东方时讯网氨是许多肥料的主要成分，作为运输和储存清洁氢气的便捷方式，可以在无碳燃料系统中发挥关键作用。这种化学物质由氢和氮(NH3)制成，本身也可以作为零碳燃料燃烧。然而，普林斯顿大学领导的新研究表明，尽管氨可能不是碳污染的来源，但如果不采取适当的工程预防措施，氨在能源领域的广泛使用可能会对氮循环和气候构成严重风险。
由12名研究人员组成的跨学科团队于11月6日在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的研究结果，他们发现精心设计的氨经济可以帮助世界实现脱碳目标并确保可持续的能源未来。该论文的标题是“最大限度地减少氨经济对氮循环和气候的影响”。
另一方面，管理不善的氨经济可能会增加一氧化二氮(N2O)的排放量，这是一种长效温室气体，其效力比CO2强约300倍，也是平流层臭氧层变薄的主要原因。它可能导致氮氧化物(NOx)的大量排放，这是一类导致烟雾和酸雨形成的污染物。它还可能将逸散性氨排放直接泄漏到环境中，形成空气污染物，影响水质，并通过扰乱全球氮循环来给生态系统带来压力。
幸运的是，研究人员发现，通过积极主动的工程实践，可以最大限度地减少氨经济的潜在负面影响。他们认为，现在是开始认真准备氨经济的时候了，在广泛部署氨燃料之前解决其潜在的症结所在。
“我们知道一定规模的氨经济即将到来，”研究负责人、土木与环境工程和高梅多斯环境研究所托马斯·J·吴教授阿米尔卡·波波拉托(AmilcarePorporato)说。“如果我们采取积极主动、面向未来的方法，氨经济可能是一件伟大的事情。但我们不能掉以轻心地承担氨的风险。我们不能马虎。”
将氨从农业转化为能源
随着人们对氢作为零碳燃料的兴趣与日俱增，一个不便的现实也随之增加：众所周知，氢很难长距离储存和运输。这种微小分子必须储存在低于-253摄氏度的温度或高达700倍大气压的压力下，这些条件不适合广泛运输并且容易泄漏。
另一方面，氨更容易液化、运输和储存，能够像丙烷罐一样移动。
此外，自20世纪初以来，已有一种将氢转化为氨的既定工艺。该反应被称为哈伯-博世过程，将大气中的氮气与氢气结合形成氨。虽然该工艺最初是作为一种将大气中的氮转化为氨用于肥料、清洁产品甚至炸药的经济有效的方法而开发的，但能源部门已将哈伯-博世工艺视为一种存储和运输氢燃料的方法以氨的形式。
氨合成本质上是能源密集型的，目前使用不捕获CO2的化石燃料来满足几乎所有的原料和能源需求。但正如研究人员在他们的文章中指出的那样，如果目前正在开发的新的电力驱动工艺能够取代传统的化石燃料氨合成工艺，那么哈伯-博世工艺——或者完全不同的工艺——可以被广泛使用将清洁的氢气转化为氨，氨本身可以作为零碳燃料燃烧。
HighMeadows环境研究所从事碳减排研究的博士后研究员MatteoBertagni表示：“氨是一种长距离运输氢气的简便方法，它在农业中的广泛使用意味着已经建立了生产和运输氨的基础设施。”倡议。“因此，你可以在资源丰富的地区制造氢气，将其转化为氨，然后将其运输到全球任何需要它的地方。”
氨的可运输性对于依赖长途运输(例如海运)的行业以及可再生资源可用空间有限的国家尤其有吸引力。例如，日本已经制定了国家能源战略，其中包括使用氨作为清洁燃料。简单的存储要求意味着氨也可以用作长期能量存储的容器，补充甚至替代电池。
“乍一看，氨似乎是解决脱碳问题的理想方法，”波波拉托说。“但几乎每种药物都有一系列潜在的副作用。”
“三思而后行”
理论上，燃烧氨应该只产生无害的氮气(N2)和水作为产物。但在实践中，机械与航空航天工程系副主任兼教授MichaelE.Mueller表示，氨燃烧会释放有害的NOx和N2O污染物。
