Аммиак — дешевое малотоксичное горючее
В наши дни все большее значение приобретают топлива, для производства которых имеются практически неограниченные сырьевые ресурсы 1 . К их числу относится аммиак (NH3) — простейшее химическое соединение азота с водородом. Аммиак служит исходным продуктом для получения азотной кислоты, удобрений (сульфата аммония и других), им проявляют светокопии чертежей, его используют в холодильной технике, широко применяют в химической технологии. В последнее время его рассматривают как альтернативное синтетическое горючее.
При нормальных условиях аммиак представляет собой бесцветный газ с резким специфическим запахом. Его водный раствор — это всем хорошо известный нашатырный спирт. Аммиак может растворяться в воде в очень больших количествах: в одном объеме воды от 700 объемов при 20° до 1200 объемов при 0° С. Состав жидкого технического аммиака приведен в табл. 1.
Аммиак не отличается высокими энергетическими показателями. Его энергетические показатели значительно ниже по сравнению с бензином и водородом (табл. 2), зато энергоплотность выше, чем у водорода.
Моторные качества
Аммиак обладает высокой детонационной стойкостью. Его октановое число, определенное по моторному методу, равно 111, а по исследовательскому — 130. Вместе с тем он отличается низким стехиометрическим коэффициентом, высокой температурой воспламенения аммиачно-воздушной смеси (650° С) и вялым ее сгоранием. Вялое сгорание является следствием низкой температуры пламени аммиака (1682 °С по сравнению с 2063°С у бензина), что замедляет самоускорение реакции горения. Поэтому при использовании аммиака в двигателях с искровым зажиганием требуется повышенная энергия зажигания, что может обеспечить применение высокотемпературных свечей с большим искровым промежутком и мощных индукционных катушек зажигания.
Информация об изображении
Модифицированная камера сгорания для аммиачного топлива
Весьма перспективным для двигателей, работающих на аммиаке, окажется применение плазменного зажигания (см. «КЯ» № 113).
Для ускорения сгорания аммиачно-воздушной смеси в результате уменьшения расстояния, проходимого фронтом пламени (от очага воспламенения до стенок), предложено использовать сферическую камеру сгорания в поршне (см. рис.) и свечу зажигания с удлиненными электродами. При использовании системы зажигания от магнето, степени сжатия 12—16 и искровом промежутке между электродами свечи 0,2—0,3 мм было получено устойчивое зажигание. Однако из-за медленного сгорания аммиачной смеси двигатель мог работать на ограниченной частоте вращения коленчатого вала — не более 3000 об/мин. Впрыск небольшого количества водорода (около 1,5%) позволил увеличить частоту вращения до 4500 об/мин.
Расчет технико-экономических показателей автомобиля «ЗИЛ-130» при работе на бензине, аммиаке и водороде выявил некоторое преимущество аммиака (с учетом сложности эксплуатации криогенной системы хранения водорода).
Опыты, проведенные в лаборатории топлив и масел военного ведомства США, показали, что для обеспечения надежного воспламенения аммиака в дизелях требуется увеличить степень сжатия до 35 и одновременно повысить до 150°С температуру во впускном коллекторе и системе охлаждения двигателя. Рабочий процесс характеризуется повышенной жесткостью.
Ускорению процесса воспламенения и горения аммиака способствуют впрыск запального топлива или добавка активизирующих присадок (в том числе газов). В качестве запального топлива в дизелях используют дизельное топливо с высоким цетановым числом (ЦЧ). Этим достигается устойчивое сгорание аммиака при степени сжатия 30. В качестве эффективных активирующих присадок применяют амилнитрат (ЦЧ = = 100) или диметилгидразин (ЦЧ = 67). Эти присадки обеспечивают надежное сгорание аммиака при обычных степенях сжатия порядка 12—14. Применение диметилгидразина предпочтительнее, так как по своим свойствам он близок к аммиаку.
Улучшению сгорания аммиака способствует добавка таких высокооктановых газов, как водород и ацетилен. Добавка 6—10% водорода обеспечивает устойчивое сгорание аммиака, начиная со степени сжатия 21 и температуре на впуске 65 °С. Еще более эффективна добавка ацетилена в количестве 15—20%, позволяющая снизить степень сжатия до 16 и уменьшить жесткость работы двигателя.
Преимущества аммиака
Главными преимуществами аммиака являются его относительно низкая стоимость (так же как у водорода), практически неограниченная сырьевая база и малая токсичность отработавших газов. К этому следует добавить относительно малую пожарную опасность. Пределы воспламенения смеси аммиака с воздухом составляют 15—18% по объему, температура самовоспламенения — 651 °С.
В продуктах сгорания аммиака содержится только один токсичный компонент — окислы азота. Исследования, проведенные в университете штата Теннесси (США) на стандартном двигателе при частоте вращения 2000 об/мин, полностью открытой дроссельной заслонке и составе смеси, характеризуемом отношением топлива к воздуху 7,6 (α = 1,24), показали незначительное содержание окислов азота в отработавших газах.
