千年能源｜你没听说过的新能源——氨能源

如果真要寻求一艘“诺亚方舟”去承载“零碳社会”的千年梦想，神奇的“氨”就是这样的一种奇妙物质。氨是除氢以外最宜生产的可再生燃料，具有极其重要的战略资源价值。氨可由水中的氢和空气中的氮合成，并在氨燃料电池或氨内燃机或氧化燃烧时还原为水和空气。在目前普遍采用的工业化合成氨生产中，所需的氮可自空气中直接获得。而氢的来源则为天然气、煤炭、石油、生物质及水。随着未来天然气的供不应求，氢的来源势必渐以煤、生物质和水为主，并最终依赖生物质与水。制氨所需的能源也势必从目前的化石能源（包括石油、天然气、煤炭等）及物理能（包括光、水力、风力、温差、核变等）最终走向只依赖物理能（特别是自然能），必然走向风光核分布式制氨的光辉道路。

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当前全球已跨入“气体能源时代”，其“主动脉”当推“含碳的氢能源”——天然气即甲烷(CH4)，而其“主静脉”唯有“含氢无碳能源”——氨（NH3）可以胜任。2012年全球氨产能2.5亿吨，可以预计的未来，全球社会正在酝酿一场规模宏大的“（10亿吨—100亿吨）氨能源工业与蓝色经济产业化新风暴”。

合成氨物质在1774年就已被发现，其分子式1784年被正式确定下来，其后其分解实验不断取得突破。而氨的分解与合成，起始于十九世纪中期。“石油危机”、“能源危机”以及日益夺目的全球气候变化与环境危机问题，氨作为环境友好化学物质，不但能做为卓越的天然制冷剂与中低温余热回收发电工质，特别是又能治理“灰霾大气”、脱硫脱销、汽车尾气治理、燃料电池等战略行业大显身手，故又开始被重新关注，逐渐成为全球能源工业的“新宠儿”。迄今为止，人类对氨的认识已有240年，跨越了四个世纪，合成氨产业化成功之果（1913年9月投产）距今刚好整整100年。由于全球能源新政，特别是核能、可再生能源与智能电网循环经济的独特需求，全球社会正在酝酿一场规模宏大的“氨能源新风暴”。

氨具备常用燃料所须的各大特点：廉价、易得、易挥发、便储存，低污染，高燃烧值，高辛烷值，操作相对安全，可与一般材料兼容等。在作为燃料的普及应用上，氨较氢的最大优越性在于其能量密度大（同体积含能量液氨是液氢的1．5倍以上）、易液化（常压下负33摄氏度或常温下9个大气压均可使氨液化而氢在负240摄氏度以上则无法液化）、易储运（普通液化气钢瓶即可储氨而储氢则需特殊材料）。

液氨的比重与汽油相近。氨每千克5090大卡，汽油每千克10296大卡，虽其燃烧值仅约为汽油的一半，然而氨的辛烷值却远高于汽油，因而可大大增加内燃机压缩比以提高输出功率。氨内燃机的热效率可达50％甚至近60％，是通常汽油内燃机的两倍以上，因此也就足以在多种用途中成为可取代汽油的燃料。不仅如此，以液氨为燃料的车辆可得到几乎免费的空调——液氨在气化时能大量吸热。从车船用优质燃料角度，每吨液氨的价格只有2500元，但却能完全足以替代每吨10000元的成品汽油。在智能电网中，氨的再生与其高效内燃机发电循环，与天然气的多级热电联产，可以成为一个联合体，实现60%到80%的发电效率与高达90%的热效率，并可望实现COP高达5到10倍能效的建筑体新型供能方式。

发展氨经济的合理性，可从多方面考证。最为突出的是：氨因其用量大及用途广，在生产、储运、供给等各方面都已成体系，因而具有推广应用的良好基础。

合成氨产业化100年来，其技术创新的前进步伐，一直是全球工业装备技术水平的节能减排关键指针与风向标。最近几年，国内外科学家相继找到了一种廉价的合成氨技术，有望让液氨进入绿色新能源的大家庭。科学家预测，氨能甚至有望取代氢能与天然气，成为重要的新一代绿色新能源。相比较于天然气，氨作为“零碳能源”的角色独显。从肥料到炸药（硝酸钠），再到制冷剂以及划时代的氨燃料电池“高效分布式新型电气化清洁能源”，能源“氨”正以新的面貌从“城市灰霾大气”中一路走来，其“帅大姐”俊朗的面部轮廓也越来越清晰。在将来，液氨可能作为一种交通工具的燃料而被广泛使用。各地可能出现不少液氨燃料站。液氨不但将成为汽车和轮船的燃料，还可以成为航空航天的重要燃料。对航空航天领域来说，液氨的安全性将成为它被选作燃料的一个特别重要的因素。

