能源行業(yè)專家Keith Lovegrove表示，可以將太陽能作為零碳液體燃料在全球各地儲(chǔ)存、灌裝并運(yùn)輸。

澳大利亞可再生能源機(jī)構(gòu)ARENA近日宣布為可再生能源產(chǎn)生的氫氣出口提供2000萬美元的資金。Lovegrove介紹了澳大利亞的太陽能燃料(SolarFuels)路線圖，并對(duì)太陽能和各種混合燃料進(jìn)行了比較。澳大利亞致力于采用新的清潔能源替代煤炭進(jìn)行出口，日本已經(jīng)成為澳大利亞能源出口的第三大出口國，并且正在氫經(jīng)濟(jì)進(jìn)行投資。

“日本是完全依賴能源進(jìn)口的全球主要的工業(yè)化國家。他們的能源未來將轉(zhuǎn)向氫經(jīng)濟(jì)。而澳大利亞是生產(chǎn)氫氣的理想之地。”Lovegrove說。

但他表示，實(shí)際包含更多氫原子的N和分子具有清潔氫氣經(jīng)濟(jì)的巨大潛力。氨氣(NH3)可以將1個(gè)氮原子與3個(gè)氫原子鍵合在一起。一公升液態(tài)氨中的氫氣量比一公升液態(tài)氫氣(H2)的氫氣量還要大。Lovegrove解釋說，“這是違反人們直覺的，但氨氣是一種將更多的氫包含在內(nèi)的氣體分子。”

也許未來應(yīng)用和發(fā)展的不是氫經(jīng)濟(jì)，而是專家所建議的“氨氣經(jīng)濟(jì)”。 氨氣(NH3)和氫氣一樣，沒有碳原子，而氨氣(NH3)可以生產(chǎn)出清潔理想的液體燃料，并且技術(shù)過渡更容易。

“我個(gè)人贊成使用氨氣(NH3)來輸送氫氣，”他說。 “當(dāng)運(yùn)輸?shù)竭_(dá)目的時(shí)，可以把它變成氫氣。或者甚至可以直接使用它，因?yàn)閷鹘y(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行一下改造，就可以直接燃燒氨氣(NH3)。”

氨氣(NH3)作為太陽能集中發(fā)電(CSP)的潛在儲(chǔ)能

Lovegrove曾參與IEA的SolarPACES任務(wù)II：太陽能化學(xué)研究，現(xiàn)在負(fù)責(zé)能源咨詢公司ITPower的太陽能熱能部門。他最近與加州大學(xué)洛杉磯分校的合作伙伴合作研究，其中包括撰寫的2017化學(xué)工程進(jìn)展論文，利用合成氨工業(yè)進(jìn)行太陽能儲(chǔ)存，研究如何將氨氣(NH3)作為太陽能集中發(fā)電(CSP)的新型儲(chǔ)能材料。

作為儲(chǔ)能物質(zhì)，氨氣(NH3)分解之后并且在熱化學(xué)儲(chǔ)能循環(huán)中重新結(jié)合。盡管化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在700°C左右，以儲(chǔ)存能量，并稍后釋放蒸汽，但氫氣和氨氣的混合物可以在常溫下運(yùn)送和儲(chǔ)存，并且僅在需要驅(qū)動(dòng)蒸汽循環(huán)時(shí)產(chǎn)生熱量，因此它可以長(zhǎng)期存放。

但是Lovegrove認(rèn)為氨氣(NH3)的儲(chǔ)能能力遠(yuǎn)不止此。

在人口稠密的地區(qū)，很難安裝部署公用事業(yè)規(guī)模的太陽能集中發(fā)電(CSP)設(shè)施，它可以在無風(fēng)的沙漠中部署，并且其附近還需要使用電力的人群，這種要求通常很難實(shí)現(xiàn)。但是可以將太陽能產(chǎn)生的電力生產(chǎn)氨氣，可以將存儲(chǔ)在液態(tài)燃料中的太陽能“瓶裝”起來，這種液體燃料可以在任何地方運(yùn)輸和使用，其市場(chǎng)應(yīng)用將大幅增長(zhǎng)。

太陽能發(fā)電可以在沙漠地區(qū)生產(chǎn)，通過管道將液化氨氣輸送到海岸，并運(yùn)往全球。由于海上運(yùn)輸液體燃料的效率極高，因此采用太陽能生產(chǎn)的氨氣將增加世界各地太陽能熱能的生產(chǎn)和出口。

