У модного сегодня водорода в качестве топлива появилась неожиданная альтернатива – использующийся в качестве удобрения аммиак. Почему инженеры заявляют о способности аммиака «воплотить в жизнь мечту человечества о безуглеродной энергии», чем он лучше других энергоносителей и как все это связано с глобальным потеплением на планете?
По страницам мировой прессы прокатилась волна сообщений о проектах производства аммиака из природного газа, а также поставок этого вещества странам, разрабатывающим двигатели для морского и автомобильного транспорта. Моторы эти, по оценкам экспертов американского портала Oil Price, могут «сильно поуменьшить интерес потребителя к электромобилям и переориентировать покупателей на машины с аммиачными ДВС». Заводы по производству аммиачного топлива начинают строиться в Саудовской Аравии, Австралии, Канаде, Норвегии.
Как два химика решили глобальную проблему
Аммиак используется человечеством давно – но совсем в других целях. Примерно век назад мир столкнулся с надвигающимся продовольственным кризисом. Быстрый рост населения поставил фермеров перед необходимостью не только увеличить объемы выращиваемой продукции, но и добиться более быстрого созревания урожая. Азотфиксирующие бактерии в почве не успевали размножаться в нужном количестве, чтобы решать две названные задачи, а запасы гуано и природных нитратов в Южной Америке, которые фермеры применяли в качестве удобрений, сокращались.
Именно тогда немецкие химики Фриц Габер и Карл Бош разработали способ синтезирования аммиака, соединяя под давлением водород и атмосферный азот. Метод Габера-Боша (за открытие которого эти химики получили Нобелевскую премию) и поныне считается «решением одной из самых глобальных проблем, стоявших перед человечеством» (как называли это тогда). Поскольку именно продукт, получаемый в результате названной выше реакции, позволяет мировому сельскому хозяйству иметь то огромное количество синтезированных удобрений, которое природа создать не может.
Теперь же, по мнению экспертов, аммиак может сыграть свою роль в предотвращении еще одной глобальной проблемы, вызванной человечеством, – чрезмерного выброса углекислоты в атмосферу. И остановить эту катастрофу, считают сегодня многие ученые, способен аммиак (NH3). А точнее, перевод энергетики «на аммиачные рельсы».
Во-первых, потому что он может стать идеальным хранилищем для водорода, который в нужное время и в нужном месте отдаст на использование в топливных элементах и турбинах без выбросов вредных газов. Во-вторых, аммиак может стать экологичным топливом для электростанций и транспортных средств, морских и речных судов в первую очередь.
Преимущества аммиака-топлива
В отчете, составленном датской фирмой Haldor Topsoe, занимающейся технологиями производства аммиака, отмечен ряд преимуществ, которые аммиак-топливо имеет над другими видами горючего. Плотность энергии у аммиака – 12,7 МДж/л, что значительно выше даже, чем у жидкого водорода (8,5 МДж/л). Жидкий водород должен храниться при температуре минус 253°C, тогда как для хранения аммиака требуются всего лишь минус 33°C. Кроме того, благодаря столетнему опыту использования аммиака в сельском хозяйстве уже существует обширная инфраструктура по производству этого продукта. Ежегодно в мире его производится около 180 млн метрических тонн, а 120 портов оборудованы аммиачными терминалами.
Первоначальное внимание движения за экологически чистую энергию уделялось литию благодаря большому вниманию, уделяемому рынкам электромобилей. Но он не в состоянии обеспечить достаточное количество электричества для поддержки полного перехода более тяжелых отраслей промышленности на чистые и устойчивые источники энергии. У аммиака же плотность энергии в девять раз выше, чем у литиево-ионных батарей. Он имеет удельную энергию в 1,8 раза больше, чем водород.
Тони Уилл, генеральный директор CF Industries, крупнейшего в мире производителя аммиака, видит фундаментальный сдвиг в перспективах отрасли. «До этого момента мы занимались продажей азотной составляющей молекулы, – говорит он. – Теперь рынку интересна водородная часть молекулы, и у нее огромные перспективы».
По прогнозам отраслевых аналитиков Fior Markets, ожидается, что мировой рынок аммиака продолжит рост и к 2025 году достигнет отметки в 81,42 млрд долларов США. Судовладельцы и отраслевые аналитики сходятся во мнении, что аммиак может сыграть решающую роль в декарбонизации грузовых судов, что позволит к 2050 году сократить выбросы углерода на 50% по сравнению с уровнем 2008 года, пишет vz.ru.
Первые заводы аммиачного топлива
И промышленность уже начала давать первые результаты. Например, Саудовская Аравия намерена построить завод, который будет выпускать более 1 млн тонн аммиака в год. Солнечные панели и ветрогенераторы, входящие в комплекс, должны будут обеспечить производство необходимыми для работы электролизных установок 4 ГВт электроэнергии. Проект крупный – стандартный завод по производству аммиака ныне выпускает порядка полумиллиона тонн продукта в год.
