зеленый аммиак что такое
«Зеленый» аммиак облегчит жизнь фермеров
Ученые из Массачусетского технологического института (США) работают над созданием альтернативы процессу Хабера-Боша, используемого для выпуска аммиака в промышленных масштабах. В отличие от Хабера-Боша, новый, «зеленый» аммиак можно будет производить в удаленных областях, не обладающих развитой инфраструктурой. В основе проекта лежит идея объединения водорода и азота с использованием электрического тока и литиевого катализатора.
«Идеальной характеристикой нового метода выпуска аммиака будет его децентрализованность. Другими словами, вы сможете синтезировать аммиак там, где он нужен. И в идеале это позволит ликвидировать выбросы углекислого газа», — рассказал Картиш Мантирам (Karthish Manthiram), ассистент кафедры химической инженерии Массачусетского технологического института.
В то время как процесс Хабера-Боша использует высокие температуру и давление для реакции азота и водорода, команда Картиша Мантирама решила использовать электричество. Предыдущие опыты показали, что подача электрического напряжения может сместить баланс реакции к синтеза аммиака. При этом использовался литиевый катализатор для разрыва прочной тройной связи в молекулах газообразного азота. Результирующий продукт, нитрид лития, может реагировать с атомами водорода из органического растворителя для синтеза аммиака.
Проблема заключалась в том, что в качестве растворителя применялся дорогостоящий тетрагидрофуран. Для преодоления этого препятствия было решено использовать водород. Исследователи создали сетчатый электрод, покрытый литиевым катализатором, через который азот диффундирует с водородом. Полученная система оказалась достаточно компактной для размещения на лабораторном столе, а также модульной, что позволяет увеличивать масштаб производства.
Еще одной проблемой стало достижение энергоэффективности реактора, которая на текущий момент составляет всего 2% (по сравнению с 50-80% в процессе Хабера-Боша). Считается, что данную проблему можно будет решить с применением возобновляемых источников энергии, вроде солнечных батарей или ветряных электрогенераторов.
Исследовательский проект уже получил финансирование со стороны Национального научного фонда США и MIT Energy Initiative Seed Fund.
Зеленый аммиак может заменить хранение ископаемого топлива
Как лучше всего хранить энергию, от промышленных масштабов до электромобилей, заменяя широко распространенное использование ископаемого топлива? Чистый водород — это энергетически плотная альтернатива, но газ занимает много места. Жидкий аммиак этого не делает, но он содержит водород и, следовательно, энергию. Ян Уилкинсон из Siemens объясняет преимущества использования аммиака, NH3. Уже сейчас в мире производится 180 млн тонн в год, что составляет € 80 млрд. Это в основном для сельскохозяйственных удобрений, и его история производства насчитывает сто лет — процесс Хабера-Боша принес этим двум джентльменам Нобелевские премии. Так что производить его в масштабе — это само собой разумеющееся. Но аммиак сегодня получают из ископаемых видов топлива, как для производства энергии, так и для получения водорода. Уилкинсон описывает Siemens Green Ammonia Demonstrator, который производит чистый аммиак из зеленого водорода и азота, работающий от ветряной турбины. Аммиак является опасным химическим веществом, но существующие отраслевые стандарты должны обеспечивать его безопасную переработку, хранение и транспортировку. Он говорит, что следующим шагом является развертывание производства чистого аммиака в масштабе, чтобы узнать о реальных проблемах и расходах, с которыми он может столкнуться.
Глобальная энергетическая система переживает радикальный переход декарбонизации прямо через цепочку создания стоимости. Мир в целом, будь то политики, промышленность или потребители, преследует низкоуглеродистые решения для производства электроэнергии, мобильности, промышленного использования и тепла. Но как будет выглядеть будущая энергетическая система?
