Не только удобрения. Как аммиак может заменить ископаемое топливо

Століття тому світ зіткнувся із загрозливою продовольчою кризою. Бурхливе зростання населення спонукало фермерів вирощувати культури швидше, ніж діазотрофи – мікроорганізми в ґрунті, що засвоюють атмосферний азот, встигали перетворити його в аміак. Водночас запаси гуано та природних нітратів у Південній Америці, які вони застосовували як добриво, зменшувалися.

На початку ХХ століття німецькі хіміки Фріц Габер і Карл Бош віднайшли процес реакції водню й атмосферного азоту під тиском для отримання аміаку. Згодом він став відомим як процес Габера-Боша, а отриманий продукт – аміак фермери почали використовувати замість природних добрив. 

Навіть сьогодні за їх методом виробляється майже весь аміак у світі, а також такі його похідні, як сечовина та нітрат амонію. Зараз більшість аміаку використовується для виробництва добрив.

Виробництво аміаку та викопне паливо

У результаті синтезу Габера-Боша аміак утворюється внаслідок зв’язування азоту та водню в реакторі із високими тиском (200 атмосфер) і температурою (500 градусів Цельсія). Аміак утворюється у вигляді газу, а потім охолоджується в рідину за температури -33 градусів Цельсія для зберігання та транспортування.

На схемі нижче представлена спрощена компоновка технологічного заводу Haber-Bosch.

Вимоги до високого тиску та температури роблять цей процес енергоємним. Крім того, найпоширенішим джерелом водню для виробництва аміаку є природний газ – викопне паливо. Обидва ці факти роблять нинішнє виробництво аміаку надзвичайно залежним від викопного палива та значного викиду вуглекислого газу.

Світове виробництво аміаку споживає 1,8% світової енергії та генерує 1,8% глобальних викидів вуглекислого газу. Це більше, ніж генерує Південна Африка від використання всього викопного палива при тому, що отримує 92% своєї енергії з викопного палива.

Чому аміак як паливо набуває популярності у світі?

Сьогоднішня криза – це зміна клімату. Цього разу аміак може прийти на допомогу людству, забезпечивши широке впровадження економічно доцільних технологій уловлювання, зберігання та транспортування зеленого водню з метою подальшого використання в паливних елементах і турбінах для отримання енергії без викидів вуглецю. 

Також у світі майже кожного тижня з’являються нові практичні кейси зі спалювання аміаку безпосередньо в енергетичних установках і двигунах кораблів.

Зокрема, оновлена національна воднева стратегія Німеччини передбачає, що попит на водень у країні різко зросте до 2045 року, включаючи новий попит на виробництво електроенергії з водню та аміаку. 

Процес аукціону, який завершиться у 2026 році, стимулюватиме будівництво 4,4 ГВт електростанцій типу "спринтер" по всій країні, які вироблятимуть електроенергію з чистого водню або аміаку. Це сприятиме подальшій інтеграції відновлюваної енергії в національну мережу Німеччини.

У червні уряд штату Андхра-Прадеш (Індія) запровадив нову політику щодо водню та аміаку, включаючи цільове виробництво до 2 мільйонів тонн відновлюваного аміаку на рік, а також низку стимулів для залучення розробників проєктів до індійського штату. Ця новина з’явилася під час запровадження стандартів "зеленого" водню Міністерством нової та відновлюваної енергетики цієї країни. 

Аміачне паливо може стати життєздатним джерелом енергії з низьким вмістом вуглецю в майбутньому. Зростання інтересу до використання аміаку для отримання енергії в основному пов’язаний не тільки із властивостями, які роблять його чудовим варіантом для кількох випадків використання, а також з агрегатним станом, який полегшує його зберігання та транспортування. Крім того, він має більшу енергетичну густину, ніж водень – його головний конкурент.

Однак більшість аміаку походить з природного газу або вугілля, а виробництво екологічно чистого зеленого аміаку все ще перебуває на стадії становлення.

