Аммиак составит конкуренцию природному газу

В мире только начали появляться экспериментальные предприятия по производству зеленого аммиака (на фото завод в Оксфорде). Фото с сайта www.seh.ox.ac.uk

Для большинства стран характерны сильные сезонные перепады спроса на энергию в зависимости от климатических и географических условий. В более холодных регионах самое активное потребление происходит зимой в сегменте отопления, а в более теплых – летом в сегменте кондиционирования. Например, в Великобритании, по данным Energy Research Partnership, в холодный период на отопление приходится около 25% энергетического спроса. При этом обычно пиковый сезонный спрос покрывается за счет углеводородов, которые государства успели накопить в своих хранилищах. В первую очередь речь идет о природном газе.

Эксперты Оксфордского института энергетических исследований отмечают, что по сценарию низкоуглеродного будущего углеводороды необходимо будет заменить зеленой электроэнергией, альтернативами с нулевыми выбросами при отсутствии экономических мощностей для захвата CO2 в процессе сгорания топлива. Но проблема в том, что поставки возобновляемой энергии невозможно стабильно наращивать или уменьшать в соответствии с изменением спроса.

В связи с этим встает вопрос долгосрочного хранения энергии. К поиску новых решений в этом направлении также подталкивают и возможные перебои с ее подачей. Особенно к этому чувствительны возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Ведь зачастую пиковый спрос совпадает с погодными условиями, которые снижают эффективность солнечных панелей и ветрогенераторов. К этому могут приводить обильные снегопады, высокое давление, песчаные бури и просто негативное воздействие температуры окружающей среды. Кроме того, изменение климата может вызвать увеличение периодов слабой ветрогенерации.

Еще одно препятствие на пути распространения зеленой энергии заключается в том, что наиболее дешевые и чистые с экологической точки зрения источники далеко не всегда находятся поблизости от центров спроса. Доставка такой энергии может быть связана с рядом технических трудностей и стоить достаточно дорого, а поэтому получается нерентабельной. Найти эффективный способ связать объект генерации с потребителями – задача не менее важная, чем декарбонизация в целом, считают в Оксфорде. Решить ее можно за счет хранения больших объемов энергии в транспортабельной форме. По мнению экспертов, несмотря на разнообразие способов хранения, будущее отрасли связано прежде всего с электрохимическим и химическим.

Основные технологии

Всего же выделяют четыре типа технологий хранения: электрический, электрохимический, механический и химический.

Электрический представляют сверхпроводники и суперконденсаторы. Сверхпроводники характеризуются высокой эффективностью, но относительно малым объемом хранения, низкой удельной электроемкостью, а также интенсивными ежедневными потерями энергии. Все это ограничивает возможности по их широкомасштабному внедрению в энергосистему. Более того, учитывая требуемые объемы, затраты будут неподъемными. Суперконденсаторы – не менее эффективный, но более экономичный вариант. Однако на данном этапе развития технологии они отлично подходят только для краткосрочного хранения энергии в небольших объемах.

Электрохимический включает четыре варианта: свинцово-кислые, литий-ионные, высокотемпературные и проточные редокс-аккумуляторы. Среди них литий-ионные обладают самой высокой эффективностью преобразования энергии и объемом хранения. Вслед за снижающейся ценой и повышающейся производительностью в будущем они могут упрочить свое доминирующее положение и открыть для себя новые рынки, полагают эксперты. Тем не менее в пользу распространения ванадиевых проточных батарей говорит то, что запасы ванадия в земной коре значительно превышают запасы лития. И все же обе технологии чрезвычайно дорогие, а объем энергии, который они могут хранить и транспортировать на большие расстояния, не сравнится с углеводородами. Другие два варианта совсем не подходят для широкого применения, их возможности в разы меньше.