氨燃烧产生的大部分N2O排放是燃烧过程中断的结果。“N2O本质上是燃烧过程中的一种中间物质，”Mueller说。“如果允许燃烧过程完成，那么基本上不会有N2O排放。”
然而Mueller表示，在某些条件下，例如当涡轮机升速或降速时，或者热燃烧气体撞击冷壁时，氨燃烧过程可能会受到干扰，并且N2O排放量会迅速累积。
例如，研究人员发现，如果氨燃料的市场渗透率相当于当前全球一次能源需求的5%左右(这将需要16亿吨氨产量，或当前产量水平的十倍)，并且如果1%氨中的氮以N2O的形式损失，那么氨燃烧产生的温室气体排放量相当于当今化石燃料排放量的15%。这种损失率的温室气体强度意味着燃烧氨燃料的污染比煤炭更严重。
与氨的N2O排放量一样，普林斯顿大学机械与航空航天工程名誉教授、高级学者罗伯特·索科洛(RobertSocolow)表示，氨在能源领域的广泛使用将进一步加剧化肥对环境造成的所有其他影响。全球氮循环。
在1999年发表的一篇开创性论文中，索科洛讨论了粮食系统广泛使用富氮肥料促进作物生长对环境的影响，并写道：“过量的固定氮以各种形式加剧了温室效应......污染了饮用水，酸化雨水……并对生态系统造成压力。”
索科洛表示，随着能源行业将氨作为燃料，它可以向农业使用氨作为肥料学习。他敦促能源部门的人士参考生态学家和农业科学家几十年来的工作，以了解过量的氮在扰乱自然系统中的作用。
索科洛说：“氨燃料可以实现，但不能以我们希望的任何方式实现。”他2004年与生态学和进化生物学名誉教授史蒂芬·帕卡拉(StephenPacala)合作发表的关于稳定楔子的论文已成为基础现代气候政策。“重要的是我们要三思而后行。”
可持续氨经济路线图
虽然氨经济出了问题对环境造成的后果很严重，但研究人员强调，他们发现的潜在障碍可以通过主动工程来解决。
“我将这篇论文视为工程师的手册，”穆勒说。“通过确定氨经济的最坏情况，我们真正确定了在开发、设计和优化新的氨能源系统时需要注意的事项。”
例如，Mueller表示，有替代燃烧策略可以帮助最大限度地减少不需要的NOx和N2O排放。虽然每种策略都有自己的优点和缺点，但他表示，现在花时间评估候选系统，着眼于减少排放，将确保燃烧系统能够以最佳方式运行氨燃料。
获取氨中能量的另一种选择是通过称为裂化的过程将氨部分或完全分解回氢气和大气中的氮气。艾米丽·卡特(EmilyA.Carter)正在积极开展的一系列研究，氨裂解可以帮助使燃料成分更有利于燃烧，甚至可以通过在使用时再生氢燃料来绕过氨燃烧的环境问题。
Carter是普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)能源与环境格哈德·R·安德林格(GerhardR.Andlinger)教授、应用材料和可持续发展科学高级战略顾问和副实验室主任。
此外，已经存在多种工业规模的技术，通过称为选择性催化还原的过程将燃烧中不需要的NOx排放物转化回N2。这些技术可以直接转移到氨燃料应用中。作为一个便利的好处，他们中的许多人依靠氨作为原料来去除氮氧化物——氨系统中已经存在大量氮氧化物。
波波拉托表示，除了可以开发的工程实践来最大限度地减少氨经济对环境的影响之外，未来的工作还将超越工程方法，以确定政策和监管策略，以确保氨燃料的最佳情况。
波波拉托说：“想象一下，如果我们在工业革命开始之前就知道燃烧化石燃料的风险和环境影响，我们本可以避免哪些问题。”“通过氨经济，我们有机会从过去的碳排放中吸取教训。我们有机会解决我们所发现的挑战，以免它们成为现实世界中的问题。”