本；二是电解水设备设置和运行成本，目前每兆瓦约万美元。这还是比较高的，如何降低电解槽成本成为