Когда вы рассматриваете текущую энергетическую систему, она работает очень хорошо во многих отношениях. Большая часть развитых стран мира имеет доступ к источникам энергии. Одним из недостатков являются выбросы углерода, связанные с потреблением ископаемого топлива, и сегодня основное внимание уделяется тому, как декарбонизировать цепь энергоснабжения. Одной из самых популярных стратегий является электрификация, которая имеет большой потенциал в некоторых областях, но сталкивается с рядом проблем.
Мир добился значительного прогресса в освоении возобновляемых источников энергии для производства электроэнергии – и выбросы углерода из этого сектора соответственно снизились, – но в таких странах, как Великобритания, производство электроэнергии составляет лишь около одной пятой от общего объема потребляемой энергии. Другим энергоемким секторам, таким как промышленность, транспорт и теплоэнергетика, еще предстоит добиться аналогичного прогресса в области декарбонизации.
Существующие химические хранилища: природный газ, бензин, дизельное топливо, керосин
Возьмем для примера электрификацию автомобилей. Сначала вам нужно произвести электричество, и если вы хотите, чтобы это было из возобновляемого источника энергии, оно потребует хранения, чтобы энергия была доступна даже тогда, когда солнце не светит или ветер не дует. Хотя в настоящее время энергетическая система имеет огромное количество встроенных в нее хранилищ, подавляющее большинство из них представляет собой углеводородное топливо, такое как природный газ, бензин, дизельное топливо или керосин – также называемые переносчиками химической энергии. Возможные энергетические системы, вероятно, потребуют химических энергетических векторов, поскольку они дают практическое средство для хранения и транспортировки энергии в больших объемах. Возможно, нам придется шире использовать их, если мы хотим получать энергию из возобновляемых, а не из ископаемых источников.
Объемная плотность энергии чистого водорода низкая
В таком случае, в идеале, ведется поиск вектора химической энергии, который не содержит углерода. Здесь водород является отличным вариантом, так как он имеет самую высокую плотность энергии по весу любого химического топлива. Проблема с водородом заключается в том, что его объемная плотность энергии низка: трудно получить много водорода в небольшом пространстве.
Например, топливные элементы электромобилей имеют типичный запас водорода 4-5 кг, чтобы дать им диапазон 300 миль, но нужно сжать этот водород до высокого давления – обычно 700 бар – чтобы сделать топливный бак достаточно маленьким, чтобы поместиться в автомобиле. Для этого требуются специальные баки. Это занимает много энергии, чтобы сжать водород до 700 бар и, к сожалению, технология не масштабируется — резервуары высокого давления достаточного размера, которые хранят достаточно водорода (в качестве газа), чтобы быть полезными для энергетических систем в масштабах страны, просто непрактичны. Подземное хранение водорода, например в Соляных пещерах, возможно, но ограничено теми районами, которые имеют правильную геологию. То, что требуется, – это форма водорода или носитель водорода, который может быть произведен с использованием возобновляемых источников энергии и храниться в большом объёме.
В поисках подходящего вектора химической энергии
Одним из перспективных кандидатов на эту роль является аммиак; молекула аммиака содержит один атом азота и три атома водорода (Для сравнения, молекула метана имеет один атом углерода и четыре атома водорода). Аммиак можно синтезировать из сырья, которым мы располагаем в изобилии, а именно из воды и воздуха, используя возобновляемые источники энергии.
Аммиак, NH3
Атмосфера Земли содержит примерно 78 процентов азота, и его легко отделить от воздуха. Водород может быть получен из воды, с помощью процесса, называемого электролизом. Как только водород и азот произведены, их можно совместить в реакции индустриального стандарта вызванной процессом Хабера-Боша для того, чтобы произвести амиак. Если возобновляемая энергия используется для питания этих процессов, то эта энергия блокируется в молекуле аммиака без каких-либо прямых выбросов углерода.
Производство аммиака составляет уже 180 млн тонн в год на сумму € 80 млрд.
Аммиак, или NH3, чтобы дать ему правильное химическое название, уже является значительным химическим веществом. В настоящее время ежегодное мировое производство составляет около 180 млн. тонн в год, а рыночная стоимость сырьевых товаров составляет около 80 млрд. евро в год.
