为什么航运业在氨上押注巨大

氨有很多可取之处。这无色的燃料燃烧时不排放二氧化碳。它丰富而常见，可以使用可再生的电力、水和空气来生产。燃料电池和内燃机都可以使用它。与氢不同，它不需要储存在高压罐或低温杜瓦瓶中。它的能量密度是锂离子电池的10倍。

由于所有这些原因，氨(NH_3.)正受到全球航运业的青睐数万亿美元的机器需要更清洁的燃料来为货船和油轮提供动力，这些货船和油轮在大洋上运输制成品和散装材料。航运公司寻求对气候更友好的石油替代品，既能推动他们的巨型船只在海上航行数天或数周，又能在船上为货物留出空间。

根据联合国环境规划署的数据，海运贡献了每年近3%的二氧化碳排放量国际海事组织国际海事组织(IMO)是管理该行业的联合国机构。2018年，代表们同意到2050年将排放量从2008年的水平减少50%。会议这一目标将需要迅速和广泛地开发柴油燃料替代品，以及货轮、油轮和集装箱船的新设计。

船东和行业分析师表示，他们预计氨将在货船脱碳方面发挥关键作用。但有一个至关重要的警告:目前任何大小的船只都没有配备使用这种燃料的设备。即使有，使用碳中和方法生产的可再生或“绿色”氨的供应实际上是不存在的。大多数氨是高碳密集型过程的产物，主要用于制造化肥和化学品。

不过，最近有几个项目旨在改变这种状况。芬兰的瓦锡兰计划开始测试氨在挪威斯托德的船用内燃机上。德国曼恩能源解决方案公司和韩国造船企业三星重工参与了该项目第一艘氨燃料油轮到2024年。

“海盗能源”号补给船正在改装2兆瓦氨燃料电池系统。氨的能量密度只有传统燃料的一半，所以储存在船上需要更多的空间。照片:Eidesvik

同样，到2024年维京能源即将成为第一艘船由氨燃料电池驱动。挪威能源公司Equinor(前挪威国家石油公司)租用了这艘海上供应船，目前使用液化天然气。化工巨头雅拉公司将提供绿色氨，该公司计划在一家工厂生产挪威南部的工厂．

该倡议“将为零排放航运开辟一个全新的选择，”他说亨瑞特Undrum他是Equinor负责可再生能源和低碳技术的副总裁。“我们不仅仅是在为一艘船解决一个小问题。这是大局的一部分。这将是建立零碳燃料市场的一个起点。”

不过，业内专家表示，改造全球航运船队的成本将异常高昂。研究人员估计，要实现国际海事组织的减排目标，将需要高达1.4万亿美元。而完全消除排放将需要额外的5000亿美元2020年1月研究一个海事专家小组。

为了达到这一目标，人们正在考虑使用一些气候友好型技术，包括燃料电池、氢存储系统和大型电池组。旋转金属圆筒，拖风筝，还有其他推进方式已经通过利用风能来帮助控制柴油的消耗。但氨气可能会在远洋船只中占据主导地位，这些船只需要航行数天或数周才能加油，并依赖于全球共同的基础设施。对于这样的船只，“氨是我们能找到的成本最低的零排放燃料，”他说特里斯坦史密斯伦敦大学学院能源研究所(University College London’s Energy Institute)的研究人员对30多种不同的航运燃料进行了评估。

史密斯预测，绿色氨将大量生产，并将在未来十年开始在船舶上使用。其他研究人员也做出了类似的预测。根据2019年9月报告根据国际咨询公司DNV的预测，到本世纪中叶，氨将占海上燃料组合的25%，从2044年开始，几乎所有新建的船舶都将使用氨。

然而，要让以氨为燃料的航运成为现实，有几件事需要做好。在氨发动机和燃料电池的设计中，制造商和工程师必须克服关键的技术障碍和安全问题。港口运营商和燃料供应商必须建造庞大的“加油”基础设施，以便船只在停靠的任何地方都能装满氨罐。能源公司和政府将需要在太阳能、风能和其他可再生能源产能上进行大量投资，以生产足够数千艘船舶使用的绿色氨。在全球范围内，船舶消耗了估计的3亿吨每年的海洋燃料。考虑到氨的能量密度是柴油的一半，氨生产商将需要提供两倍的液态氨，船舶将需要容纳更大的储罐，这可能会占用货物空间。

但如果这些努力取得成功，这将标志着这种自二战以来基本上处于观望地位的交通燃料的戏剧性复兴。

柴油短缺的首次实际应用氨气作为燃料。1942年，德国占领的比利时正在努力寻找足够的柴油来运行其公共汽车，而客流量却在不断增加。工程师们考虑过使用压缩煤气，但这种燃料的低能量密度和笨拙的存储要求使其不切实际。

