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氨经济:把阳光装进瓶子

—清洁氨有望为地球提供动力



2018-08-01 08:35:59 中国科学报   作者: 唐一尘  
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澳大利亚多风的海岸提供了大量的能源,有一天它可能会作为无碳燃料出口。图片来源:COAST PROTECTION BOARD, SOUTH AUSTRALIA

澳大利亚莫纳什大学化学家Douglas MacFarlane说,该国古老而贫瘠的土地是新增长的沃土:这里有风车和太阳能板的广袤“森林”。这些干旱地区每平方米的日照比其他任何地方都多,而强劲的风冲击着该国的南部和西部海岸。

总的来说,澳大利亚拥有2.5万吉瓦的可再生能源潜力,是世界上最大的可再生能源蕴藏地之一,大约是目前人类已知新能源总发电量的4倍。然而,由于人口稀少,储存和出口新能源的路径少,因此该国的可再生能源尚未完全开发。

为此,过去4年里,MacFarlane一直致力于研发出一种能将可再生电能转化为无碳燃料:氨的方法。

燃料电池通常使用储存在化学键中的能量发电;MacFarlane的方法则恰恰相反。他展示了一款不锈钢设备,大小与冰球差不多。它的背面有两根里面注有氮气和水的塑料管,还有一根电源线用来供应电力。通过位于它前面的第三根管子,这个设备能无声地呼出气体氨。所有这些过程都没有热量、压力和碳排放。他说:“这是吸入氮气,呼出氨水。”

液体“阳光”

世界各地的公司每年都要生产价值600亿美元的氨,主要是用作肥料,而MacFarlane的发明可能会让这一过程更有效率、更清洁。但他的雄心远不止帮助农民。

通过将可再生电力转换为一种易于被冷却并压缩成液体燃料的高能气体,MacFarlane的燃料电池有效地将阳光和风装入瓶中,运到世界任何地方,然后转换成电能或氢气作为燃料电池汽车的动力。MacFarlane说,氨是绿色环保的。他说:“液态氨是液态的能源,它就是我们所需要的可持续发展技术。”

氨看起来可能不像一种理想的燃料:这种化学物质气味难闻,而且有毒。但是它的能量密度是液态氢的两倍,而且更容易运输和配送。“你可以储存、运送、燃烧它,然后把它转换成氢和氮。”制造巨头西门子公司能源存储研究员Alan Finkel说,“在很多方面,它是完美的。”

全球各地的研究人员都在追求“氨经济”的前景,而澳大利亚正准备自己来引领。澳大利亚首席科学家Alan Finkel说:“这才刚刚开始。”联邦政府官员还没有提供任何支持可再生氨的主要立法。

但去年,澳大利亚可再生能源机构宣布,为可再生能源创造出口经济是它的首要任务之一。今年,该机构宣布投入2000万美元初始资金,用于支持可再生能源技术出口,包括氨的运输技术。澳大利亚联邦科学与工业研究组织低排放技术研究主任David Harris称:“氨是出口可再生能源的关键推动者,它是通往一个全新世界的桥梁。”

打破传统

然而,可再生氨的支持者将首先不得不想办法取代现代世界最大、最肮脏、最久享盛名的工业流程之一:合成氨法。

直到1909年,固氮细菌仍然制造了地球上的大部分氨。但就在那一年,德国科学家Fritz Haber发现了一种反应,即在铁催化剂的帮助下,可以分解将氮分子结合在一起的坚硬化学键,并将原子与氢结合成氨。这种反应需要“蛮力”——在高达250个大气压的高而窄的钢质反应堆中进行,这一过程首先由德国化学家Carl Bosch完成工业化。

大多数氨被用作肥料。近几十年来,合成氨法使农民能够养活世界上不断膨胀的人口。据估计,今天人体中至少有一半的氮来自合成氨装置。

合成氨法引领了绿色革命,但这个过程绝不是环保的。它需要氢气,而这种气体是从天然气或煤炭中剥离出来,而二氧化碳被留了下来。而且,在反应堆中产生氢气和氮气所需要的压力会消耗更多的化石燃料,这意味着排放更多的二氧化碳。这些排放加起来:氨生产消耗了世界上2%的能源,产生了1%的二氧化碳。