Аммиак производится в огромных количествах во всем мире для сельскохозяйственных удобрений, но в настоящее время используется природный газ или другие ископаемые виды топлива для обеспечения как исходного сырья водорода, так и энергии для обеспечения процесса синтеза. Существующие заводы по производству аммиака являются одним из основных источников выбросов CO2, на долю которого приходится около 1,6 процента нынешних глобальных выбросов.
Зеленый водород повышает потенциал аммиака
Несмотря на то, что использование ископаемого сырья и источников энергии является экономически эффективным для современного промышленного использования аммиака, аммиаку еще предстоит сыграть свою роль в качестве энергетического вектора, но в настоящее время он меняется. Переходя к зеленому водороду, то есть водороду, который производится с помощью возобновляемых источников энергии посредством электролиза воды, выбросы углерода от производства аммиака могут быть сведены на нет.
Siemens Green Ammonia Demonstrator
Основанный в Лаборатории Резерфорда Апплтона в Великобритании, Siemens Green Ammonia Demonstrator объединяет все технологии, необходимые для демонстрации полного энергетического цикла аммиака. Зеленый водород получают с помощью электролизера мощностью 13 киловатт (кВт), производящего 2,4 обычных кубических метра в час (Нм3/час) водорода. Азот получен от воздухоразделительной установки 7 кВт, в которой используется принцип абсорбции при перепаде давления для получения азота 9 Нм3/час. Возобновляемая электроэнергия подается с помощью ветряной турбины мощностью 20 кВт, расположенной на испытательном полигоне.
Водород и азот объединяются для получения аммиака с помощью специально изготовленной установки синтеза Хабера-Боша производительностью 30 кг аммиака в сутки. Аммиак хранится как жидкость под давлением в резервуаре емкостью 350 кг, а затем используется для питания 30 кВт возвратно-поступательного генератора искрового зажигания. Вся система управляется специально развернутой системой управления Siemens PCS7 для работы в автоматическом режиме.
Цель демонстратора состоит в том, чтобы показать, что этот процесс может быть использован не только для резкого сокращения выбросов в результате производства аммиака для обычных целей, но и что аммиак может также быть практическим вектором водородной энергии, способствуя дальнейшему сокращению выбросов CO2 в наших энергетических системах за счет обеспечения масштабного хранения возобновляемых источников энергии.
Технология масштабирования уже опробована и испытана
Особое преимущество аммиака заключается в том, что технологии, необходимые для развертывания его в качестве энергоносителя уже существует в необходимом масштабе: промышленные процессы разделения воздуха для производства азота являются обычными; электролиз воды проводился на промышленной основе, прежде чем паровая конверсия метана стала более дешевым источником водорода; крупные аммиачные цистерны и танкеры десятилетиями находились в рутинной эксплуатации. Фриц Хабер получил Нобелевскую премию за синтез аммиака из его элементов в 1918 году; Карл Бош был признан за его усилия по развитию этого процесса в промышленном масштабе с Нобелевской премией в 1931 году; и инфраструктура для поддержки аммиачной промышленности была оптимизирована на постоянной основе с тех пор.
Химическая энергия V батареи
Меня часто спрашивают, какая технология хранения является «лучшим» решением для возобновляемых источников энергии, мой ответ заключается в том, что нам нужно развернуть целый ряд технологий хранения, которые подходят для данного приложения. Батареи играют важную роль, но один недостаток заключается в том, что стоимость хранения с батареями является линейной: если вам нужно в два раза больше емкости, то это две батареи.
Когда речь заходит о накоплении химической энергии, сначала вы можете отделить мощность и энергию. Вы можете выбрать газовую турбину, чтобы обеспечить необходимую мощность, а затем, как долго вы хотите запускать этот двигатель, определяет размер бака, который вам нужен. Если вы хотите большой энергетический потенциал, вам просто нужно увеличить ёмкость, что относительно дешево – особенно в больших масштабах.