Недостатки
Специфический резкий запах аммиака вызывает раздражение слизистых оболочек носа, рта, дыхательных путей, сопровождающееся иногда кашлем. Однако этим же в значительной степени снижается опасность аммиака: его можно обнаружить даже при самой малой концентрации паров 5·10 —2 мг/м 3 . Согласно ГОСТ 12.1005—76 «Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования», предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе рабочей зоны составляет 20 мг/м 3 . Для воздуха населенных мест среднесуточная и максимальная разовая концентрации составляют 0,2 мг/м 3 . Другими словами, аммиак в четыре раз менее вреден, чем метанол.
Недостатком аммиака является также его коррозионная активность по отношению к таким цветным металлам, как медь, латунь, бронза. Это объясняется щелочными свойствами аммиака.
Перспективы. Учитывая простоту производства, относительно низкую стоимость, удовлетворительные термодинамические показатели и малую токсичность отработавших газов, аммиак может рассматриваться как реальный заменитель бензина и дизельного топлива в рамках энергетики будущего.
В настоящее время производство аммиака достигло больших масштабов. Его стоимость сравнима со стоимостью бензина, но вследствие низкого энергосодержания стоимость аммиака как моторного топлива оказывается в 2—2,5 раза выше. Можно ожидать, что в связи с постоянным ростом цен на нефтепродукты и вполне возможным снижением затрат на производство синтетического топлива применение аммиака может стать реальным уже к 1990 г.
Примечания
1. Перспективным видам топлива были посвящены уже три статьи того же автора, опубликованные в «КЯ» №99, №107, №108.
Аммиак — перспективное моторное топливо для безуглеродной экономики Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»
АММИАК / AMMONIA / АЛЬТЕРНАТИВНОЕ ТОПЛИВО ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ / ALTERNATIVE FUEL FOR VEHICLES / АККУМУЛЯТОР ЭНЕРГИИ / ENERGY STORAGE / ИЗОЛИРОВАННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАЙОНЫ / ISOLATED ENERGY AREAS / ПАРНИКОВЫЕ ГАЗЫ / GREENHOUSE GASES / ПАРИЖСКОЕ СОГЛАШЕНИЕ / PARIS AGREEMENT
Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Климентьев Александр Юрьевич, Климентьева Александра Александровна
В статье рассматриваются мировой опыт применения аммиака на транспорте и исследования по использованию аммиака в концепции развития безуглеродной экономики. Определена возможность производства аммиака безуглеродным способом и использования его на транспортных средствах в России. Во всем мире проводятся работы по поиску альтернативных топлив, которые позволили бы снизить уровень воздействия на окружающую среду. Замена углеродного цикла на азотный позволяет снизить потребление нефтепродуктов на транспорте и выбросы парниковых газов . Работы по производству аммиака без использования углеводородного сырья ведутся научными и инженерными группами в разных странах.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Климентьев Александр Юрьевич, Климентьева Александра Александровна
Аммиак — перспективное моторное топливо для безуглеродной экономики Окончание. Начало в № 3 (57) 2017 г
Уменьшение вредных выбросов транспортных дизелей путем нейтрализации оксидов азота
Оценка влияния ущербов от загрязнения окружающей среды на конкурентоспособность водорода как моторного топлива
Перспективы отдельных видов альтернативных энергоресурсов в сфере освоения водородной энергетики на отечественном транспорте
Комплексная переработка природного газа в химической промышленности
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ammonia as a promising motor fuel for a carbon-free economy
World experience in the use of ammonia in transport and studies on the use of ammonia in the concept of the development of a carbon-free economy are examined in the article. The possibility of ammonia production by a carbon-free method and its use on vehicles in Russia has been determined. All over the world, search operations for alternative fuels that would reduce the level of environmental impact are underway. Replacement of the carbon cycle with nitrogen one reduces the consumption of petroleum products in transport and greenhouse gas emissions. Process on the production of ammonia without the use of hydrocarbon raw materials is carried out by scientific and engineering groups in different countries.
Текст научной работы на тему «Аммиак — перспективное моторное топливо для безуглеродной экономики»
для безуглеродной экономики
А.Ю. Климентьев, разработчик и руководитель нефтегазовых проектов, Экономическая лаборатория АлександрА КлиментьевА, А.А. Климентьева, химик-технолог, Экономическая лаборатория АлександрА КлиментьевА
В статье рассматриваются мировой опыт применения аммиака на транспорте и исследования по использованию аммиака в концепции развития безуглеродной экономики. Определена возможность производства аммиака безуглеродным способом и использования его на транспортных средствах в России.
Во всем мире проводятся работы по поиску альтернативных топлив, которые позволили бы снизить уровень воздействия на окружающую среду. Замена углеродного цикла на азотный позволяет снизить потребление нефтепродуктов на транспорте и выбросы парниковых газов. Работы по производству аммиака без использования углеводородного сырья ведутся научными и инженерными группами в разных странах.
аммиак, альтернативное топливо для транспортных средств, аккумулятор энергии, изолированные энергетические районы, парниковые газы, Парижское соглашение.
ри поиске альтернативных топлив, которые могут заменить нефтяные топлива, следует принимать во внимание качества топлива, приведенные в табл. 1.
