Наш старый сайт

Помощник водорода. Станет ли аммиак главным "зеленым" топливом

Помощник водорода. Станет ли аммиак главным "зеленым" топливом

№33 (1226) от 17.08.202120.08.2021

Использование водорода в форме аммиака

О водороде сегодня много говорят, как о самом переспективном топливе ближайшего будущего. Однако этот газ, мягко говоря, не очень удобен в обращении. Но решить сразу множество проблем возможно, если использовать водород в форме всем хорошо знакомого аммиака.

Мировой переход к экологически чистым источникам энергии — это еще и постоянный поиск новых энергоносителей, которые могут заменить быстро "выходящие из моды" бензин, уголь и газ. Электричество само по себе, конечно, быстро усиливает свои позиции — достаточно взглянуть на бурный рост рынка электромобилей. Однако литиевые (или любые другие известные сегодня) батареи просто не в состоянии обеспечить достаточно энергии для полного перехода тяжелых отраслей промышленности на чистые и устойчивые источники энергии.

Так что многие из "тяжелых" отраслей, включая судоходство, сейчас находятся в поиске альтернатив, которые могут помочь обеспечить устойчивое будущее. Одним из таких альтернативных энергоносителей, который потенциально может обеспечить огромное количество энергии для промышленности, может быть… аммиак.

Водородная энергетика и ее проблемы

Сейчас развитые страны дружно делают ставку на водородную энергетику. Год назад, 8 июля 2020 г., Евросоюз утвердил стратегию развития водородной энергетики до 2050 г. Ради уменьшения выбросов СО2 в стратегии приоритет отдается выработке водорода методом электролиза воды при помощи солнечной и ветровой электроэнергии. С 2020 по 2024 гг. запланировано ввести в действие электролизеры для получения водорода общей мощностью 6 ГВт, что даст европейцам 1 млн т водорода ежегодно. К 2030 г. мощности электролизеров будут увеличены до 40 ГВт и производство водорода будет увеличено до 10 млн т в год. При этом к 2050 г. намечено снизить себестоимость производства водорода из возобновляемых источников энергии до $1 за кг.

Водород был выбран экспертами Еврокомиссии, как самый распространенный в природе элемент; теплота сгорания водорода наиболее высокая, а продукт сгорания — вода, что решает одновременно и экологическую проблему. Использовать работающие на водороде двигатели можно повсюду, где сегодня используются двигатели внутреннего сгорания на углеводородном топливе.

Дальше всех продвинулась в плане использования водородного транспорта Германия. Там уже работает полторы сотни водородных заправок, активно развивается вся инфраструктура для транспортных средств, использующих водородные технологии. К 2025 г. ожидается уже 400 водородных заправочных станций.

Всего же в рамках Национальной программы инноваций Германии в области технологий водородных и топливных элементов (NIP 2) выделено EUR250 млн на исследования, разработки, инновации и меры по активизации рынка водорода. Новая программа ФРГ по финансированию рынка водородной техники будет стимулировать появление не только автомобилей на водородных элементах, но и такого же общественного транспорта, а также поездов и судов с водородными элементами. И сейчас подобные программы готовят многие страны. ЕС в целом, вероятнее всего, примет именно немецкую модель перехода на водородный транспорт в качестве базового сценария.

Но у водородной энергетики есть одна большая проблема — это сам водород. Химический элемент с самым маленьким атомом (и, соответственно, маленькой молекулой), он крайне летуч, просачивается даже там, где не просочится обычный воздух или природный газ. Соответственно, его сложно транспортировать — металлические трубы не подходят для транспортировки водорода из-за высокой летучести H2, да и потери в насосах — огромные. Перевозить водород в сжиженном состоянии тоже крайне сложно. Сравните: температура сжиженного природного газа — минус 160 °C, сжиженного водорода -— минус 253 °C, а абсолютному нулю соответствует температура минус 273.15°C.

Один из вариантов решения проблемы — транспортировка и использование не чистого водорода, а аммиака, который представляет собой соединение азота и водорода с химической формулой NH3.

Еще один кандидат

Эксперты издания Chemical & Engineering News называют аммиак топливом будущего, которое может стать "идеальным товаром для водородной энергетики". Это технология, которая без лишнего шума и пафоса развивается уже сейчас. Здесь нет прорывных и сногсшибательных технологических решений, здесь уже давно известные и отработанные технологии — просто на них теперь смотрят немного под другим углом.

Аммиак имеет в 9 раз большую плотность энергии, чем литий-ионные батареи; кроме того, аммиак почти на 80% энергетически плотнее жидкого водорода. А главное, в отличие от подавляющего большинства других видов топлива, его сжигание не сопровождается выбросом в атмосферу углекислого газа.