Под механическим типом подразумеваются такие технологии, как маховиковый накопитель энергии, пневматический аккумулятор и гидроаккумуляция. Они имеют больше шансов на масштабное применение в экономике на базе углеродной нейтральности, так как стоимость их установки значительно ниже, чем у сверхпроводников и суперконденсаторов. Но, несмотря на высокую энергоемкость (80–200 Вт-ч/л) и эффективность преобразования энергии, маховиковые накопители, например, более-менее схожи с электрическими вариантами хранения по низкому объему (около 0,0001 ГВт-ч) и огромным ежедневным потерям (5–15% в час) хранимой энергии. Технологии пневматических батарей и гидроаккумуляции, в свою очередь, могут удачно сочетаться друг с другом и обеспечивать надежное долгосрочное хранение. Кстати, в масштабах энергосистемы гидроаккумуляция является наиболее распространенным решением. Вот только для транспортировки энергии эти технологии не годятся.

Химический тип в Оксфорде видят наиболее перспективным кандидатом для масштабного долгосрочного хранения энергии с возможностью транспортировки. И помимо популярного сегодня природного газа энергию можно также успешно хранить в форме водорода и аммиака. Применение последних будет расти по мере декарбонизации, считают ученые, так как традиционное голубое топливо не полностью соответствует текущим экологическим целям прогрессивных стран.

Преимущества и недостатки

У водорода и аммиака приблизительно одинаковые энергоемкость и стоимость, а вот удельная энергия на единицу объема у аммиака более чем на 50% выше. И это делает его более экономически привлекательным. Также аммиак проще и безопаснее (не столь легковоспламеняющийся) в обращении. Давление его насыщенных паров значительно более низкое (10 бар при 25 градусах Цельсия), и это снижает требования к контейнерам для перевозки. А благодаря точке кипения в 33,36 градуса Цельсия (у водорода – –252,9 градуса Цельсия) его легче сжижать и при транспортировке тратится меньше энергии. Кроме того, резкий запах аммиака полезен для быстрого обнаружения утечек.

Эксперты подчеркивают, что внедрить аммиак в энергосистему можно максимально быстро. Объясняется это тем, что вещество сейчас широко используется и производится в больших объемах, поэтому необходимая для его содержания и передачи инфраструктура, а также законодательное и техническое регулирование уже существуют. Да и способы его транспортировки весьма разнообразны: трубопроводы, железная дорога, грузовой автотранспорт, баржи и корабли. Так что масштабное инвестирование не понадобится.

При условии производства с нулевыми выбросами парниковых газов этот ресурс может стать важным элементом декарбонизированной экономики будущего. Хотя в данный момент аммиак чаще всего получают путем парового риформинга, при котором в качестве основного топлива используется природный газ или уголь. Чтобы производство без выбросов стало более популярным, оно еще должно доказать свою экономическую эффективность.

Но у этого чудо-вещества есть и серьезные недостатки. Если для транспортировки более низкий уровень воспламеняемости – это плюс, то для использования напрямую в системе сжигания топлива – минус. Еще одну проблему при таком применении аммиака составляют выбросы оксидов азота. Чтобы их избежать, требуются более совершенные технологии, а это дополнительные затраты.

Также до сих пор не налажено стабильное производство зеленого аммиака. Пилотные проекты на основе электролиза в Великобритании и Японии только недавно начали работу. О строительстве демонстрационных заводов заявили в Австралии, Дании, Марокко и Нидерландах. До промышленных масштабов пока далеко.

Плюс ко всему аммиак токсичен, а значит, на всех этапах от производства до потребления необходим строгий контроль за его хранением. Его утечка может создать серьезную угрозу здоровью людей и условия для загрязнения водоемов водорослями, так как он быстро растворяется в воде. Еще смесь аммиака и воздуха при сильном нагревании может взорваться, что требует постоянного контроля за температурным режимом.

Для обеспечения особых условий безопасности, проведения тренингов по обращению с аммиаком, просветительской работы среди населения, а также установки жесткого контроля, без сомнения, понадобятся немалые финансовые вложения, предупреждают эксперты.