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目前，我国氨主要分农业（尿素与碳铵75%，硝铵与氯化铵15%）、工业（10%）、储能(新增用途）三大用途。据中国氮肥协会统计，到2012年底，我国合成氨产能为6730万吨（占全球产能的三分之一），产量将达到5750万吨。而2013年国内还将有13个新建合成氨和尿素项目计划投产，合计新增合成氨产能436万吨（氨产能7166万吨估计年消耗近亿吨标煤）、尿素产能686万吨。目前尿素产能过剩约1800万吨，合成氨行业节能减排的严峻形势由此可见。目前，国内合成氨行业的能耗构成中，煤76%（无烟块煤65%），天然气22%（吨氨耗天然气800标方/37.7GJ/耗电50度），其他2%。

“氨经济”无碳清洁能源的提法，不仅切实可行，且对中国有着尤其重要的意义。到2012年底，氨（NH3），原名阿摩尼亚，是当今世界上产量最大的单一化工产品（2.5亿吨），已经超过了硫酸产量（2亿吨）。氨在工农业界的用途广泛，目前最大的用量在于农肥，占八九成左右。基于这一产品的极端重要，“氨经济”在世界上已经存在了100年。

氨的用量之大及输送之便，使之能适合在能源易得的地区大规模生产，以提高能源利用率和产业经济效益。而其所需原料之易得，及其生产工艺和设备的相对简单，使之又适宜在交通运输不便的地区或情况下实现小型化、移动化的生产。早在上世纪60年代，由美国军方资助的一项研究即已证明：以小型核反应堆为能源就地生产液氨，是解决野战机动部队燃料问题的最有效的方法。

普及氨燃料的合理性，又在于它的另一个不容低估的优越性：对自然、环境的保护。氨燃料的生产和利用，不仅可实现零污染，更无需占用耕地或减少永久性植被，且能帮助减少大气中已存在的“温室效应气体”。这是可再生醇类碳氢化合燃料所办不到的。再者，氨在消除内燃机氧化氮类（NOx）“光雾气体”的排放中所起的关键作用，也是难以替代的。在经济上，液氨的每单位能量价格，已在世界多数国家和地区低于或相当于汽油。由于氨是一种便于以其他各类能源（及空气或水）来合成的燃料，在长期走势上，其价格将与各种现有能源的最低价格大致吻合。因此，使用氨燃料可避免由某一特定能源的供求失衡而引起的价格冲击，并在逐步走向依赖物理能的过程中始终保持其经济性。

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从长期、宏观的角度看，发展氨经济、普及氨燃料，将使化工、机械、汽车、运输等各行业都得到前所未有的发展机会；使农业得益于合燃、肥、电、安“四位一体”带来的经济和便利；使自然、环境得到保护和修复，以避免由自然环境的毁坏而可能引起的无法估量的经济损失甚至灾难。

以氨燃料更替石油类燃料的过程，即使立刻以全力展开，也必经数十年或百余年方可能渐成规模。为适应此转变过程，在氨燃料供应网点和充分发挥氨燃料优点的氨燃料电池储能电站、氨内燃机车或氨燃料电池（车船）得到普及之前，氨、油气（或其它碳氢类）双燃料甚至多燃料机车以及氨电混动汽车可能成为人们的选择。来自美国密歇根大学机械系一个研究组的最新报告表明，现有的汽车可相当简易地改装为氨、汽油双燃料车而无需更换现有的引擎。

虽然也有危险总比汽油安全：诚然，氨在特定条件下（如在密闭空间中大量释放）可造成危及生命的事故。但储运、操作中恶性事故发生率的统计数字表明，氨比汽油和液化天然气都安全得多。人体自然产生并排泄氨，人类生来就和氨朝夕相处。人的嗅觉对氨有极高的灵敏度，可检测仅为危险水平5％以下的浓度。更何况，新技术的研发和实施，必能使氨燃料的运用更为安全可靠。因此，因氨有可能使人窒息而拒之不用，无异于因噎废食。

抓住氨经济契机畅行可持续发展：人类社会的发展与可利用能源的获取直接相关。尤其是进入工业化时代以来，任何一个世界经济大国的主导地位的确立，无不以新能源的开发和利用为契机。以此观之，氨燃料的采用和氨经济的发展，是否能给正在向世界经济主导地位迈进的中国提供一个可贵的契机，实为值得深省的问题。中国的可耕地相对稀少。这使在中国发展基于植物质的醇类等燃料终受局限。期待氢燃料所面临的难题得以及时解决，将有难以预料的风险。因此，尽早地着力发展氨燃料，应为中国发展可再生燃料的首选。

以新一代可再生、环境友好的氨燃料，取代传统燃料势在必行。但世界上的多数国家并无能力引领这一更替。在汽车已经普及的国家，这一更替将是一个耗费、困难甚至痛苦的过程。发达国家的政府多因其任期短所造成的急功近利的特性及其与石油等既得利益财团的瓜葛，无意亦无力主动地引领这一长期的历史性的转变。