Будущее для аммиака
Для хранения больших количеств энергии химические топлива обеспечивают плотную и удобную энергетическую среду – именно поэтому они сегодня распространены повсеместно. Проблема с топливом, которое мы используем сейчас, — это выбросы углерода, которые возникают в результате их сжигания. Один из способов рассмотрения аммиака заключается в том, что он решает головоломку замены углеводородного топлива чем-то, что не содержит углерода, а также преодолевает проблемы хранения и распределения водорода в большом объёме. Одна из заманчивых вещей об аммиаке заключается в том, что сегодня существует очень устоявшаяся аммиачная промышленность.
Было проведено много исследований по нашей будущей энергетической системе, и хотя они полезны и информативны, наступает время, когда вы должны начать строить и тестировать системы, чтобы узнать о реальных проблемах при их развертывании. И для аммиака как вектора зеленой энергии я думаю, что время пришло.
«Зеленый» аммиак — отличная возможность
Опубликовано 04 июня 2020
Поделиться:
Многие компании видят реальную возможность использования аммиака в качестве топлива в будущем. Как источник энергии аммиак в девять раз мощнее литиево-ионных батарей и почти в два раза энергетически плотнее жидкого водорода, при этом аммиак проще перевозить, чем водород.
Перевод Татьяна Давыдова
Почему об этом говорят?
В наше время «зеленый» аммиак все чаще обсуждают участники рынка аммиака и судоходные компании. Интерес к этому продукту объясняется в том числе предпринимаемыми во всем мире усилиями по снижению выбросов углерода в ближайшие десятилетия. Если при производстве одной тонны обычного аммиака выброс CO2 доходит до двух тонн, то при выпуске «зеленого» аммиака с использованием возобновляемых источников энергии выбросов углерода не будет вовсе.
Мировое производство аммиака сейчас составляет 180 млн т/год. Однако его возможное использование в качестве энергоносителя может привести к увеличению спроса до миллиардов тонн. В настоящее время аммиак считается одним из основных видов топлива в судовых перевозках, использование которого может помочь достижению целевых уровней по выбросам CO2 для судоходства на 2030 г. и 2050 г. Кроме того, аммиак рассматривается как способ хранения возобновляемой энергии для использования позднее, а также как способ транспортировки водорода.
Широкое использование аммиака в этих целях возможно лишь при условии значительного сокращения выбросов CO2 при его производстве. Для этого потребуются огромные инвестиции в развитие новых технологий и увеличение эксплуатационных расходов, если учесть текущую стоимость возобновляемых энергоносителей.
«Зеленый» аммиак как судовое топливо
С начала текущего года введены новые требования IMO 2020, ограничивающие содержание серы в бункерном топливе. Следующий шаг в судоходной отрасли — резкое сокращение выбросов CO2. Пока планируется добиться снижения этих выбросов на 40% к 2030 г. и на 70% — к 2050 г. по сравнению с уровнями 2008 г.
Увеличение эффективности и замена углеводородного топлива действительно могут способствовать достижению целевых уровней, намеченных на 2030 г. Однако если брать 2050 г. и позже, участники судоходной отрасли все чаще сходятся во мнении, что использовать полезные ископаемые в качестве бункерного топлива и при этом соблюдать нормы выбросов углерода будет невозможно. В качестве замены рассматриваются несколько вариантов, включая водород и аммиак. Последний приобретает особое значение, поскольку его можно сжигать как судовое топливо и использовать в топливных батареях на судах. У аммиака есть большое преимущество по сравнению с водородом, так как его намного легче хранить и перевозить, также можно транспортировать водород в виде аммиака. Кроме того, аммиак почти на 80% энергетически плотнее жидкого водорода.
Несколько компаний уже изучают возможность использования аммиака в судоходстве, хотя до новых требований IMO по выбросам углеводорода еще достаточно времени. В начале текущего года 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 переоборудовать судно Viking Energy, чтобы к 2024 г. оно работало на аммиаке.