Требования к альтернативным топливам и конкурентные позиции аммиака
Критерий Описание Показатели
Аммиак Дизельное топливо
Энергоемкость Содержание энергии, МДж/л 11,62 36,10
Полнота использования Соотношение между полезным объемом и неснижаемым остатком топлива в емкости (например, для КПГ — полнота использования топлива 80 %, неснижаемый остаток 20 %) До 100 % До 100 %
Делимость Возможность распределения на части с сохранением энергетических свойств Удовлетворительно Хорошо
Доступность Массовое производство и возможность распределения по большим территориям или локализация производства Хорошо Отлично
Универсальность Возможность эффективной эксплуатации в различных климатических зонах и сезонах Отлично Отлично
Сохранность в течение продолжительного времени Резервы топлива Отлично Отлично
Взаимозаменяемость Незначительная модернизация существующего оборудования Хорошо Хорошо
Экологичность Минимизация воздействия на окружающую среду Отлично Удовлетворительно
Экономическая лаборатория АлександрА КлиментьевА
Аммиак может выступать в качестве топлива для транспортных средств и стационарных систем энергообеспечения. Дополнительным преимуществом аммиака является возможность его использования в качестве удобрения.
Энергоносители на основе азота позволяют осуществить перевод энергетического цикла с углеродного, связанного с добычей и переработкой углеводородного сырья, выбросами парниковых газов, на азотный цикл, основанный на возобновляемом сырье — воде и воздухе (рис. 1).
Использование аммиака в качестве моторного топлива соответствует современным инициативам по развитию энергоэффективных и экологически дружественных технологий, в том числе и в малой химии. Безуглеродное топливо может быть включено в исполнение обязательств Российской Федерации по Парижскому соглашению по климату.
Получение аммиака и его физико-химические свойства
По итогам 2015 года более 1,8 % всех мировых энергетических ресурсов были использованы для синтеза аммиака. Российская Федерация входит в перечень крупнейших производителей этого вещества.
Аммиак является продуктом крупнотоннажного производства и традиционно вырабатывается с использованием газа и угля. В последнее время активно проводятся работы по поиску альтернативного способа синтеза аммиака с использованием полностью возобновляемого сырья — воздуха, воды и электрической энергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Локализация производства этого продукта без использования газа в отдельных районах обеспечивает создание резервов топлива в виде аммиака, что дополнительно удовлетворяет потребности сельскохозяйственных предприятий в удобрениях, а промышленности — в сырье. Использование избыточных энергетических мощностей и ВИЭ позволит получать приемлемый по себестоимости аммиак и обеспечивать условия для долгосрочного развития транспорта, энергетики, промышленности и сельского хозяйства.
Промышленный способ получения аммиака основан на прямом взаимодействии водорода и азота:
N + 3Н2 = 2NHз + 91,84 кДж. АОГМТ «Национальная газомоторная ассоциация»
Рис. 1. От углеродного к безуглеродному энергетическому циклу (ВИЭ -возобновляемые источники энергии)
Экономическая лаборатория АлександрА КлиментьевА
Эта реакция называется по имени авторов — процесс Габера-Боша.
Современный процесс получения аммиака основан на его синтезе из азота и водорода при температурах 380. 450 °С и давлении 20. 30 МПа с использованием железного катализатора. Азот получают из воздуха, водород — через риформинг 35
метана и воды либо в процессе газификации угля. В безуглеродном способе водород получается путем электролиза воды.
Аммиак производится в виде жидкости под давлением. Сжиженный безводный аммиак выпускают трех марок:
А — для производства азотной кислоты и азотирования, в качестве хладагента, для создания защитных атмосфер;
Ак — для поставок на экспорт и транспортировки по магистральному аммиакопроводу; для переработки на удобрения и использования в сельском хозяйстве в качестве азотного удобрения;
Б — для переработки на удобрения и использования в сельском хозяйстве в качестве азотного удобрения.
Аммиак имеет широкий спектр использования в промышленности, медицине и сельском хозяйстве. В последнее время он рассматривается в качестве химического аккумулятора энергии для энергообеспечения и моторного топлива. Для энергетических целей подходит аммиак любой марки по ГОСТ 6221-90 (табл. 2), и не требуется изменений в нормативную документацию, определяющую требования к аммиаку.
Основные показатели аммиака жидкого безводного ГОСТ 6221-90
Наименование показателя Норма для марки
А ОКП 21 1461 0100 Ак ОКП 21 1461 0200 Б ОКП 21 8192 0100
Массовая доля аммиака, %, не менее 99,9 99,6 99,6
Массовая доля азота, %, не менее — 82 82
Массовая доля воды (остаток после испарения), % — 0,2.0,4 0,2.0,4
Массовая доля воды (метод Фишера), %, не более 0,1 — —
Массовая концентрация масла, мг/дм3, не более 2 2 8
Массовая концентрация железа, мг/дм3, не более 1 1 2
Массовая доля общего хлора, млн-1 (мг/кг), не более — 0,5 —
Массовая доля оксида углерода (IV), млн-1 (мг/кг), не более — 40 —
История использования аммиака на транспорте
Аммиак имеет значительные шансы стать элементом безуглеродной энергетики будущего, так как при его сгорании в воздухе образуется только азот и вода. Горение аммиака может быть описано следующей формулой [1]:
4NH3 + 3(02 + 3,76^) = 15,18^+6Н2 О. АОГМТ «Национальная газомоторная ассоциация»
При этом имелись примеры использования аммиака в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания в прошлом (табл. 3).