Компания Air Products потратит дополнительно 2 млрд долларов на создание новой схемы распределения. Он будет поставлять аммиак по всему миру в специализированные хранилища, построенные на базах для автобусов и грузовиков, работающих на водородных батареях. Когда генеральный директор Air Products Сеифи Гасеми представлял проект, он сказал аналитикам, что видит в нем технико-экономическое обоснование для совершенно новой отрасли. «Это первый, и самый крупный, и самый инновационный проект, призванный воплотить в жизнь мечту человечества о безуглеродной энергии», – сказал он.
Норвежский гигант в сфере производства удобрений компания Yara заявила, что рассматривает возможность установки электролизеров на своем заводе по производству аммиака в Слуискиле, Нидерланды. Это даст ей возможность получать количество водорода, достаточное для производства 75 тыс. тонн аммиака в год. Yara хочет продавать аммиак в качестве топлива для кораблей.
Уже упоминавшийся выше CF Industries запускает первый крупный проект по производству «зеленого» аммиака в США. «Спрос на аммиак потенциально огромен. Его уже ищут в качестве топлива для морских и речных судов. А если добавить к этому транспортников, чьи средства будут снабжены водородными двигателями, то спрос можно смело умножать на два», – говорит глава CF Тони Уилл.
Оптимисты и скептики
Не все настроены так оптимистично. Например, Андреа Валентини, директор Азиатско-Тихоокеанскоого и Ближневосточного отделения американской компании по разработке топливной инфраструктуры Argus Consulting Services, указывает на ряд препятствий, которые отрасль должна устранить, если она хочет использовать «зеленый» аммиак в качестве альтернативного топлива. Одна из проблем заключается в том, что судовых двигателей, работающих на аммиаке, пока просто нет.
Разработчики, правда, обещают готовый продукт уже в 2024 году. В рамках одной из таких инициатив финский производитель двигателей Wartsila в этом году начинает испытания четырехтактного судового двигателя, работающего на аммиаке. А один из крупнейших мировых разработчиков двигателей MAN Energy Solutions совершенствует двухтактный аммиачный двигатель. MAN вместе с корейской судостроительной компанией Samsung Heavy Industries участвуют в строительстве первого нефтеналивного танкера, работающего на аммиаке. Конкуренцию им составляет норвежская энергетическая компания Equinor (ранее называлась Statoil). Она, правда, идет несколько иным путем, решив не строить новый танкер, а модифицировать имеющийся в ее распоряжении Viking Energy, «заставив» его работать на аммиаке. И тоже к 2024 году.
«Наша инициатива откроет совершенно новый вариант судоходства с нулевым уровнем выбросов, – заявляет Генриетта Ундрам, вице-президент Equinor по возобновляемым и низкоуглеродным технологиям. – Мы не просто решаем одну небольшую проблему для одного судна. Это часть более крупной картины. Это станет отправной точкой для создания рынка безуглеродного топлива».
Тем не менее отраслевые эксперты говорят, что обновление глобального морского флота будет чрезвычайно дорогостоящим. Для достижения цели по сокращению выбросов углерода на 50% к 2050 году потребуется до 1,4 трлн долларов США. Об этом говорится в докладе по итогам исследования, проведенного в 2020 году группой морских экспертов Energy Transitions Commission (ETC) и ученых из University Maritime Advisory Services (UMAS).
По мнению уже упоминавшегося Валентини, «в уравнении с аммиачным топливом есть еще масса других неизвестных». «У нас есть очень большое количество проектов по производству «зеленого» водорода в разных частях мира, особенно в Австралии и Саудовской Аравии. И мы видим, что те объемы, на производство которых эти страны замахиваются, потребуют значительного повышения стоимости и эффективности электролизеров, – говорит Валентини. – Фирмы надеются обратиться к рынку, которого еще нет. Так что пока на бумаге это выглядит рискованным предложением. Надеюсь, когда будет презентация конкретного двигателя, туман рассеется».
Там, где компании видят высокую рентабельность «зеленого» аммиака, Валентини видит рост затрат, которые надо как-то и кому-то компенсировать. Этот кто-то, как правило, конечный потребитель. Согласится ли он платить больше? При условии организации мощной и долгосрочной кампании под лозунгами «сохранения планеты» и «предупреждения глобальной экологической катастрофы» – вполне возможно, считают некоторые эксперты.
Эксперты Chemical & Engineering News назвали аммиак топливом будущего, которое может стать «идеальным товаром для водородной экономики». Все вроде выглядит солидно, убедительно и перспективно для человечества. Вот только слово «товар» в приведенной выше формулировке напрягает и заставляет вспомнить изречение английского публициста Томаса Джозефа Даннинга, процитированное Карлом Марксом: «При 300% прибыли нет такого преступления, на которое не рискнул бы капитал».