Производственный процесс

По данным Геологической службы США, с 2000 года мировое производство аммиака активно растет. Он востребован на внутренних и внешних рынках, так как выступает важным азотосодержащим компонентом в создании удобрений. На эти цели идет около 80% всего аммиака. При этом от удобрений на базе аммиака зависит около половины мирового урожая. С ростом населения планеты эти показатели будут только расти.

Также аммиак широко применяется в химической промышленности и смежных отраслях в качестве прекурсора для азотсодержащих веществ (в том числе взрывчатых, таких как нитрат аммония). В текстильной промышленности с его помощью смягчают хлопок и выпускают синтетические ткани, а фармацевтике – изготавливают антибактериальные препараты.

Из-за столь высокой востребованности для экспериментов в сфере энергетики сырья практически не остается. Между тем при определенных условиях у него есть потенциал не только в системах сжигания топлива. С развитием технологических процессов он может стать привлекательным источником энергии для транспорта и даже альтернативой флотскому мазуту. Однако суда придется под него приспосабливать, так как аммиак занимает значительно больше места, чем мазут, хоть и меньше, чем водород.

Еще один необычный вариант – аммиак как средство хранения водорода (его там 17,5%). Транспортировать его в таком виде должно быть проще и дешевле.

Сегодня весь процесс выработки аммиака сосредоточен в одном месте, как правило, каждый завод проводит все три стадии производства. И топливо на всех этапах одно, в большинстве случаев это природный газ. Получение аммиака таким традиционным способом (путем парового риформинга, воздушной сепарации и методом Габера–Боша) стало причиной 1,44% мировых выбросов парниковых газов. Поэтому перевод этого сегмента на технологии, не связанные с углеводородами, и которые не выделяют СО2 в атмосферу, эксперты считают одним из средств более быстрого построения зеленой экономики.

Переключение с углеводородов на электричество, вырабатываемое атомными или ВИЭ-электростанциями, не повысит эффективность метода Габера–Боша, но сократит выбросы приблизительно на треть. Но если перевести на электричество и предшествующие стадии, вместе с позитивной для экологии переменой повысится эффективность. В частности, замена парового риформинга на электролиз позволит получать более чистый водород, что поможет избежать неактивации катализаторов.

Ключевыми элементами озеленения производства аммиака оксфордские ученые называют электричество, капитальные вложения, а также эксплуатацию и техническое обслуживание.

Причем доля электричества здесь серьезно перевешивает. Для крупных установок от него зависит около 80% конечной стоимости, а для малых – около 70%. На данном этапе, если взять максимально низкие цены на электричество, производство зеленого аммиака на крупном предприятии будет менее выгодным, чем традиционное на таком же крупном или среднем заводе.

Но малые форматы становятся все более и более жизнеспособными по мере переориентации отрасли на устойчивые технологии и возобновляемые источники энергии. В регионах, где климатические условия позволяют устанавливать ультранизкие тарифы на зеленую электроэнергию (от солнечной или ветрогенерации), небольшие заводы могут посоревноваться в экономической эффективности с предприятиями такого же масштаба, использующими традиционные методы производства. Пока что таких мест немного, отмечают эксперты, но с развитием технологии эта практика может распространиться по всему миру. К снижению затрат и стоимости конечного продукта также может привести децентрализация производства аммиака – разведение разных стадий на отдельные более мелкие предприятия.

Свою лепту в популяризацию подобных проектов может внести увеличение мирового спроса на аммиак и инициативы правительств, направленные на декарбонизацию. Это могут быть ограничения по объему выбросов парниковых газов, углеродные налоги, субсидии, налоговые послабления для инвесторов и многое другое. В конце концов распространение зеленого аммиака может стать решающим фактором в деле сокращения эмиссий СО2 и перехода мировой экономики к углеродной нейтральности. 

Статья подготовлена на основе материалов Оксфордского института энергетических исследований.