История использования аммиака на транспортных средствах
Год Разработчик Страна Описание
1933 Norsk Hydro Норвегия Нет данных
1943 Gazamo Бельгия Топливная смесь аммиака и угольного газа
1965 US Army США Аммиак для обеспечения техники в зоне боевых действий
2007 NH3car США Аммиак
2013 Marangoni Toyota GT86 Италия Аммиак и СУГ
2013 AmVeh x250 Корея 30 % дизельное топливо 70 % аммиак
2015 S olarhydrosystem США Аммиак и водород
Экономическая лаборатория АлександрА КлиментьевА
Первый концепт был разработан в США еще в XIX веке (рис. 2). Практические примеры использования аммиака в качестве моторного топлива пришлись на ХХ-й и начало XXI веков.
1943 год, Бельгия. Автобусные маршруты
Во время второй мировой войны общее число переведенных на аммиак транспортных средств превысило 100 единиц, в том числе несколько автобусов в Бельгии использовали аммиак в качестве моторного топлива [1]. Первый
Рис. 2. Рисунок трамвая с двигателем на аммиаке на маршруте в Новом Орлеане (США), 1871 год (художник А.Я. Шаиф
начал работу в апреле 1943 года. Всего восемь автобусов на трех линиях проехали несколько десятков тысяч миль (рис. 3).
Для перевода транспортных средств на использование аммиака применялось оборудование Gazamo (рис. 4), которое тестировалось на дорогах во время суровой зимы 19411942 гг. Бельгийский проект стал первым примером масштабного использования аммиака в качестве моторного топлива, когда около 100 единиц машин были оснащены оборудованием для его использования.
В качестве топлива использовалась смесь угольного газа и аммиака. На газе осуществлялся запуск транспортного средства, и после прогрева двигателя в топливную систему подавался аммиак.
Топливная система представлена системой подачи угольного газа (рис. 5, правая часть на схеме) и газообразного аммиака (рис. 5, левая часть).
Рис. 3. Фотография бельгийского автобуса на аммиаке во время Второй мировой войны, оснащенного оборудованием для использования аммиака, емкость для хранения аммиака размещена на передней части автомобиля, а цилиндры с газом на крыше автобуса [1]
Водитель путем использования клапанов К1 (расход газа) и К2 (расход аммиака) регулировал состав топливной смеси.
После года эксплуатации с одного из автобусов с пробегом более 10 тыс. миль был снят двигатель и подвергнут тщательному исследованию, показавшему полную сохранность основных деталей и отсутствие следов коррозии на частях двигателя, которые контактировали с выхлопными газами. По факту меньший износ, чем обычно, был у цилиндров, клапанов и выводного коллектора. Не было зафиксировано потери мощности, повышенного расхода масла и смазочных материалов.
За два года эксплуатации описан лишь один инцидент с транспортными средствами на аммиаке. Он связан с частным автомобилем, во время заправки которого часть аммиака вылилась из баллона, что привело к повреждению деталей автомобиля.
После завершения Второй мировой войны, когда дефицит нефтяных топлив закончился, использование аммиака прекратилось.
1965 год, США. Аммиак — топливо для боевых машин
В 1965 году армия США проводила исследования возможностей применения
Рис. 4. Фото стенда Gazamo на выставке альтернативных топлив в Брюсселе 1942 года. Спереди размещен цилиндр с жидким аммиаком, а на заднем плане один баллон с компримированным угольным газом. В правом углу находится еще один баллон с аммиаком. Карта на стене показывает расположение восьми заводов по производству аммиака в Бельгии с общей мощностью 230 тыс. т аммиака в год [1]
Рис. 5. Схема топливной системы, применявшейся в Бельгии в 1943 году [1]
химически синтезированных веществ для использования в двигателях внутреннего сгорания боевой техники [2]. В качестве вариантов химически синтезированных то-плив рассматривались водород, аммиак, гидразин и перекись водорода. Концепция производства топлив непосредственно на месте с использованием воды, воздуха, электрической энергии получила название Мобильного энергетического хранилища (Mobile Energy Depot — MED).
Наиболее подходящим веществом для использования в двигателях боевой техники оказался аммиак. Предполагалось использовать энергию мобильной атомной электростанции, разворачиваемой в районе проведения боевой операции, для получения этого топлива.
Теоретическая оценка показала возможность достижения 77 % мощности при использовании в качестве топлива исключительно аммиака. При этом из-за меньшей плотности требовалось аммиака в два раза больше по объему по сравнению с углеводородными топливами.
В условиях 1965 года была подтверждена возможность заправлять аммиаком машины с топливной системой, использующей углеводородные топлива (рис. 6).