Викиди вуглецю при виробництві аміаку майже повністю залежать від споживання енергії. Якщо джерелом енергії є відновлювана чи атомна генерація, викиди мінімальні. І водень, і аміак є потенційними відновлюваними джерелами палива, які відіграватимуть важливу роль, зокрема, для декарбонізації галузей, які важко декарбонізувати, наприклад, виробництво добрив, металургія, танкерні морські перевезення (суднове паливо), розробка корисних копалин (високо габаритна техніка кар’єрного типу) та інші.

Однак, витрати на виробництво зеленого аміаку залишаються непомірно високими для широкого впровадження. Міжнародне агентство з відновлюваних джерел енергії (IRENA) оцінює витрати на виробництво однієї тонни аміаку із зеленого водню до 1400 дол, тоді як аміак, отриманий через використання природного газу, коштує до 340 дол. 

Цей розрив у ціні ускладнює стимулювання глобальної промисловості до переходу на виробництво екологічно чистого водню з відновлюваних джерел. Втім через удосконалення технологій і внаслідок падіння виробничих витрат при виробництві саме зеленого водню зелений аміак може стати життєздатною альтернативою як низьковуглецеве паливо майбутнього.

Чим аміак кращий за водень?

Аміачне паливо легко транспортувати та зберігати

Аміак не вимагає таких екстремальних умов, як водень під час транспортування та зберігання. Рідкий водень необхідно зберігати в резервуарах високого тиску при 340 атм. або у вигляді рідини в кріогенних умовах при мінус 252оС. 

Для порівняння, рідкий аміак вимагає для зберігання лише мінус 33оС. Ці більш м’які умови зберігання означають, що зберігання аміаку не тільки безпечніше та дешевше, але й менш енергоємне.

Аміак може виробляти більше енергії, ніж водень

Аміак має більшу енергетичну густину. Рідкий аміак має густину енергії 15,6 МДж/л порівняно з рідким воднем 9,1 МДж/л і газоподібним стисненим воднем 5,6 МДж/л. Вища густина енергії означає, що для виробництва тієї ж кількості енергії потрібен менший об’єм аміаку, ніж водню. Це означає, що аміак може стати більш універсальним паливом для застосування.

Інфраструктура для аміаку вже створена

Завдяки столітньому використанню аміаку в сільському господарстві вже сформована його інфраструктура. У всьому світі щорічно виробляється близько 180 мільйонів метричних тонн аміаку. Торгова, транспортна та складська інфраструктура для аміаку розташована приблизно в 200 портах по всьому світу. 

Енергетичне застосування аміаку як низьковуглецевого палива ініціює зростання потужностей цієї інфраструктури. З іншого боку, відсутність водневої інфраструктури є однією з найбільших проблем для виробництва водню, його транспортування, зберігання та застосування. 

Від теорії до практики – розробки світових промислових лідерів

Природа наділила аміак властивостями, які, здається, роблять його ідеальним товаром для майбутньої водневої економіки.

Хімічні компанії відчули нові можливості аміачної промисловості та сфокусували напрямки R&D на створенні сучасних "зелених" технологій його отримання, у якому водень, отриманий у результаті електролізу води за допомогою альтернативної енергії, замінює водень, отриманий із вуглеводнів, що робить виробництво аміаку практично вуглецево нейтральним. 

Вони також інвестують в розвиток способів уловлювання та зберігання вуглецю, щоб мінімізувати вплив вуглецю під час виготовлення звичайного аміаку, отримуючи блакитний аміак.

До недавнього часу більшість запропонованих проєктів з виробництва екологічно чистого аміаку були невеликими – десятки тисяч метричних тонн, а не пів мільйона метричних тонн на рік або більше, які виробляє звичайний завод з виробництва аміаку.

Австралія з її майже безмежними джерелами відновлюваної енергії та з урядовим фінансуванням декількох аміачних проєктів є, мабуть, безумовним лідером розвитку зеленого аміаку. 

Австралійське агентство з відновлюваних джерел енергії оголосило, що створення експортної економіки для відновлюваних джерел енергії є одним із його пріоритетів. У штатах Австралії політики бачать відновлюваний аміак як потенційне джерело місцевих робочих місць і податкових надходжень. 