“現(xiàn)在就像石油產(chǎn)品貿(mào)易一樣，如果在中東地區(qū)采用油輪運(yùn)輸石油，運(yùn)輸期間將會(huì)消耗大量的能源，占到其有效載荷的2%。”他指出，“因此油輪運(yùn)輸效率高達(dá)98%。那么有趣的問題是否可以同樣運(yùn)輸氨氣(NH3)。”

氫氣(H2)和氨氣(NH3)都可以儲(chǔ)存和攜帶能量，但氨氣(NH3作為能源載體更為理想。“氨肥生產(chǎn)是全球最大的化工行業(yè)之一。世界各地都有生產(chǎn)工廠，而運(yùn)輸船每天都在全球各地運(yùn)輸，因此這是一種可以大力推廣的事情。”

由于氨氣(NH3)已經(jīng)被廣泛地生產(chǎn)和使用，并且具有完善的分配和處理程序，所以這將不是一個(gè)困難的技術(shù)過渡。當(dāng)氨氣(NH3)作為燃料燃燒時(shí)，它會(huì)簡(jiǎn)單地分解成氮?dú)夂退２⑷绻睔?NH3)泄漏到空氣中，很容易通過檢測(cè)。

液體燃料對(duì)全球氣候的重要性

液體燃料是脫碳最大的未開發(fā)資源。即使世界上的所有電力都采用100%可再生能源發(fā)電，電力部門的排放量?jī)H占全球排放量的20%。30年的努力并沒有使太陽能氫能經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)，主要是因?yàn)闅錃怆y以運(yùn)輸和儲(chǔ)存。研究人員正在越來越多地關(guān)注作為潛在載體的氨氣(NH3)的運(yùn)輸和儲(chǔ)存基礎(chǔ)設(shè)施。

通過氨氣(NH3)不僅可以儲(chǔ)存和運(yùn)輸可再生能源，還可以使用任何可再生能源為其生產(chǎn)提供電能。因?yàn)榘睔?NH3)只是氫氣和氮?dú)饨M合而成，所以它可以通過電解從水(H2O)和空氣(73%的N2)中化學(xué)分解。任何化學(xué)反應(yīng)基本上都是原子之間電子交換。而氫氣(H2)不會(huì)在自然界中發(fā)生，但可以從水(H2O)中分離出氫氣氣。而氨氣(NH3)的每個(gè)氮原子含有三個(gè)氫原子。

太陽能電解可以在商業(yè)中獲得

為了對(duì)這些分子進(jìn)行化學(xué)重組，現(xiàn)有的電解可以采用任何可再生能源產(chǎn)生的電力。“例如，企業(yè)可以購買一臺(tái)多兆瓦的電解槽。這是商業(yè)上可用的，可以安裝到太陽能發(fā)電場(chǎng)，可以立即實(shí)現(xiàn)。”Lovegrove說。

在可再生電力成本為每兆瓦時(shí)30美元或更低的地區(qū)，通過太陽能或風(fēng)能產(chǎn)生的電力電解水產(chǎn)生氫氣，并與天然氣合成氨氣，而天然氣合成氨每噸產(chǎn)生1.7噸二氧化碳，其成本為每噸200美元至600美元。

太陽能集中發(fā)電（CSP）可以將成本降低近一半

這將采用1909年發(fā)現(xiàn)的基于化石燃料的Haber-Bosch工藝。在從天然氣中分離出氫氣后，提純的氮?dú)夂蜌錃庠?00-400個(gè)大氣壓的壓力范圍內(nèi)被加熱到40℃0-650℃，而這也是排放二氧化碳的過程。基于化石燃料的氨氣制造業(yè)已經(jīng)排放了全球溫室氣體的1%，而只為是為了生產(chǎn)化肥。如果氨氣(NH3)要想成為能源載體，那么采用高效的太陽能是必不可少的。

但是在太陽能反應(yīng)器中可以提供800℃至1000℃以上的熱量。太陽能集中發(fā)電(CSP)更高效的電解水有望將太陽能電解產(chǎn)生的氫氣成本減半。

作為燃料的氨氣(NH3)在過去一個(gè)世紀(jì)以來很少受到人們關(guān)注，但隨著當(dāng)今在太陽能燃料研究方面的進(jìn)步，氨氣(NH3)有望作為一種液體燃料進(jìn)行推廣，并開啟太陽能交易的新紀(jì)元。