Вы услышите гораздо больше об аммиаке как экологически чистом топливе по мере того, как будет продолжаться гонка за нулевым выбросом углерода к 2050 году. В частности, это хороший вариант для дальних перевозок и автоперевозок. Итак, что это такое, как оно производится и как используется в качестве зеленого топлива?
Химически аммиак представляет собой молекулу, состоящую из трех атомов водорода, каждый из которых связан с одним центральным атомом азота. Оба очень расспространенных элемента; Атмосфера Земли состоит в основном из азота, а водород, конечно, является самым распространенным элементом во Вселенной. Это не значит, что его просто производить, но мы еще вернемся к этому.
При атмосферном давлении аммиак — очень вонючий газ с температурой кипения -33,3 ° C (-28,0 ° F). При хранении в холоде или под умеренным давлением его относительно легко сжижать, что делает его гораздо более легким в транспортировке и хранении экологически чистым топливом, чем водород. Вы можете возить его или хранить в цистернах, дешево, как чипсы. Хранить водород почти в 30 раз дороже .
Действительно, во многих отношениях аммиак лучше хранит водород, чем сам газообразный водород; Н2 известен тем, что просачивается через металлические стенки контейнеров, делает сталь, с которой он контактирует, хрупкой и требует много энергии для сжижения при криогенных температурах. А еще есть плотность: это может показаться странным, но в галлоне аммиака в полтора раза больше водорода, чем в галлоне водорода, при прочих равных.
Аммиак опасен для человека,, классифицируемый как «чрезвычайно опасное вещество» в Соединенных Штатах, со строгими требованиями к отчетности для любого предприятия, которое использует значительное количество.
Сегодня его чаще всего используют в сельском хозяйстве, где в виде соли или раствора это мощное удобрение, ведущее к повышению урожайности некоторых зерновых культур. Это составляет почти 90 процентов коммерческого использования аммиака в Соединенных Штатах. Остальное включает в себя промышленное использование в качестве предшественника практически всех синтетических соединений азота, использование в качестве бытового чистящего средства общего назначения, использование в качестве источника азота в процессе ферментации, использование в качестве антимикробного агента, в частности, для уничтожения бактерий E. coli в супер- мелкий говяжий фарш и другие виды использования.
По объему аммиак (15,6 МДж / л) несет на 70 процентов больше энергии, чем жидкий водород (9,1 МДж / л при криогенных температурах), и почти в три раза больше энергии, чем сжатый газообразный водород (5,6 МДж / л при давлении 700 бар). . По весу он несет 6250 Втч / кг — более чем в 20 раз больше энергии, чем современные литиевые батареи, и более чем достаточно, чтобы преодолеть неэффективность, возникающую при извлечении энергии.
Дизельное топливо, как преобладающее ископаемое топливо для дальних перевозок, конечно, значительно лучше, давая вам 38,6 МДж / л и 12 667 Втч / кг в цикле сгорания. Но количества аммиака достаточно, чтобы об этом заговорить, и дни дизельного топлива сочтены.
Есть несколько основных способов использования аммиака в качестве топлива. Один из них заключается в «крекинге» его обратно в газы H2 и N2, а затем использовании водорода в качестве топлива для сжигания или для производства электроэнергии с помощью топливных элементов. Австралийский CSIRO подсчитал, что с точки зрения эффективности отдача аммиака составляет около 2094 Вт · ч / кг при преобразовании в водород и прохождении через топливный элемент PEM. Это примерно 19 процентов от 10 МВтч / т возобновляемой энергии, необходимой для производства аммиака.
Другой вариант — сжигать аммиак непосредственно в качестве топлива для горения , объединяя его с кислородом для высвобождения энергии, с газообразным азотом и водой, единственными продуктами выхлопа. Это не очень просто — аммиак не горит при более низких температурах, поэтому обычно необходимо использовать другое топливо для сжигания вместе. Кроме того, если процесс сгорания не управляется должным образом, он может выделять большое количество закиси азота, мощного парникового газа. Но если все сделано правильно, CSIRO рассчитывает, что он возвращает 2315 Вт · ч / кг, или 21 процент энергии, затрачиваемой на синтез аммиака.