Серед інших обговорюється проєкт створення терміналу для експорту аміаку в портовому місті Гладстон, яке вже є центром доставки зрідженого газу до Азії. 

Наприклад, норвезький виробник добрив Yara має намір встановити електролізери для виробництва 3500 тонн зеленого аміаку на рік на своєму заводі в регіоні Пілбара Західної Австралії. 

Виробники вибухових речовин на основі нітрату амонію Dyno Nobel і Queensland Nitrates вивчають можливість виробництва 9000 і 20 000 тонн зеленого аміаку. Пілотні програми також реалізуються у Новій Зеландії та Чилі.

На початку цього десятиріччя було анонсовано кілька значно більших проєктів. Безумовно, найамбітніший з них – у Саудівській Аравії. Проєкт вартістю 5 мільярдів доларів передбачає будівництво безвуглецевого міста в Саудівській Аравії. Цей проєкт реалізується в партнерстві між американською компанією Air Products and Chemicals, місцевою компанією ACWA Power і розробником NEOM. 

Будівництво планують завершити у 2025 році, виробничі потужності будуть розміщені на узбережжі Червоного моря. Для виробництва водню буде використовуватись енергія сонця з сонячних батарей, а турбіни, що вловлюватимуть нічний вітер, будуть виробляти 4 ГВт електроенергії для установок електролізу води. 

Зелений водень буде подаватися на традиційну установку з синтезу Габера-Боша для виробництва 1,2 мільйона тонн аміаку на рік (!!!) – це надзвичайно велика кількість низьковуглецевих добрив і палива майбутнього навіть за звичайними стандартами.

На виробництві амбіції не зупинилися. На черзі – логістика. Зокрема, Air Products and Chemicals, Inc. планує інвестувати 2 мільярди доларів у створення нової схеми дистрибуції аміаку. Проєкт передбачає доставку аміаку по всьому світу на спеціалізовані заводи, що встановлені в автопарках (депо) для автобусів і вантажівок, які працюють на водневих елементах. 

Ці установки дисоціюватимуть (розкладатимуть) аміак для отримання водню, якого вистачить для забезпечення зеленим безвуглецевим паливом 15 000 (!!!) вантажівок і автобусів.

Цей проєкт важливий з погляду техніко-економічного обґрунтування абсолютно нової галузі світової промисловості, він є першим, найбільшим за обсягом і найінноваційнішим проєктом, який втілює очікування людства в безвуглецевій енергії в реальність.

Норвезька хімічна компанія Yara International ASA, найбільшою сферою діяльності якої є виробництво азотних добрив, розглядає можливість встановлення електролізерів на своєму заводі аміаку в Слуйскілі (Sluiskil), Нідерланди, щоб виробляти достатню кількість водню для отримання 75 000 тонн аміаку щорічно. 100 МВт електроенергії будуть надходити від нової морської вітрової електростанції.

Другий, ще більший проєкт Yara International ASA – будівництво нових електролізерів на заводі в Порсгрунні (Porsgrunn), Норвегія, для щорічного виробництва 500 000 тонн зеленого аміаку.

Відновлювану енергію планується отримувати з енергетичної мережі Норвегії. У цій країні вже 98% електроенергії генерується завдяки багатим гідроелектроресурсам країни. Yara планує постачати зелений аміак як судове паливо для кораблів. Але перш ніж рухатися вперед, компанія шукає заохочувальні стимули разом з норвезьким урядом.

Американська компанія CF Industries запускає перший великий проєкт екологічного аміаку в США. Компанія інвестує 100 мільйонів доларів США, щоб перетворити 20 000 тонн традиційного аміаку на рік на своєму флагманському заводі в Дональдсонвіллі, штат Луїзіана, на екологічно безпечний зелений, шляхом встановлення електролізерів. Відновлювана електроенергія для заводу буде закуповуватися на ринку і постачатися через існуючі електромережі.

За оцінками CF Industries, виробництво зеленого аміаку коштуватиме приблизно 500 доларів США за метричну тонну. Але компанія підрахувала, що на ринку альтернативної енергетики вона може отримати 2200 доларів за метричну тонну, що приблизно у вісім разів більше, ніж зазвичай.