Компания Nordic Innovation объявила, что финансирует ряд проектов для создания экологически чистого судового топлива, включая Nordic Green Ammonia Powered Ships (NoGaps). Партнерами Nordic Innovation в этих проектах являются в том числе судоходная компания Lauritzen Kosan, а также Yara International. Целью данных исследований является создание работающего на аммиаке судового двигателя к 2025 г.
Судовладельцев интересует использование аммиака в качестве топлива не только на грузовых судах. Круизная компания Color Fantasy, чьи лайнеры курсируют между норвежским Осло и германским Килем, также собирается работать в этом направлении.
Датская каталитическая компания Haldor Topsoe готовит отчет для судостроительной и судоходной отраслей, где будет содержаться пошаговая инструкция, объясняющая, что потребуется для перехода на аммиак в качестве судового топлива. Кроме того, в данном отчете, как ожидается, будет уделено внимание имеющимся мощностям по хранению аммиака, например аммиачным резервуарам, которые можно использовать как бункеровочные хабы. Этот отчет, предположительно, выйдет позднее в 2020 г.
«Зеленый» аммиак — трудности производства
В отличие от обычного аммиака, который чаще всего производится из природного газа, «зеленый» аммиак выпускается 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.
В качестве источника энергии аммиак в девять раз мощнее литиево-ионных батарей и почти в два раза энергетически плотнее жидкого водорода. При этом аммиак легче транспортировать, чем жидкий водород, используя имеющиеся технологии и инфраструктуру. Именно поэтому многие компании считают, что в будущем можно использовать аммиак как топливо, причем не только для получения энергии, но и для получения водорода, когда требуется именно водород.
Получение аммиака при помощи электролизера, работающего на возобновляемой энергии, — это не совсем новая концепция. Однако сейчас разрабатываются технологии для значительного увеличения ее энергоэффективности. Еще в начале 1900-х гг. норвежская компания Norsk Hydro вырабатывала аммиак, используя водную энергию. Компании в Северо-Западной Европе, а также в Японии, сейчас активно разрабатывают технологии для получения «зеленого» аммиака.
Крупных заводов, где производился бы «зеленый» аммиак, нет. В то же время и производители, и технологические компании начинают искать возможности для получения этого продукта более экологичным способом. Скорее всего, подобные предприятия придется строить в странах с избытком солнечной, ветряной или водной энергии, а идеально — 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. Таким образом, среди возможных мест сразу выделяется Австралия с учетом ее возобновляемой энергии и географической близости к конечным потребителям в Восточной Азии.
Развитие технологий для получения «зеленого» аммиака
Ведущие компании в области технологий выработки аммиака стремятся найти способы использования возобновляемой энергии для получения аммиака и в то же время максимально увеличить энергоэффективность и сократить капитальные и операционные расходы.
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. Пока это пилотный проект. Тем не менее уже ясно, что для работы данной системы потребуется на 10% меньше энергии, чем для работы обычной установки для выпуска аммиака из природного газа. Это поможет решить проблему слишком высоких эксплуатационных расходов при работе аммиачных агрегатов с использованием возобновляемой энергии. Строительство подобных установок потребует колоссальных первоначальных вложений. Следующая проблема — затратность и ограниченность источников возобновляемой энергии по сравнению с природным газом, которого много и который дешев. При текущих ценах на газ в Европе получение тонны «зеленого» аммиака обойдется примерно на 200—300% дороже, чем обычного. В более долгосрочной перспективе удешевление возобновляемой энергии, предположительно, позволит уменьшить эту разницу до 50—150%. Рост расходов на углеродные выбросы в Европе также может этому способствовать. Таким образом, ключевыми факторами для разработки технологий «зеленого» аммиака станут максимизация энергоэффективности и снижение цен на возобновляемую энергию.