Аммиак не так легко воспламеняется, его легче транспортировать, и он более экономичен, чем многие другие виды топлива. Сжиженный аммиак можно хранить и транспортировать при 33°C, по сравнению с более сложными с точки зрения логистики -253о С, которые требуются для хранения водорода. Наконец, аммиак относится к числу важнейших продуктов химической промышленности, его ежегодное мировое производство превышает 180 млн т. То есть здесь промышленные технологии уже давно и хорошо отработаны.

Мировая аммиачная промышленность пока еще ориентирована в основном на производство удобрений и другие традиционные виды использования аммиака. Потенциал аммиака как альтернативного чистого энергоносителя еще только начинает раскрываться. Но уже сейчас целый ряд машиностроительных компаний по всему миру создают крупные и средние установки по производству аммиака для промышленности, энергообеспечения тяжелого оборудования, морского судоходства.

Сейчас наиболее очевидные направления применения аммиака в энергетике — его сжигание непосредственно на электростанциях и в двигателях судов. Мировые морские перевозки — это крупный и доступный рынок, который уже начал обращаться к аммиаку, чтобы удовлетворить свои потребности в энергии. Судовладельцы и отраслевые аналитики одинаково полагают, что аммиак может сыграть решающую роль в декарбонизации грузовых судов, что позволит к 2050 г. сократить выбросы на 50% по сравнению с уровнем 2008 г.

К тому же более 120 крупнейших портов в мире уже имеют оборудование по хранению и перекачке аммиака, так что они вполне способны и заправлять морские суда NH3.

В начале 2020 г. малайзийская судоходная компания MISC, Samsung Heavy Industries (SHI), Lloyd’s Register и MAN Energy Solutions объявили, что начали совместную работу над созданием танкера, использующего в качестве топлива аммиак. Норвежская нефтяная компания Equinor в партнерстве с морской технологической компанией Eidesvik намерены к 2024 г. переоборудовать судно Viking Energy на работу на аммиаке.

Компания Nordic Innovation объявила, что финансирует ряд проектов для создания экологически чистого судового топлива, включая Nordic Green Ammonia Powered Ships (NoGaps). Партнеры Nordic Innovation в этих проектах - судоходная компания Lauritzen Kosan, а также Yara International. Цель исследований — создание работающего на аммиаке высокоэффективного судового двигателя.

Причем судовладельцев интересует использование аммиака в качестве топлива не только на грузовых судах. Круизная компания Color Fantasy, чьи лайнеры курсируют между норвежским Осло и немецким Килем, также собирается работать в этом направлении.

По некоторым оценкам, к середине XXI века аммиак может составлять 25% морского топливного баланса, при этом почти все вновь построенные корабли будут работать на аммиаке уже с 2044 г.

"Зеленый" аммиак

Понятно, что если аммиак в ближайшие годы станет использоваться как самостоятельное топливо и как своеобразный способ транспортировки водорода, он будет востребован в кратно больших объемах, чем производится сейчас. Но для "зеленого перехода" в энергетике имеет смысл производство аммиака только с использованием возобновляемых источников энергии. А это очень непросто.

В отличие от обычного аммиака, который чаще всего производится из природного газа, "зеленый" аммиак получают следующим образом: сначала требуется энергия солнца, ветра или воды для производства электроэнергии, на которой работает электролизер для извлечения водорода из воды. При этом азот получают отдельно из воздуха, используя установку для разделения воздуха.

Ведущие производители аммиака, уловив новый тренд, сейчас активно ищут способы использования возобновляемой энергии для получения аммиака. Одна из таких компаний, Haldor Topsoe, разработала систему электролиза на твердооксидном топливе. Эта система использует возобновляемую энергию и производит исходный газ для выработки аммиака без разделения воздуха, что позволяет существенно уменьшить капитальные затраты. Этой системе требуется на 10% меньше энергии, чем обычной установке для производства аммиака из природного газа. Это поможет решить проблему слишком высоких эксплуатационных расходов при работе аммиачных агрегатов с использованием возобновляемой энергии.

Следующая проблема — затратность и ограниченность источников возобновляемой энергии по сравнению с природным газом, которого много и который достаточно дешевый. При текущих ценах на газ в Европе получение тонны "зеленого" аммиака обойдется на 200-300% дороже, чем обычного. В дальнейшем удешевление возобновляемой энергии, предположительно, позволит уменьшить эту разницу до 50-150%. Рост расходов на углеродные выбросы в Европе также может этому поспособствовать.

Haldor Topsoe рассчитывает оснащать обычные аммиачные агрегаты, использующие природный газ, дополнительным оборудованием, которое позволит частично получать "зеленый" аммиак (сперва, например, 10%, а потом увеличить эту долю). Тогда не потребуется строить новый завод: производители могут использовать уже имеющиеся мощности, нужно будет лишь добавить новый электролизер.

Пример европейской компании, принявшей за основу такой подход, — это Yara International, которая пообещала уменьшить выбросы CO2 на 10% к 2025 г., а к 2050 г. выйти на экологически чистое производство. Компания планирует заменить сперва 10% своих мощностей по выпуску аммиака на юге Норвегии оборудованием для производства "зеленого" аммиака, а к 2050 г. — полностью выпускать аммиак на своем заводе в Порсгрунне по "зеленой" технологии.

Несколько компаний в Западной Европе и США разрабатывают инновационные способы, которые помогут буквально заново изобрести весь процесс производства аммиака. Некоторые из этих новых технологий обходятся без традиционного процесса Габера-Боша. Исландская компания Atmonia разрабатывает катализатор, который действует при атмосферном давлении и не нуждается в выделении водорода, поскольку задействует воду напрямую — тогда и выбросов CO2 не происходит. Кроме того, технология Atmonia позволяет без проблем останавливать производство и возобновлять его без особых затрат, а это одно из главных преимуществ, когда речь идет о возобновляемой энергии, получаемой при помощи солнца и ветра.

Сейчас компания строит прототип катализатора, который позволит производить жидкий аммиак для использования в качестве удобрения. Однако конечной целью компании является производство безводного аммиака.

Компания Starfire Energy в штате Колорадо (США) разрабатывает модульные системы для выпуска аммиака без углеродных выбросов. Компания также считает аммиак идеальным выбором в качестве средства хранения и использования возобновляемой энергии.

Starfire Energy отказалась от процесса Габера-Боша и создала систему, для работы которой не требуется высокое давление. Этот реактор подстраивается под уровень ветровой и солнечной энергии, обходясь без ископаемого топлива для получения аммиака. Компания начала с прототипа Rapid Ramp NH3 мощностью 3 кг/сут и теперь строит реактор мощностью 10 кг/сут. После этого Starfire Energy сможет перейти к созданию пилотной модульной системы мощностью 100 кг/сут. Мощность второго пилотного реактора заложена на уровне 1 т/сут, далее будет увеличена до 50 т/сут. На одной площадке можно будет устанавливать 10 реакторов, совокупная мощность которых будет достигать 500 т/сут.

Дурно пахнущий бизнес

По прогнозам отраслевых аналитиков Fior Markets, мировой рынок аммиака продолжит рост, и к 2025 г. достигнет объема стоимостью $81.42 млрд. Даже богатая нефтью Саудовская Аравия объявила о планах инвестировать $5 млрд в завод по производству аммиака, работающий на возобновляемых источниках энергии. Другой проект в этом регионе — совместное предприятие Омана и Индии по выработке "зеленого" аммиака, в которое инвестируют $2.5 млрд.

Сейчас в мире попросту нет крупных заводов, где бы производился "зеленый" аммиак. Но потребность в нем уже формируется, и уже стоит вопрос о строительстве подобных предприятий в странах с избытком солнечной, ветровой или водной энергии, а в идеале — с комбинацией как минимум двух этих источников энергии, чтобы уменьшить перебои в производстве и сократить издержки. Вдобавок этим предприятиям лучше находиться ближе к рынкам сбыта.

Здесь хорошие перспективы имеет Украина, как страна с большими возможностями в сфере возобновляемой энергии, а также с географической близостью к конечным потребителям в Европе.

Сейчас в Украине практически все производство аммиака связано с выпуском удобрений. Речь идет о таких предприятиях, как "Концерн Стирол" (находится на оккупированной территории Донбасса и в настоящее время остановлен), Одесский припортовый завод, Северодонецкое объединение "Азот", "Азот" (Черкассы), "Днепроазот" и "Ривнеазот". Там нет мощностей по выпуску "зеленого" аммиака, но есть компетенции, которые требуются для работы с этим веществом, скажем мягко, имеющим своеобразный запах. А еще в Украине сейчас непонятно, что делать с "зеленой" генерацией электроэнергии. Кажется, сейчас самый удачный момент для того, чтобы предложить европейцам инвестировать в производство "зеленого" аммиака в Украине. Если начнем сейчас, как раз успеем к началу роста спроса на это топливо.