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

澳大利亞莫納什大學化學家Douglas MacFarlane說，該國古老而貧瘠的土地是新增長的沃土：這里有風車和太陽能板的廣袤“森林”。這些干旱地區每平方米的日照比其他任何地方都多，而強勁的風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藏地之一，大約是目前人類已知新能源總發電量的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。

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

燃料電池通常使用儲存在化學鍵中的能量發電;MacFarlane的方法則恰恰相反。他展示了一款不銹鋼設備，大小與冰球差不多。它的背面有兩根里面注有氮氣和水的塑料管，還有一根電源線用來供應電力。通過位于它前面的第三根管子，這個設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：“這是吸入氮氣，呼出氨水。”

液體“陽光”

世界各地的公司每年都要生產價值600億美元的氨，主要是用作肥料，而MacFarlane的發明可能會讓這一過程更有效率、更清潔。但他的雄心遠不止幫助農民。

通過將可再生電力轉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裝入瓶中，運到世界任何地方，然后轉換成電能或氫氣作為燃料電池汽車的動力。MacFarlane說，氨是綠色環保的。他說：“液態氨是液態的能源，它就是我們所需要的可持續發展技術。”

氨看起來可能不像一種理想的燃料：這種化學物質氣味難聞，而且有毒。但是它的能量密度是液態氫的兩倍，而且更容易運輸和配送。“你可以儲存、運送、燃燒它，然后把它轉換成氫和氮。”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“氨經濟”的前景，而澳大利亞正準備自己來引領。澳大利亞首席科學家Alan Finkel說：“這才剛剛開始。”聯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構宣布，為可再生能源創造出口經濟是它的首要任務之一。今年，該機構宣布投入2000萬美元初始資金，用于支持可再生能源技術出口，包括氨的運輸技術。澳大利亞聯邦科學與工業研究組織低排放技術研究主任David Harris稱：“氨是出口可再生能源的關鍵推動者，它是通往一個全新世界的橋梁。”

打破傳統

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

直到1909年，固氮細菌仍然制造了地球上的大部分氨。但就在那一年，德國科學家Fritz Haber發現了一種反應，即在鐵催化劑的幫助下，可以分解將氮分子結合在一起的堅硬化學鍵，并將原子與氫結合成氨。這種反應需要“蠻力”——在高達250個大氣壓的高而窄的鋼質反應堆中進行，這一過程首先由德國化學家Carl Bosch完成工業化。

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

合成氨法引領了綠色革命，但這個過程絕不是環保的。它需要氫氣，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，在反應堆中產生氫氣和氮氣所需要的壓力會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：氨生產消耗了世界上2%的能源，產生了1%的二氧化碳。

世界上最大的氨生產企業雅苒國際公司正朝著綠色環保的方向邁出第一步，它的一座實驗工廠將于2019年投產，這個新的工廠不再依靠天然氣制造氫氣，而是將一個2.5兆瓦的太陽能陣列產生的電力輸送到一個電解液庫中，將水分解成氫氣和氧氣。雖然該設施仍將依賴于合成氨法的反應，將氫與氮結合起來制造氨。但是整個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，進口氨的分銷渠道和使用氨的技術也會越來越多。到那時，像MacFarlane這樣的燃料電池就可以取代合成氨法本身了，而半綠色的氨生產方式可能會變成全綠色。

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。正如在電池充電時那樣，帶電離子在兩個電極之間流動。

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。質子通過電解液和質子滲透膜進入陰極，而電子則通過導線開始了旅程。在陰極中，催化劑分裂氮氣分子并促使氫離子和電子與氮發生反應，從而生成氨。

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

不過，MacFarlane已經找到了一種通過改變電解液提高效率的方法。在水基電解質中，水分子有時會在陰極處與電子發生反應，偷走電子，如果不出現這種情況，就會產生氨。“我們一直在努力讓電子進入氫當中。”他說。

為了減少這種情況，MacFarlane選擇了離子液體電解質。這種方法允許更多的氮和更少的水在陰極的催化劑附近，從而提高氨的產量。該團隊去年在《能源與環境科學》雜志上發文指出，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，質子必須緩慢地進入陰極，從而減慢了氨的生產速度。這讓MacFarlane頭疼不已。

為了加快速度，MacFarlane等人正在調整他們的離子液體。在今年4月發表在《美國化學會能源快報》的一項研究中，他們報告稱設計出了一種富含氟的物質，可以幫助質子更容易地通過，從而使氨的生產速度提高10倍。但是，在他的電池能夠達到美國能源部設定的指標前，其生產速率仍然需要增加一個數量級。

澳大利亞聯邦科學與工業研究組織的Sarb Giddey和同事，正在用他們的“膜反應器”制造氨。“它依賴于高溫和適度的壓力——遠低于合成氨法反應堆，與MacFarlane的電池相比，它能提高吞吐量，但同時也犧牲了效率。”

反應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管壁的原子晶格進入空心內核，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部表面，分解氮分子，誘使氫原子和氮原子結合成氨。

但這些方法能否變得高效和快速仍然未知。美國阿肯色大學化學工程師Lauren Greenlee指出：“業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目負責人Grigorii Soloveichik也同意這一觀點：“制造綠色氨并不難，但在經濟上進行大規模生產是困難的。”

不過，日本經濟產業省最近發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，日本每年可能會進口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濟上走到一起的。但似乎人們有足夠的興趣讓這個行業開始起步。”

但Cooper知道他想要怎樣結束。在悉尼一個下雨的早晨，他在喝咖啡時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，但它們的內部不會被石油填滿。

海底的電力線將把可再生電力輸送到岸上的風力和太陽能發電廠。在船上，一種設備將利用電力淡化海水，并將淡水輸送到電解液中以產生氫氣。另一種裝置可以從天空中過濾氮氣。反向燃料電池會將兩者結合成氨，再裝入油輪——這是來自太陽、空氣和海洋的巨額饋贈。(唐一塵編譯)