Переход на «зеленый» аммиак потребует немало времени. Однако, признавая это, Пэт Хэн, руководитель научно-исследовательского подразделения в Haldor Topsoe, говорит, что очень важно предпринять первые шаги. С этой целью компания переходит от исследовательской фазы к этапу разработки: пилотная установка, работающая по технологии электролиза с использованием твердооксидного топлива, уже собрана. Финансировал создание этой установки консорциум датских компаний. Пилотный агрегат может вырабатывать 180 т/год «зеленого» аммиака. Следующий шаг — разработка технологии для коммерческого использования. В будущем Haldor Topsoe рассчитывает оснащать обычные аммиачные агрегаты, где используется природный газ, дополнительным оборудованием, которое позволит частично получать «зеленый» аммиак (сначала, к примеру, 10%, а потом увеличить эту долю). В этом случае нет необходимости строить новый завод, поскольку производители могут использовать имеющиеся мощности, нужно будет лишь добавить новый электролизер.
Данный подход может вызвать особый интерес у производителей в Западной Европе, которые могут использовать доступные им источники возобновляемой энергии и получать «зеленый» аммиак при минимальной себестоимости. Хотя за последние 30 лет в Западной Европе было построено мало новых агрегатов по выпуску аммиака, скорее всего, Европа станет одним из драйверов развития производства «зеленого» аммиака, если учесть, что, согласно плану Евросоюза на 2030 г. по климату и энергии, страны — члены Евросоюза должны сократить выбросы парниковых газов как минимум на 40% по сравнению с 1990 г.
Yara International пообещала уменьшить выбросы CO2 на 10% к 2025 г., а к 2050 г. намерена выйти на экологически чистое производство. К 2022 г. компания планирует заменить 10% своих мощностей по выпуску аммиака на юге Норвегии оборудованием для производства «зеленого» аммиака. К 2050 г. Yara собирается полностью выпускать аммиак на своем заводе в Порсгрунне по «зеленой» технологии. Над сокращением выбросов углерода Yara работает вместе с норвежской компанией Nel Hydrogen.
Даже компании, которые больше заняты в нефтегазовом секторе, начинают интересоваться «зеленым» аммиаком. Так, американская инженерно-строительная и сервисная компания KBR разрабатывает технологию K-GreeN solution для получения «зеленого» аммиака либо в отдельном электролизере, либо при помощи дополнительно устанавливаемого электролизера, в котором нет воздухоразделительной установки или контура синтеза.
Несколько более мелких 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. При таком процессе выбросов CO2 не происходит. Кроме того, технология Atmonia позволяет без проблем останавливать производство и возобновлять его без особых затрат, а это, по словам Гудбьорг Рист, руководителя Atmonia, одно из главных преимуществ, когда речь идет о возобновляемой энергии, получаемой при помощи солнца и ветра. В настоящее время компания строит прототип катализатора, который позволит производить жидкий аммиак для использования в качестве удобрения. Однако конечной целью компании является производство безводного аммиака, сказала Гудбьорг Рист.
Компания Starfire Energy в штате Колорадо (США) разрабатывает модульные системы для выпуска аммиака без углеродных выбросов. Учитывая растущую потребность в возобновляемой энергии, которую можно хранить и использовать в качестве транспортного топлива и для отопления, компания считает аммиак идеальным выбором.
Starfire Energy отказалась от процесса Габера-Боша и создала систему, для работы которой не требуется столь высокого давления. Этот реактор подстраивается под уровень ветряной 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. Затем мощность одной установки будет увеличена до 50 т/сут. На одной площадке можно будет устанавливать 10 реакторов, совокупная мощность которых будет достигать 500 т/сут. Дженнифер Бич, сооснователь и исполнительный директор Starfire Energy, сообщила, что 80% оборудования будет изготавливаться фабричным способом, а 20% — будет построено на площадке.
Цель Starfire Energy состоит не только в том, чтобы производить аммиак без углеродных выбросов, но и подстроиться под его конечное использование. Компания работает над более низкотемпературным катализатором крекинга аммиака, который позволяет превращать аммиак в азот и газообразный водород. Затем этот азот и водород можно использовать одновременно либо задействовать один только водород как источник энергии для автомобилей и предприятий, где требуется хранящийся под высоким давлением водород для топливных элементов.