По причине высокого порога воспламенения аммиака для обеспечения стабильной работы двигателя с искровым зажиганием часть аммиака разлагается на водород и азот, которые затем образуют топливную смесь с газообразным аммиаком. Стабильная работа двигателя достигалась при доле водорода 2. 3 % по массе.
Рис. 6. Схема размещения в автомобиле топливных баков и топливной системы, разработанной для армии США [2]
Для двигателей, работающих в дизельном цикле, прямое использование аммиака затруднительно. Но при смешении паров дизельного топлива (ДТ) и аммиака данная проблема снимается. Испытания на двигателе Vee Twin 1790 проходили при соотношении 4 % дизельного топлива и 96 % аммиака. На такой смеси мощность двигателя была больше, чем при работе на дизельном топливе. Это объяснялось более эффективным использованием воздуха при сжигании топливной смеси аммиака и дизеля.
В результате работы получены следующие результаты:
1. Перевод на использование аммиака возможен для бензиновых и дизельных двигателей. Необходима глубокая модификация двигателей. Для двигателей с зажиганием при сжатии перевод на использование аммиака предпочтителен при битопливном режиме.
2. При использовании аммиака требуются топливные емкости большей массы и давления, что приводит к увеличению массы и размеров транспортного средства и, следовательно, к снижению полезной нагрузки.
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
3. При использовании транспортных средств, работающих на аммиаке, возможна существенная экономия.
Нам не известны подробности практических испытаний и работ по использованию аммиака как моторного топлива в СССР. Тем не менее проводились стендовые
испытания и технико-экономические оценки такой возможности.
В проведенном исследовании, результаты которого опубликованы в журнале «Катера и яхты» в 1985 году [3], были зафиксированы невысокие энергетические показатели аммиака по сравнению с бензином и водородом, но при этом более высокая энергоплотность по сравнению с тем же водородом. Вследствие низкой скорости горения и высокой температуры воспламенения требуется повышенная энергия зажигания. В связи с этим предлагалось для воспламенения применять высокотемпературные свечи с большим искровым промежутком и мощные индукционные катушки зажигания, а также плазменное зажигание.
Для ускорения сгорания аммиачно-воздушной смеси предложено использовать сферическую камеру сгорания в поршне и свечу зажигания с удлиненными электродами (рис. 7). При использовании системы зажигания от магнето, степени сжатия 12. 16 и искровом промежутке между электродами свечи 0,2. 0,3 мм было получено устойчивое зажигание. Однако из-за медленного сгорания аммиачной смеси двигатель мог работать на ограниченной частоте вращения коленчатого вала -не более 3000 мин-1. Впрыск небольшого количества водорода (около 1,5 %) позволил увеличить частоту вращения до 4500 мин-1.
Расчет технико-экономических показателей автомобиля ЗИЛ-130 при работе на бензине, аммиаке и водороде выявил некоторое преимущество аммиака (с учетом сложности эксплуатации криогенной системы хранения водорода).
Ускорению процесса воспламенения и горения аммиака способствуют впрыск запального топлива или добавка активизирующих присадок (в том числе газов). Улучшению сгорания аммиака способствует добавка таких высокооктановых газов, как водород и ацетилен. Установлено, что добавка 6.10 % водорода обеспечивает устойчивое сгорание аммиака, начиная со степени сжатия 21 и температуры на впуске 65 °С. Еще более эффективна добавка ацетилена в количестве 15. 20 %, позволяющая снизить степень сжатия
до 16 и уменьшить жесткость работы двигателя.
В продуктах сгорания аммиака может содержаться только один токсичный компонент — оксиды азота. В статье [3] приводится ссылка на данные исследования, которое проведено в университете штата Теннесси (США) на стандартном двигателе при частоте вращения КВ 2000 мин-1 при полностью открытой дроссельной заслонке и составе смеси, характеризуемом отношением топлива к воздуху 7,6 (а = 1,24). Это исследование показало незначительное содержание оксидов азота в отработавших газах.
Рис. 7. Модифицированная камера сгорания для аммиачного топлива [3]: 1 — клапан; 2 — свеча зажигания с удлиненными электродами; 3 — головки цилиндров; 4 — поршень со сферической камерой
2007 год, США. Автопробег от океана к океану [4]
В 2007 году был осуществлен успешный пробег из Детройта в Сан-Франциско на переоборудованном для
Рис. 8. Автомобиль, участвоваший в пробеге из Детройта в Сан-Франциско
использования аммиака автомобиле (рис. 8). В качестве топлива использовался аммиак и бензин.
2013 год, Италия. Спорткар Toyota [5]
В 2013 году бюро Marangoni представило автомобиль Toyota GT86-R (рис. 9), использующий в качестве топлива аммиак. Модель была оснащена топливной системой с возможностью использования двух топлив — СУГ и аммиака.
Топливная система на аммиаке разрабатывалась компанией Bigas International, которая более 40 лет специализируется на альтернативных источниках энергии.
Рис. 9. Спорткар Marangoni Toyota GT86-R
2013 год, Корея. Битопливный автомобиль
В 2013 году Корейский институт энергетических исследований представил автомобиль AmVeh х 250, работающий на аммиаке (рис. 10).