Третий вариант — использовать аммиак непосредственно в качестве топлива для высокотемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) , создавая электричество с азотом и водой в качестве побочных продуктов. Это намного эффективнее, возвращая 5 510 Втч / кг, или 50 процентов потребляемой энергии. Недостатком здесь является то, что технология SOFC является дорогой и, как правило, работает медленно, предлагая низкую удельную мощность, но можно запустить гибридную систему с одним топливным баком, преобразовывая процент аммиачного топлива в водород, когда требуется импульсная мощность.
Производство обычного аммиака: кошмар с выбросами
В настоящее время производство аммиака — грязный и энергоемкий процесс. Большая часть производимого сегодня водорода начинается с водорода из метанового газа парового риформинга. Извлечение этого природного газа из земли всегда вызывает утечку метана в атмосферу, где это невероятно мощный парниковый газ, а процесс парового риформинга не только требует много энергии, но и выделяет углекислый газ как часть реакции.
Чтобы объединить эти молекулы H2 с молекулами N2, взятыми из атмосферы, вам необходимо разорвать прочные связи, удерживающие эти атомы азота вместе. Обычно это делается с использованием процесса Габера-Боша, который нагревает смесь двух газов до температуры выше 400 ° C (752 ° F) и создает в них давление примерно до 250 бар в присутствии железного катализатора для создания жидкого аммиака.
Излишне говорить, что стоимость энергии здесь огромна, и большая часть ее обычно поступает из ископаемого топлива. Поскольку аммиак производится в огромных количествах — это второй по величине химикат в мире — в настоящее время на него приходится около 2 процентов мирового потребления ископаемой энергии и связанных с этим выбросов. Добавьте к этому химическую переработку и неорганизованные выбросы метана, и аммиак станет самым большим загрязнителем в промышленном химическом производстве на милю страны.
При текущих уровнях производства на аммиак приходится около 1 процента всех антропогенных выбросов парниковых газов, и отсюда производство только растет.
Устойчивое производство аммиака
Можно сократить выбросы от текущего процесса производства аммиака, заменив экологически чистую энергию на ископаемую энергию в процессе Габера-Боша и используя улавливание и хранение углерода для отделения и секвестрации большей части выбросов CO2 в процессе риформинга метана. Однако невозможно предотвратить утечку метана, поэтому этот «голубой аммиак» по-прежнему наносит ущерб окружающей среде. Это считается переходным этапом.
Поистине «зеленый аммиак» можно производить, используя возобновляемую энергию для получения водорода путем электролиза, а затем пропуская его по процессу Габера-Боша, также используя зеленую энергию. Это относительно неэффективное использование возобновляемых источников энергии, но оно дает вам действительно свободный от выбросов источник аммиака. Это считается среднесрочным решением.
В стадии разработки находятся и другие полностью экологически чистые методы, в том числе технология « обратного топливного элемента », которая преобразует возобновляемую энергию, воду и воздух в аммиак без необходимости отдельного процесса электролиза водорода. Они начинают выглядеть довольно эффективными, но в настоящее время они все еще слишком медленны, чтобы производить колоссальные объемы аммиака, необходимые для текущих сельскохозяйственных целей, не говоря уже о том, чтобы обслуживать развивающийся рынок экологически чистого жидкого топлива.
Подобные электрохимические решения — вот где нужно сосредоточить внимание и деньги; они являются наиболее многообещающим путем к нулевым выбросам для этого колоссального промышленного сектора, что бы ни спорили традиционные компании, работающие на ископаемом топливе.
По сути, аммиак действительно может стать пригодным для использования чистым топливом. Но путь сюда не ясен. Необходимо проделать значительную работу по разработке и расширению новых методов производства зеленого аммиака, а с другой стороны, необходимо проделать значительную работу по разработке эффективных и действенных способов использования энергии, которую он хранит. Обе стороны этого уравнения также должны стать конкурентоспособными по стоимости, если необходимо заменить дешевое грязное дизельное топливо.
Но исследования в этих областях набирают обороты, и аммиак будет намного проще хранить, транспортировать и распространять с использованием существующих сетей и технологий, чем водород.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК