Олег Никифоров
Японская электростанция компании Hekinan работает на смеси угля и аммиака. Фото Reuters
По данным немецкого интернет-портала Germany Trade and Invest, японская промышленность пытается добиться различными способами реализации полной декарбонизации страны к 2050 году. Особое значение при этом уделяется использованию аммиака.
По данным шестого энергетического плана японского правительства к 2030 году, 1% энергопроизводства должен быть реализован за счет использования водорода и аммиака. Пока аммиак используется как связывающее вещество для хранения и транспорта водорода в трубопроводах и на судах. Транспорт энергии водорода в аммиачном виде в 20 раз дешевле транспортировки сжатого эквивалентного количества водорода.
Меньше опыта имеется в плане использования аммиака в качестве топлива. Чтобы исправить ситуацию, японское правительство предоставляет своим частным фирмам финансовую поддержку. С этой целью был создан специальный фонд NEDO (New energy and industrial technology development organization).
В 2021–2022 годах в Японии были проведены тесты применения в качестве топлива смеси аммиака с угольной пылью. Их проводила компания JERA. В текущем году компания намерена производить из такой смеси уже 20% электроэнергии. В перспективе предполагается, что аммиак может добавляться к углю в размере 20%. Этот метод компания использует на своей угольной электростанции Хекинан, расположенной в центральной части Японии. Планируется, что к 2028 году доля аммиака будет увеличена до 50%. Специалисты фирмы считают, что технологически такое переоборудование электростанции не представляет проблемы. Однако резко увеличится потребления аммиака. Так, для блока электростанции в 1 МВт при 20-процентной доле потребуется в год 500 тыс. т аммиака.
В рамках нового восьмилетнего проекта к марту 2029 года планируется повысить уровень сжигания аммиака как минимум до 50%. Исследованиями в этой области в Японии занимается государственный институт NEDO (New Energy and Indusyrial Trchnology). Сейчас через него финансируются пять проектов с целью получения данных об оптимальных объемах сжигания аммиака с различными видам другого топлива и получения наименее затратным способом зеленого аммиака.
Пока японцы главным образом используют так называемый голубой аммиак, который дешевле зеленого водорода и производится из природного газа. При этом применяется метод улавливания и связывания углерода. Но Япония не располагает собственными источниками природного газа и вынуждена его закупать, в том числе у России.
Участие Страны восходящего солнца в антироссийских санкциях активизирует поиск вариантов получения именно зеленого аммиака.
Немецкий подход
В Германии зеленый аммиак рассматривают в качестве климатически нейтрального энергоносителя.
В настоящее время 80% ежегодно производимого аммиака в объеме 170 млн т используется как основа для производства удобрений. 20% применяются как растворители для различных технических нужд. В следующие годы ожидается резкое возрастание использования аммиака как энергоносителя и транспортного средства. Эксперты группы компаний ThyssenKrupp полагают, что именно аммиак будет содействовать энергоповороту, провозглашенному нынешним правительством Германии.
Зеленый аммиак производится методом электролиза воды. При этом не выделяется никакой двуокиси углерода. Основной способ – синтез из азота и водорода, предложенный в 1908 году Фрицем Габером. Аммиак производится также из природного газа. Но при получении таким способом 1 т аммиака происходит выброс 2 т двуокиси углерода.
Компания DNA из входящей в группу ThyssenKrupp фирмы Uhde может производить в день на своих установках электролиза до 5 тыс. т зеленого аммиака в день. По оценке Тора Ломанна, исполнительного директора Uhde, если в прошлом все компании группы использовали природный газ в качестве энергоносителя, то сейчас происходит перестройка на зеленый аммиак. По его словам, ThyssenKrupp перестраивает свои производственные концепции, ориентируясь на тенденции, которые складываются на европейских рынках. Пока это единственная промышленная группа в Германии, которая предлагает потребителям зеленый водород.
Преимущество аммиака состоит в том, что его можно легко добыть методом электролиза и в случае потребности превратить в водород. Так, его можно транспортировать из Австралии в Японию и там непосредственно использовать в качестве энергоносителя или превращать в водород.
У аммиака по сравнению с водородом имеется ряд преимуществ. Это прежде всего более высокая плотность энергии, которая, как известно, представляет собой количество энергии на единицу объема. Кроме того, уже существует работающая транспортная инфраструктура для доставки аммиака. В то время как водородная транспортная инфраструктура еще только должна быть создана.
Климатические риски
Аммиак, основной компонент многих удобрений, может сыграть ключевую роль в безуглеродной топливной системе как удобный способ транспортировки и хранения водорода.
|
|
Аммиак является составной частью удобрений, на выпуск которых идет около 80% производимого вещества. Фото Reuters |
Междисциплинарная группа, состоящая из 12 исследователей, обнаружила, что хорошо спроектированная экономика аммиака может помочь миру достичь целей по декарбонизации и обеспечить устойчивое энергетическое будущее. С другой стороны, неправильное управление экономикой аммиака может привести к увеличению выбросов закиси азота (N₂O), долгоживущего парникового газа, примерно в 300 раз.
Закись азота представляет собой более мощный парниковый газ, чем CO₂, и вносит основной вклад в истончение стратосферного озонового слоя. В результате значительных выбросов оксидов азота (NOх) образуются смог и кислотные дожди. Использование аммиака в качестве топлива может вести к прямой утечке и выбросам аммиака в окружающую среду, что также приведет к образованию загрязнителей воздуха, ухудшит качество воды и создаст нагрузку на экосистемы, нарушив глобальный цикл азота.
Вместе с тем исследователи обнаружили, что потенциальное негативное воздействие можно свести к минимуму с помощью превентивных инженерных методов. Они утверждали, что сейчас самое время начать серьезную подготовку к экономике аммиака, устраняя потенциальные проблемы аммиачного топлива до его широкого внедрения.
«Мы знаем, что использование аммиака в тех или иных масштабах, вероятно, наступит», – сказал руководитель исследования Амилкаре Порпорато, профессор гражданской и экологической инженерии Принстонского университета. А Томас Ву из Института окружающей среды Хай-Медоуз Принстонского университета отметил: «Мы будем действовать активно и смотреть в будущее, экономика аммиака может стать отличным достижением. Но мы не можем позволить себе легкомысленно относиться к рискам, связанным с аммиаком. Мы не можем позволить себе быть небрежными».
Преимущества транспортировки
По мере роста интереса к водороду как к топливу с нулевым выбросом углерода становится все более очевидной и неудобная реальность: водород крайне сложно хранить и транспортировать на большие расстояния. Крошечную молекулу необходимо держать либо при температуре ниже –253 градусов по Цельсию, либо при давлении, превышающем атмосферное в 700 раз, – в условиях, которые невозможны для широкой транспортировки и чреваты утечками.
Более того, с начала ХХ века существует отработанный процесс синтеза аммиака из водорода и азота, известный как процесс Габера–Боша. Первоначально этот процесс был разработан как экономически эффективный способ превращения атмосферного азота в аммиак для использования в удобрениях, чистящих средствах и даже взрывчатых веществах, но энергетический сектор рассматривал процесс Габера–Боша как способ хранения и транспортировки водородного топлива в виде аммиака.
Синтез аммиака по своей сути является энергоемким, и ископаемое топливо без улавливания CO₂ в настоящее время используется для удовлетворения почти всех потребностей в сырье и энергии. Но, если новые процессы, основанные на электричестве, которые в настоящее время находятся в стадии разработки, смогут заменить традиционный синтез на основе ископаемого топлива, тогда процесс Габера–Боша – или вообще другой процесс – может широко использоваться для преобразования чистого водорода в аммиак. Последний, сам по себе, можно сжигать как топливо с нулевым выбросом углерода.
«Аммиак – это простой способ транспортировки водорода на большие расстояния, а его широкое использование в сельском хозяйстве означает, что уже существует развитая инфраструктура для производства и транспортировки аммиака», – сказал Маттео Бертаньи, научный сотрудник Института окружающей среды Хай-Медоуз Принстонского университета, работающий над сокращением выбросов углерода. По его словам, таким образом можно создавать водород в богатой ресурсами местности, превращать его в аммиак, а затем транспортировать куда угодно по всему земному шару.
Транспортабельность аммиака особенно привлекательна для отраслей, зависящих от транспортировки на большие расстояния, таких как морское судоходство, а также для стран с ограниченным пространством для возобновляемых ресурсов. Япония, например, уже имеет национальную энергетическую стратегию, которая включает использование аммиака в качестве чистого топлива. Простые требования к хранению означают, что аммиак также может найти применение в качестве сосуда для долгосрочного хранения энергии, дополняя или даже заменяя батареи.
«На первый взгляд аммиак кажется идеальным средством решения проблемы декарбонизации, но почти каждое лекарство имеет ряд потенциальных побочных эффектов», – сказал Порпорато.
Теоретически при сжигании аммиака в качестве продуктов должны образовываться только безвредный газообразный азот (N₂) и вода. Но Майкл Мюллер, доцент кафедры и профессор машиностроения и аэрокосмической техники в Принстонском университете, полагает, что на практике при сжигании могут выделяться вредные загрязняющие вещества NOx и N₂O.
Большая часть выбросов N₂O при сжигании аммиака является результатом нарушений процесса сгорания. «N₂O, по сути, представляет собой промежуточный продукт в процессе сгорания, – сказал Мюллер. – Если процессу сгорания позволить завершиться, то выбросов N₂O практически не будет». Тем не менее Мюллер считает, что при определенных условиях, например когда турбина ускоряется или замедляется или если горячие дымовые газы сталкиваются с холодными стенками, процесс сгорания может быть нарушен и выбросы N₂O могут быстро накапливаться.
Например, исследователи обнаружили, что если доля аммиачного топлива достигнет уровня, равного примерно 5% от текущего глобального спроса на первичные энергоносители – а это 1,6 млрд т аммиака, или в 10 раз больше текущего уровня производства, – и если 1% азота, содержащегося в этом аммиаке, теряется в виде N₂O, то сжигание аммиака может привести к выбросам парниковых газов, эквивалентным 15% сегодняшних выбросов от ископаемого топлива. Интенсивность выбросов парниковых газов при таком уровне потерь будет означать, что сжигание аммиачного топлива будет более загрязняющим, чем уголь.
Роберт Соколов, профессор машиностроения и аэрокосмической техники, почетный и старший научный сотрудник Принстонского университета, сказал, что, как и в случае с выбросами N₂O от аммиака, широкое использование аммиака в энергетическом секторе добавит ко всем другим воздействиям, которые удобрения уже оказали на окружающую среду, глобальный азотный цикл или биохимический цикл азота.
В основополагающей статье, которая была опубликована в 1999 году, Соколов обсуждал экологические последствия широкого использования в продовольственной системе удобрений, обогащенных азотом, для стимулирования роста сельскохозяйственных культур, написав, что «избыток связанного азота в различных формах усиливает парниковый эффект… загрязняет питьевую воду, подкисляет дожди… и подвергает экосистемы стрессу».
Поскольку энергетический сектор рассматривает аммиак в качестве топлива, Соколов сказал, что он может извлечь уроки из использования аммиака в сельском хозяйстве в качестве удобрения. Он призвал представителей энергетического сектора ознакомиться с десятилетиями работы экологов и ученых-агрологов, чтобы понять роль избытка азота в нарушении природных систем.
«Аммиачное топливо можно сделать, но это невозможно сделать так, как мы пожелаем», – сказал Соколов, чья статья 2004 года со Стивеном Пакалой, почетным профессором экологии и эволюционной биологии Принстонского университета, стала фундаментом современной климатической политики.
Варианты решений
Хотя экологические последствия неудачной экономики аммиака серьезны, исследователи подчеркивают, что потенциальные проблемы можно решить.
«Я интерпретирую эту статью как руководство для инженеров, – сказал Мюллер. – Определяя наихудший сценарий для экономики аммиака, мы действительно выясняем, о чем нам нужно знать при разработке, проектировании и оптимизации новых энергетических систем на основе аммиака».
Например, Мюллер заявил, что существуют альтернативные стратегии сжигания, которые могут помочь свести к минимуму нежелательные выбросы NOx и N₂O. Хотя у каждой стратегии есть свои плюсы и минусы, он сказал, что, потратив время сейчас на оценку возможных систем с целью снижения выбросов, можно гарантировать, что системы сгорания готовы оптимально работать на аммиачном топливе.
Другой вариант получения энергии аммиака включает частичное или полное расщепление аммиака обратно на водород и атмосферный азот посредством процесса, известного как крекинг. Крекинг аммиака, направление исследований, активно проводимое Эмили Картер, профессором Центра энергетики и окружающей среды Андлингера Принстонского университета, может помочь сделать топливную композицию более благоприятной для сгорания или даже обойти экологические проблемы, связанные со сжиганием аммиака, путем регенерации водородного топлива в месте его использования.
Кроме того, в промышленном масштабе уже существует несколько технологий для преобразования нежелательных выбросов NOx при сжигании обратно в N₂ посредством процесса, известного как селективное каталитическое восстановление. Эти технологии можно было бы легко перенести на применение топлива на основе аммиака. И в качестве удобного бонуса многие из них полагаются на аммиак в качестве сырья для удаления NOx – того, чего уже было бы много в системе на основе аммиака.
По словам Амилкаре Порпорато, помимо инженерных практик, которые можно было бы разработать для минимизации воздействия аммиачной экономики на окружающую среду, будущая работа будет выходить за рамки инженерных подходов и определять политику и стратегии регулирования, которые обеспечат наилучший сценарий для аммиачного топлива.
«Представьте себе проблемы, которых мы могли бы избежать, если бы знали о рисках и воздействии сжигания ископаемого топлива на окружающую среду до начала промышленной революции, – поясняет Порпорато. – Благодаря аммиачной экономике у нас есть возможность извлечь уроки из нашего прошлого, связанного с выбросами углекислого газа. У нас есть возможность решить проблемы, которые мы выявили, прежде чем они станут проблемой в реальном мире».
Ну а норвежцы, например, решили не ждать экологичных решений и готовятся построить первый в мире контейнеровоз, способный работать на одном только аммиаке, то есть без привлечения дизельного топлива.