第二次世界大战期间柴油的短缺促使比利时的公共汽车使用氨气和煤气的混合燃料。图片来源:能源研究所

1943年4月，氨的卡萨(现在是瑞士化肥制造商Casale的一部分)推出了一种可以用氨气和煤气混合运行的内燃机。比利时大约有100辆公交车采用了这种技术该系统被称为Gazamo．但一旦供应恢复，巴士运营商又开始使用柴油。

在接下来的几十年里，氨发动机的研究时断时续，尽管氨供应量飙升。在20世纪30年代，全球氨的年产量约为30万吨。今天，世界生产大约1.5亿公吨每年的氨气。虽然氨是一种有价值的化学原料，但运输部门几乎没有动力使用它。石油的能量密度更高，生产起来更容易、更便宜。

“现在，随着人们关注碳中性燃料，这显然是一个不同的讨论。围绕着它的经济学是非常不同的。彼得Kirkeby曼恩能源解决方案公司。“每个人都想知道，‘我们什么时候能有氨气发动机?’”

柯克比在哥本哈根说了这番话。该公司在哥本哈根南部港口有一个大型海滨设施。MAN是大众汽车的子公司，为船舶和发电机开发多兆瓦柴油发动机。丹麦前哨基地设计了以甲醇、液化天然气、液态石油气和其他替代燃料为动力的船用发动机。柯克比说，由于可再生能源生产商正在寻找新的市场，同时航运公司也在寻找减排的解决方案，航运业最近推动氨气的发展。

氨是一种简单的分子，由三个氢原子和一个氮原子结合而成。今天，大多数工业氢气是使用一种称为蒸汽甲烷重整的能源密集型方法生产的，这种方法使天然气中的甲烷与蒸汽反应，释放出氢气、一氧化碳和少量二氧化碳。氮气主要是通过冷却空气将其分解成氮气、氧气、氩气和二氧化碳等组成气体而产生的。

为了制造氨，氢和氮在高温(约500°C)和高压(20 - 40兆帕斯卡)下与催化剂反应工业过程由德国化学家发明的Fritz Haber和Carl Bosch一个多世纪以前。大量储存:大量储存氨可以通过加压(25°C下约1mpa)或冷藏(至-33°C)液化。综上所述，Haber-Bosch工艺1.8%相当于5亿吨人为排放的全球二氧化碳₂每年的排放量。

如果氨要在减少海洋排放方面发挥作用，就必须以更清洁的方式制造燃料。例如，氢可以通过电解来制造，利用风能或太阳能等可再生能源的电力将水分解成氢和氧。可再生能源也可以用来从空气中分离氮气。

日本福岛可再生能源研究所的一个试验工厂利用太阳能每天生产多达50公斤的绿色氨。英国卢瑟福阿普尔顿实验室的一个演示系统(下)由风力涡轮机提供动力，每天可产生30公斤的绿色氨。上图:JGC Holdings Corp.;下:英国科学技术设施委员会

专家说，增加燃料供应和建设燃料分配基础设施是氨动力航运面临的最大挑战。现在只生产了少量的绿色氨。日本福岛可再生能源研究所的一个试验工厂使用太阳能和水电解来生产20至50公斤每天的绿色氨。在英国牛津郡的卢瑟福阿普尔顿实验室，一个演示系统是由现场风力涡轮机提供动力的30公斤绿氨的日常。[有关爱荷华州的一位农民如何利用太阳能生产绿色氨，请参阅"一位退休的喷气推进实验室工程师的旅程:从太空探测器到碳中性农业”。)

澳大利亚、智利和新西兰正在进行更大规模的行动。例如，在昆士兰，澳大利亚可再生能源机构最近的支持一个价值390万澳元(合300万美元)的可行性项目，用于建设一个年产2万吨氨的工厂，使用208千兆瓦时的电力。2015年，全球航运业使用了相当于305万吉瓦时的能源。用绿色氨替代总量的10%将需要约55万吉瓦时的可再生电力，据韩国船级社报道．

绿色氨随着规模逐渐扩大，航运业将不得不解决一些其他问题。最令人担忧的是氨的毒性。这种刺激性无色气体在浓缩时是致命的。2020年1月，近一次泄漏3000升伊利诺斯州液化氨肥的爆炸导致80多人因胸痛、眼睛刺激、咳嗽和严重头痛而住院。氨制造商和分销商必须严格遵守处理和安全准则，以最大限度地减少灾难的可能性。为了使用氨燃料，船舶将需要额外的安全设备，如紧急通风和气体吸收系统。

幸运的是，化学油轮(用于运输危险产品的大型船只)的操作人员已经有处理氨的经验。关于10%每年有一半的产量通过海运运输。这些氨油轮可能是第一批使用这种化学物质作为燃料的船只，就像今天的液化天然气运输船在航行时燃烧自己的一些货物一样。

然而，在机舱内使用氨水会带来新的风险。曼的发动机将可能包括双壁燃料管，以防止气体泄漏的内胆泄漏或破裂。机械通风系统将拦截任何泄漏的气体并警告船员。

氨对一些含铜和镍的合金以及一些塑料也有腐蚀性。这种燃料很难点燃，也不能很好地持续燃烧。工程师们可以通过将氨与液体先导燃料(如柴油)结合来解决点火问题，尽管这将增加飞船的碳足迹。或者他们可以将其与燃烧更好的液氢结合;这将需要增加氢罐或设备，根据需要将氢从氨中分离出来。

燃烧氨造成的空气污染是工程师们需要解决的另一个难题。当在高温下燃烧时，会产生氨二氧化氮，它会造成雾霾和酸雨，还会损害人们的呼吸系统。燃烧还会产生少量的一氧化二氮，这是一种比二氧化碳和甲烷更有效的温室气体。如有必要，造船商可以安装特殊设备，例如选择性催化还原设备，以避免此类后果。日本发动机公司和东京的国家海事研究所，评估这种装置安装在一台7.7千瓦、使用柴油-氨混合物的单缸发动机上。

消除有害排放的另一种选择是使用燃料电池而不是内燃机。简单地说，燃料电池在不燃烧燃料的情况下将化学能转化为电能，从而避免向空气中释放有害气体或颗粒。尽管现有的燃料电池还没有足够的船舶动力容量，但专家们相信，这些设备最终将能够提供比内燃机更高的效率和更低的排放。

关于24个项目成功地证明了燃料电池可以驱动更小的船只。其中很多都涉及到氢和氧在质子交换膜燃料电池中的电化学反应，这种电池在低温和低压下工作。但是氨并不是这些设备的合适燃料。NH_3.它比氢更难氧化，所以需要更高的温度来加速反应。

研究人员表示，更好的选择可能是使用固体陶瓷材料的固体氧化物燃料电池如氧化锆作为电解质。这些设备可以在大约1000°C的高温下工作。一个2兆瓦的系统正在安装在维京能源将于2024年开始测试。

与此同时，在法国，一艘新的游轮将展示50kw固体氧化物燃料电池系统2022年交付。造船商Chantiers de l' atlantic和瑞士邮轮公司MSC Cruises是这一倡议的先锋。合作伙伴表示，尽管燃料电池最初将使用液化天然气，但它也将兼容氨、甲醇和其他气体燃料。

在短期内，燃料电池预计只能在船舶上发挥补充作用，为辅助系统和导航设备供电。如果开发人员能够扩大这项技术的规模，以推动大型船舶，并降低制造成本，燃料电池最终可能提供最便宜的方式来操作氨船，他说卡洛劳茨的首席顾问大学海事咨询服务在我们接受采访时，他正在伦敦。他说，一艘大型集装箱船需要超过60兆瓦的燃料电池容量，而一艘小型散货船可能只需要2兆瓦。

其他实验系统旨在证明氨在海上的可行性。Kirkeby说，曼公司计划今年在哥本哈根开始对二冲程氨发动机进行全面测试。2019年，该公司与日本九州大学合作在小型燃烧装置上研究氨的燃烧和放热特性。另外,人正在开发在与上海商船设计研究院合作的项目中，为中型集装箱船设计了氨发动机。

“在技术方面，我们看到了氨的一些工作，”柯克比说。“但这是可行的。”

所有的预测和猜测围绕氨、燃料电池等，我们假设航运业将接受这种气候友好型的方法。批评人士说，国际海事组织(International Maritime Organization)的减排目标不够远大，目前还不清楚该组织最终将如何执行这些规定。罗奇说，监管机构需要迫使而不仅仅是鼓励企业消除温室气体排放。“有必要制定政策驱动的目标来实现航运业的脱碳。”

一个2020年5月调查美国航运局的一份报告抓住了当今模糊政策所带来的不确定性。近三分之二的船东和运营商表示，他们没有适当的脱碳战略。即便如此，近60%的受访者表示，从长远来看，他们认为氢和氨是最具吸引力的燃料选择，即使他们还没有使用它们的计划。

“我们认为，这种(差距)背后的主要原因是迄今为止缺乏监管框架，”他说与Mamalis他在休斯顿管理着美国航运局的可持续发展、燃料和技术项目。“许多业主、管理公司和运营商并不一定知道他们需要做什么才能制定脱碳战略。”

一个政策工具是为二氧化碳设定全球价格₂Raucci说。这将使使用化石燃料产品变得更加昂贵，使氨等替代燃料得以竞争。国际监管机构也可以制定标准，以质量来限制燃料的碳含量现有的限制关于燃料的硫含量。

曼恩能源解决方案、三星、Equinor和其他公司的新举措对于确定氨气在航运业中的潜力至关重要。鉴于船舶可以运行几十年，公司“需要确保他们投资的燃料有很好的机会长期使用，”劳奇说。“此时此刻，航运业需要做出一个非常复杂的选择。”

本文以“氨溶液”为题发表在2021年3月的印刷版上。