世界上最大的氨生产企业雅苒国际公司正朝着绿色环保的方向迈出第一步,它的一座实验工厂将于2019年投产,这个新的工厂不再依靠天然气制造氢气,而是将一个2.5兆瓦的太阳能阵列产生的电力输送到一个电解液库中,将水分解成氢气和氧气。虽然该设施仍将依赖于合成氨法的反应,将氢与氮结合起来制造氨。但是整个过程中减少了大约一半的二氧化碳排放量。

而且随着市场的增长,进口氨的分销渠道和使用氨的技术也会越来越多。到那时,像MacFarlane这样的燃料电池就可以取代合成氨法本身了,而半绿色的氨生产方式可能会变成全绿色。

反其道行之

与施加可怕的热量和压力相反,反向燃料电池巧妙地纠缠离子和电子制造氨。正如在电池充电时那样,带电离子在两个电极之间流动。

被催化剂覆盖的阳极能将水分子分解成氧气、氢离子和电子。质子通过电解液和质子渗透膜进入阴极,而电子则通过导线开始了旅程。在阴极中,催化剂分裂氮气分子并促使氢离子和电子与氮发生反应,从而生成氨。

目前,产出仍是适度的。在室温和常压下,燃料电池的一般反应效率在1%到15%之间,但产量仍然很小。

不过,MacFarlane已经找到了一种通过改变电解液提高效率的方法。在水基电解质中,水分子有时会在阴极处与电子发生反应,偷走电子,如果不出现这种情况,就会产生氨。“我们一直在努力让电子进入氢当中。”他说。

为了减少这种情况,MacFarlane选择了离子液体电解质。这种方法允许更多的氮和更少的水在阴极的催化剂附近,从而提高氨的产量。该团队去年在《能源与环境科学》杂志上发文指出,通过这种方法,燃料电池的效率从15%飙升到60%。但这只是一种折中办法,燃料电池里的离子液体比水的黏性大了10倍,质子必须缓慢地进入阴极,从而减慢了氨的生产速度。这让MacFarlane头疼不已。

为了加快速度,MacFarlane等人正在调整他们的离子液体。在今年4月发表在《美国化学会能源快报》的一项研究中,他们报告称设计出了一种富含氟的物质,可以帮助质子更容易地通过,从而使氨的生产速度提高10倍。但是,在他的电池能够达到美国能源部设定的指标前,其生产速率仍然需要增加一个数量级。

澳大利亚联邦科学与工业研究组织的Sarb Giddey和同事,正在用他们的“膜反应器”制造氨。“它依赖于高温和适度的压力——远低于合成氨法反应堆,与MacFarlane的电池相比,它能提高吞吐量,但同时也牺牲了效率。”

反应堆需要一对同轴的长金属管,并被加热到450摄氏度。在管道之间的狭窄缝隙中,氢气可以由太阳能或风力的电解槽制造。在缝隙中,催化剂将氢分子分解成氢原子,然后凭借适度的压力迫使其通过内管壁的原子晶格进入空心内核,而氮分子就在那里等待着。而像钯这样的催化活性金属则排列于内部表面,分解氮分子,诱使氢原子和氮原子结合成氨。

但这些方法能否变得高效和快速仍然未知。美国阿肯色大学化学工程师Lauren Greenlee指出:“业界仍在试图弄清楚该走哪条路。”美国能源部可再生燃料高级研究项目负责人Grigorii Soloveichik也同意这一观点:“制造绿色氨并不难,但在经济上进行大规模生产是困难的。”

不过,日本经济产业省最近发布的一份可再生能源路线图似乎带来了希望。该路线图显示,到2030年以后,日本每年可能会进口100亿到200亿美元的氢气。日本、新加坡和韩国都已开始与澳大利亚官员讨论建立港口,以进口可再生的氢或氨的事宜。

Harris说:“我不知道这一切是如何在经济上走到一起的。但似乎人们有足够的兴趣让这个行业开始起步。”

但Cooper知道他想要怎样结束。在悉尼一个下雨的早晨,他在喝咖啡时描述了对可再生氨的未来愿景。也许在未来30年里,澳大利亚的海岸上停泊着超级油轮,但它们的内部不会被石油填满。

海底的电力线将把可再生电力输送到岸上的风力和太阳能发电厂。在船上,一种设备将利用电力淡化海水,并将淡水输送到电解液中以产生氢气。另一种装置可以从天空中过滤氮气。反向燃料电池会将两者结合成氨,再装入油轮——这是来自太阳、空气和海洋的巨额馈赠。(唐一尘编译)



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责任编辑: 李颖

标签: 清洁氨 可再生能源 理想燃料

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