В качестве топлива используется смесь, состоящая из 30 % бензина и 70 % аммиака. По результатам испытания установлено снижение выбросов углекислого газа на 70 %.
По оценкам Корейского института энергетических исследований, если 20 % всех автомобилей Южной Кореи будут использовать подобную топливную смесь, то выбросы парниковых газов можно уменьшить на 15 % в год.
Для использования аммиачно-бензиновой топливной смеси требуются незначительные изменения в топливной системе автомобиля (рис. 11).
2014 год, Швеция. Университет Чалмерс
В 2014 году технологическим университетом Чалмерс (Chalmers University
of technology) по заказу компании Volvo была выполнена работа по оценке возможностей использования топлив на основе азота в двигателях внутреннего сгорания [6]. Эта работа одна из первых в исследовании Volvo Car Corporation в этом направлении. Задача замещения заключается в поиске топлива, которое могло бы заместить нефтепродукты без необходимости масштабного изменения конструкции двигателя внутреннего сгорания (с воспламенением от сжатия).
Топлива на основе азота использовались и ранее, но в основном в специализированных областях, например, при космических полетах и в газовых турбинах, которые должны постоянно работать на максимальной мощности (табл. 4).
По мнению авторов, наиболее подходящими топливами для транспортных средств являются аммиак, топливные смеси на основе аммиака, гидразин и жидкий азот.
Рис. 10. Автомобиль AmVeh x25
Рис. 11. Топливная система автомобиля AmVeh x250
Аммиак может использоваться в качестве топлива на двигателях как с искровым зажиганием, так и с зажиганием от сжатия. Для бензиновых двигателей возможно получение топливной смеси аммиака с водородом и бензином, при этом доля водорода может быть 3.5 % относительно аммиака.
В Италии работает прототип двигателя мощностью 15 кВт на смеси водорода и аммиака для подзарядки батарей. Оптимальная доля водорода при полной
Специализированные азотосодержащие топлива
Топливная смесь Химическая формула Применение
Перхлорат аммиака + триметил аммония перхлорат NH4ClO4 + C17H26ClN3O6S Лабораторные испытания возможности использования в двигателях внутреннего сгорания
Аммиачная селитра + аммиак NH4NO3 + NH3 Лабораторные испытания возможности использования в двигателях внутреннего сгорания и на газовых турбинах
Гидразин + ММН / ШУН + гидрат гидразина + карбамид / аммиачная смесь + металлические гидриды 2N2H4 + CH3(NH)NH2/C2H8N2 + H6N2OCO(NH2)2 / NH3 + металлические гидриды Лабораторные испытания возможности использования в качестве топлива
Гидразин / ГОМН / ММН + N0 N2H4 / C2H8N2 /CH3(NH)NH2 + NO Ракетное топливо
и 50%-ной нагрузках составляет 7 и 11 % соответственно. При 10%-ной доле водорода повышается уровень NOX и требуется дополнительная очистка выхлопных газов.
Рекомендованная доля бензина в топливных смесях составляет 30 %.
Для дизельных двигателей возможны топливные смеси с ДТ, диметиловым эфиром и биодизелем. Рекомендуемые пропорции смешения 40. 60 % аммиака с 60.40 % дизельного топлива, при этом стабильная работа двигателя возможна при добавке всего 5 % ДТ.
Также проведена оценка использования аммиака в топливных элементах (ТЭ). Аммиак повреждает топливные элементы PEM, но может расщепляться на алкалиновых ТЭ при соответствующем развитии технологий. И, следовательно, может использоваться только на ТЭ типа SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). Это ограничивает возможности использования на транспорте по причине хрупкости керамических частей SOFC.
Рис. 12. Проект Solar Hydrogen System: слева солнечные панели и оборудование для производства аммиака; в центре — трактор, работающий на водородно-аммиачной топливной смеси
2015 год, США. Solar Hydrogen System
В США реализован проект изолированной фермы, которая за счет солнечной энергии полностью обеспечена удобрениями и топливом (рис. 12) [7].
Аммиак получается путем синтеза из водорода и азота. Энергообеспечение осуществляется от собственной солнечной электростанции мощностью 8,1 кВт.
Водород получается электролизом с общей производительностью 1,12 м3/ч при давлении 1,35 МПа, потом сжимается до давления в 24 МПа. Для водорода и азота имеются промежуточные накопительные емкости. Перед реактором синтеза аммиака азотоводородная смесь сжимается до 23,8 МПа и хранится в шести цилиндрах. Реактор действует при температуре 450.500 °С и давлении 23,8 МПа. Общая производительность установки синтеза составляет 4.4,5 т аммиака в год.
Установка обеспечивает потребности фермы общей площадью 320 акров (129,5 га) в топливе и удобрениях. При этом обеспечивается норма внесения аммиака в количестве 196 кг/га (175 фунтов/акр).
Для работ на ферме используется трактор, работающий на смеси водорода и аммиака (рис. 13).