中国对燃料与动力的需求日增，对通信与IT的需求也与日俱增。中国信息与移动通信产业迅猛发展，加上7.5亿互联网个人用户，年需求供电保障电量高达3000亿度电（2012年），未来更将高达5000亿度电。对于数据中心与3G/4G移动基站的保障电源，氨燃料电池具有广阔的市场需求，这一点完全类似于“一战期间”对军用炸药的迫切需求。中国的汽车市场和产业尚处于发展的初始阶段，而其潜力之大、发展趋势之猛，已举足轻重于世界。2012年汽车产能高达2000万辆，机动车保有量超过2亿辆，到2020年汽车保有量将超过3亿辆，需要进口6亿吨原油。中国城市园林绿化方面的修剪与维护需要5000万吨汽油，基础设施与建筑业工地以及各地“拉闸限电”催生柴油发电每年需求7000万吨柴油，相当于每年又需要再增加进口2亿吨原油。

如果向美国体制学习，中国将实现汽车保有量10亿辆，打七折也有7亿辆，按照每车每年1.5吨汽油计，每年需要10亿吨汽油。考虑到10人口的城镇化运输体系以及“世界工厂”的全球运输，还需要10亿吨柴油。全世界都不可能再额外提供如此之多的石油资源。10亿吨氨，至少可以替代15亿吨汽油。中国现有世界上最具经济活力的体制、最有利的发展氨燃料的条件及最大的、崛起中的氨燃料电池储能电站与车船市场，可谓“天时、地利、人和”三者兼备！中国应充分利用这一几近完美的优势，及时带领全球新一代无碳能源燃料的启用和推广，以利国，利民，利天下。

中国的绝大多数人口仍在农村，新农村建设正“如火如荼”。农业机械化、农用汽车化正在兴起之中，估计到2020年将增长2倍，未来两者需求还将持续增长四五倍。2005年农业机械总容量为7亿千瓦（其中柴油动力为5.4亿千瓦/全年消耗柴油3500万吨），其中拖拉机2亿千瓦，收获机械0.8亿千瓦，排灌机械1.2亿千瓦，运输机械1.6亿千瓦。1.3亿公顷土地，单位农机每公顷只有3.37千瓦，年消耗柴油3500万吨。而类似地形气候国情的韩国与意大利则高达5到7千瓦。保守估计，全国农机与农汽行业2020年预计将消耗7000万吨柴油，消耗汽油5000万吨，相当于每年需要再增加进口2亿吨原油。与此同时，绝大多数氨的用途及供给网络目前也在农村。农民是对氨的使用最有实际经验的群体。中国的涉农企业又最具适应和占领新市场的能力。氨燃料的推广自中国农村始，正可以星火燎原，从农村发展到城市，最终普及整个氨蓝色经济大市场，并由此带动一系列相关的新兴产业从中国走向世界。

5亿吨风光核分布式制氨能源工业蓝色经济循环产业链，按照1:7的产业链，将推动二三万亿美元的绿色GDP的快速增长。如其中50%用于氨燃料电池储能电站，2.5亿吨氨理论上可以发电9000亿度电，实际上可以发电6000亿度，作为各地通信行业与IT行业其风光互补微电网的补充能源而发挥作用，每年可以实现超过1万亿元的能源收益。2亿吨氨动力燃料作为农机、农用汽车的车用燃料，可以替代2亿吨柴油或者3亿吨汽油。

氨能源与其基础设施体系，主要是为了回收地球的自然能（如风能），或者转化地球上的物理能（如核能），或者高效回收利用人类能源开发网络中的富余资源（包括化石能源），以及为智能电网等智慧能源开发方式提供战略储能手段与“移峰填谷”手段，等等，形成地球人类经济活动的“主静脉”能源体系。氨能源，根据氨的氢源或棕或绿的制取能耗高低，以及是否需要制氢，可分为“氨棕能源”（ABRE)——采用煤、天然气或重油制取氢、“氨绿能源”(AGRE)——采用电力制取氢、以及“氨蓝能源”(ABLE)——无需制取氢源。

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譬如说，在中国大陆地区三五十亿千瓦的“坚强智能电网”战略格局中，天然气将主要作为调峰调频机组的初级能源以“主动脉”的面貌出现，而能源“氨”将作为第三次、第四次能源得以存在，将回收利用智能电网中的“窝电、弃风、弃水、低谷电”等三五万亿度电此类多余电能资源（占全年发电总量的三分之一到五分之二不等），作为国家安全战略资源（粮食安全、食品安全、大气安全、气候安全、环境安全、油气保障与能源安全、电力安全、通信电力安全与信息安全、核安全、国防安全）而发挥独特的作用，并在区域化的智能电网与智慧能源格局中发挥储能电站与区域能源中心的核心作用。

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