Рис. 13. Трактор, использующий водород и аммиак [7]
1. Ammonia — a fuel for motor buses, Emeric Kroch D.Sc. // Journal of the Institute of Petroleum. — 1945.
2. The theory of operation of an ammonia burning internal combustion engine. Charles G. Garabedian and John H. Johnson HQ US Army tank-automotive center Warren, 1965.
3. Морозов Г. Аммиак — дешевое малотоксичное горючее // Катера и Яхты. — 1985. -№ 115.
5. http://tyre.marangoni.com/en/Tuning/Progetti/GT86EcoExplorer/Descrizioneauto.aspx#. WKLMH6DvUxC
6. Ammonia as fuel for internal combustion engines? An evaluation of the feasibility of using nitrogen-based fuels in ICE, Chalmers, Emtiaz Ali Brohi, 2014.
9. В России разработали ракетный двигатель на аммиаке // Известия. — 2012. — 4 мая.
10. Combustion and emissions characteristics of a compression-ignition engine using dual ammonia-diesel fuel. Aaron Reiter Iowa State University, 2009.
11. Takashi Saika, Mitsuhoro Nakamura, Tetsuo Nohara, Shinji Ishimatsu. Study of Hydrogen Supply System with Ammonia Fuel // JSME International Journal. — 2006. — Series B, Bol 49, No 1.
12. Potential Roles of Ammonia in a Hydrogen Economy. A study of Issues Related to the Use Ammonia for On-Board Vehicular Hydrogen Storage, US Department of Energy, 2006.
13. Jeffrey Ralph Bartels. A feasibility study of implementing an Ammonia Economy, Iowa State University, 2008.
Окончание в следующем номере.
Удобрение меняет профессию
Химическое соединение, молекула которого состоит из одного атома азота и трех атомов водорода, называемое аммиаком (NH3), — вероятно, одно из самых известных веществ на Земле. Кто не знает про нашатырный спирт (водный аммиак) или азотные удобрения? Но мало кто осознаёт, что это ещё и источник энергии, пригодный для использования, в частности, в двигателях внутреннего сгорания. При этом требуемая доработка двигателя оказывается немногим сложнее и дороже, чем при переводе бензинового мотора на газовое топливо. Хотя по энергоёмкости единицы объёма жидкий безводный аммиак примерно вдвое уступает бензину и дизельному топливу, у него есть два неоспоримых преимущества: его можно добывать в буквальном смысле из воздуха и при его сгорании не образуется никаких токсичных соединений углерода, серы и т. п. — только азот и вода.
Энергоноситель
Использовать аммиак в качестве моторного топлива пробовали ещё 70 лет назад. Из-за острого дефицита дизельного топлива правительство Бельгии было вынуждено в 1943 г. выпустить на маршруты рейсовые автобусы, работающие на аммиаке и угольном газе. До окончания войны они успели пробежать десятки тысяч километров.
Бельгийские автобусы во время Второй мировой войны
были переведены с дизеля на аммиак и угольный газ
Еще одна замечательная особенность аммиака — высокое процентное содержание водорода. Как это ни парадоксально звучит, хранить и транспортировать водород в виде жидкого аммиака значительно удобнее и дешевле, чем в сжатом или сжиженном состоянии. В литре жидкого безводного аммиака содержится больше водородных атомов, чем даже в литре жидкого водорода. 37 МВт·ч энергии, которые можно высвободить при сжигании тонны водорода, «упаковываются» в 6,5 т аммиака, для хранения которых под давлением около 10 атм (давление перехода аммиака в жидкое состояние при комнатной температуре) потребуется резервуар из углеродистой стали еёмкостью 10 тыс. литров. Стоимость подобного резервуара в несколько раз меньше, чем баллонов высокого давления (свыше 200 атм), необходимых для хранения тонны сжатого водорода. Напомним, что водород требует применения специальных легированных сталей (чтобы оболочка баллона не теряла пластичности).
Технологии транспортировки жидкого аммиака хорошо отработаны
Другой вариант — хранение аммиака в огромных (30 тыс. м 3 ) рефрижераторных ёмкостях, охлаждаемых до температуры -33 °С, при которой он переходит в жидкое состояние под атмосферным давлением. Нетрудно заметить, она намного выше, чем -253 °С, необходимые для ожижения водорода, и, следовательно, достижима гораздо более простыми и дешёвыми средствами. Интересно, что в качестве хладагента для холодильной установки может применяться сам аммиак. Немаловажно также, что вся технология и инфраструктура производства и транспортировки аммиака как сырья для изготовления азотных удобрений давно и досконально отработаны.
Накопитель энергии
Мы уже не раз писали о том, что одна из главных задач, возникающих при организации энергоснабжения с помощью возобновляемых источников энергии (ВИЭ), — обеспечить его постоянство и бесперебойность. Все мы знаем, что солнце светит только днём и даёт хороший поток энергии только в безоблачную погоду, что ветер очень непостоянен, водообеспеченность рек зависит от осадков и т. д. Один из способов решения этой задачи — использовать энергию ВИЭ для производства топлива, с помощью которого в дальнейшем можно будет вырабатывать электроэнергию в то время, когда ВИЭ «пасуют». И аммиак — один из серьёзных претендентов на роль такого топлива.
Чтобы рассеять опасения насчёт того, что аммиак относится к классу опасных веществ (действительно, вдыхая его в больших количествах, можно в некоторых случаях получить паралич дыхания), назовём два обстоятельства. Во-первых, минимальную утечку аммиака, который имеет резкий запах, заметит даже самый нечувствительный к запахам человек. Во-вторых, аммиак почти вдвое легче воздуха, поэтому он быстро поднимается вверх, не оставляя, в отличие от других вредных газов, ядовитого облака вблизи земной поверхности.
Старый подход
Традиционно аммиак из воздуха и воды получают с применением сначала электролиза воды для получения водорода, затем — безотходного процесса Габера-Боша, когда смесь азота и водорода пропускают через нагретый катализатор под давлением около 1000 атм. При этом за счёт высокого давления равновесие в реакции N2+3H2 ↔ 2NH3 смещается вправо. Реакция образования аммиака из водорода и азота равновесная и экзотермическая (с выделением теплоты). При высоких температурах, необходимых для достижения приемлемой скорости реакции, равновесие смещается в сторону азота и водорода, из-за чего выход аммиака за один проход катализатора в промышленных условиях не превышает 14-16%. Поэтому образовавшуюся смесь охлаждают до температуры конденсации аммиака, жидкий аммиак отделяют сепаратором, а оставшуюся смесь водорода и азота направляют на рециркуляцию — вновь нагревают и пропускают через катализатор. Благодаря рециркуляции в процессе Габера-Боша теоретический выход аммиака составляет 100%. Несмотря на то, что реакция синтеза аммиака экзотермическая, процесс получается очень энергоёмким: средний расход электроэнергии на производство 1 т аммиака (без учёта электролиза) достигает 3200 кВт·ч. Энергия затрачивается на сжатие и нагрев смеси азота и водорода, а также частично рассеивается при охлаждении, необходимом для конденсации и отделения аммиака.
Новый стиль
Другой, более перспективный и экономически эффективный способ получения аммиака — так называемый твёрдотельный синтез, SSAS (Solid State Ammonia Synthesis), из водяного пара и воздуха. Здесь используется вариант обратимого твёрдооксидного топливного элемента (см. «Энерговектор» № 3/2014, с. 13) на основе трубок из протонопроводящей керамики. На одной и той же установке можно получать как аммиак из воздуха и воды с помощью электричества, так и электричество из аммиака. Проект пилотной установки такого рода разработан американской компанией Alaska Applied Sciences. Реализация проекта, по мнению авторов, позволит доказать более высокую эффективность твёрдотельного синтеза по сравнению с процессом Габера-Боша. Предполагается, что комплексная установка целиком разместится в одном перевозимом контейнере и сможет в зависимости от текущего состояния ВИЭ-генераторов либо синтезировать (на избытках вырабатываемой ими энергии) аммиак, накапливая его в резервуарах, либо генерировать из накопленного топлива недостающую энергию, подавая её в местную энергосеть. Полностью автономная необслуживаемая установка будет оснащена средствами сбора данных, системами SCADA и диспетчерского управления, чтобы обеспечить дистанционный мониторинг состояния оборудования и управление им из диспетчерского центра.
Реактор SSAS нашпигован трубками из протонопроводящей керамики
На все руки
На Аляске нет целостной энергосистемы, соединённой с Единой энергосистемой США и Канады (аналогичная картина наблюдается во многих отдалённых российских регионах). Многочисленные «островные» энергосети (причём не только на реальных океанских островах, но и на материке) часто не справляются с бесперебойной круглогодичной подачей потребителям необходимого количества электроэнергии. Кроме нескольких гидроэлектростанций, угольных ТЭС, солнечных и ветровых станций, электроэнергию для заполярного штата вырабатывают дизель-генераторы, а стоимость «северного завоза» дизельного топлива хорошо известна. Поэтому цена киловатт-часа на Аляске нередко зашкаливает за доллар, из-за чего многие местные жители вынуждены сводить потребление электроэнергии к минимуму.
Идея авторов проекта — с помощью энергии солнца и ветра снизить стоимость производства электроэнергии и по возможности обеспечить регулярную и бесперебойную её подачу, сведя при этом к минимуму вредные выбросы во внешнюю среду. Дополнительное преимущество такого подхода — возможность использования «чистого» аммиачного топлива не только для генерации электричества, но и для других целей, например, заправки доработанных лодочных моторов и привода различных механизмов. Во время испытаний в Калифорнии экспериментальный мотор более 1000 часов приводил в движение ирригационный насос, работая на смеси, состоящей из 75% аммиака и 25% пропана. Мощность этого шестицилиндрового мотора — около 100 л. с., КПД — порядка 50%.
Двигатель спорткара Marangoni Toyota GT-86 Eco-Explorer работает на аммиаке
Ещё одна интересная идея авторов проекта — размещать на морских и речных баржах крупные рефрижераторные аммиачные резервуары атмосферного давления, к которым будут подключены установки SSAS. Благодаря этому значительно упростится и удешевится доставка топлива в те районы, где оно в данный момент нужнее всего.
«Зеленый» аммиак — отличная возможность
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.