Останнім часом CF Industries отримує багато "вхідних запитів із Японії, де енергетичні компанії експериментують із спільним спалюванням аміаку на вугільних електростанціях з метою повністю замінити викопне паливо на аміак.

Успішні втілення амбіційних кейсів з виробництва зеленого аміаку все ж таки будуть мати чергові виклики щодо його застосування у транспорті. Argus Consulting Services, вказує на низку перешкод, які повинна подолати транспортна галузь, якщо вона хоче використовувати екологічно чистий аміак як альтернативне паливо.

Однією з перших ініціатив розроблення та випробування суднових двигунів, які здатні використовувати аміак, розпочав фінський виробник двигунів Wartsila. Цього року компанія запустила випробування чотиритактного суднового двигуна, що працює на аміаку. У межах інших випробувань німецька MAN Energy Solutions вдосконалює двотактний аміачний двигун.

Mitsui O.S.K. Lines (Mitsui) - група з діяльністю в багатьох галузевих сегментах судноплавства та поза його межами, оновила своє екологічне бачення у квітні 2023 року. Вони оголосили стратегічний напрямок, відводячи значну роль низьковуглецевому аміаку. 

У гармонії з розробкою політики декарбонізації судноплавства в Міжнародній морській організації (IMO) та інших країнах, проникнення нових видів морського палива вимагає допомоги з боку таких стратегічних ініціатив на рівні компаній.

У жовтні 2021 року Mitsui підписали меморандум про взаєморозуміння з MAN Energy Solutions щодо суднових двигунів, що використовують аміак, які планується вивести на ринок до 2025 року.

Довідково: Діяльність Mitsui у судновому сегменті включає напрямки контейнерів, балкерів, автовозів, LNG tankers, плавучих сховищ і регазифікаційних/плавучих сховищ (FSRU), що становить понад 800 суден.

Компанії спільно з Tsuneishi Shipbuilding і Mitsui E&S Shipbuilding розробляють газовоз, що працює на аміаку, а також мають ще один проєкт розробки з Mitsubishi Shipbuilding (MSB) і Namura Shipbuilding розміру J-Flex post-VLGC на аміачному типі двигуна. Це судно є оптимальною конструкцією для доставки палива на японські вугільні електростанції.

Mitsui також співпрацює з MSB і Kansai Electric у розробці та розгортанні FSRU на аміаку. Все це узгоджується з Меморандумом про взаєморозуміння з Jera щодо вивчення ланцюжка постачання аміаку, танкерів, які працюватимуть на аміачному двигуні, включаючи доставку на електростанцію Hekinan, яка зараз розробляється. Також триває дослідження з AiP для балкера Capesize, що працює на аміаку, і судна для зберігання морського палива в Сінгапурі. 

Аміак і атомна генерація

Дуалізм зеленого аміаку як низьковуглецевого палива майбутнього полягає в тому, що там, де компанії бачать високі прибутки від зеленого аміаку, споживачі отримають додаткові витрати, тому що премія для постачальника означає, що хтось інший повинен нести основний тягар, тобто ми, як споживачі.

Інше питання для сектору зеленого аміаку, чи буде достатньо екологічно чистої генерації для його підтримки. Позитивні прогнози щодо енергетики підтверджуються, наприклад, звітом BP Energy Outlook, у якому йдеться, що відновлювані джерела енергії зростуть до 45–60% до 2050 року, оскільки витрати на її виробництво впадуть на 30–70%.

Рішення здешевлення зеленої генерації шукає консорціум Alfa Laval, Topsoe & Copenhagen Atomics та досліджує виробництво зеленого аміаку з атомної генерації, яка базуватиметься на малих модульних реакторах або на торієвому типі реактора. 

Суть проєкту, який реалізовують данці, полягає у використанні торієвих реакторів з розплавленою сіллю, аби отримати необхідну енергію. Компанія розробила та запатентувала свій винахід. Ще одна їх технологія використання електролізерів SOEC. 

Електроліз твердого оксиду в основному використовує електроенергію для розщеплення води на водень і кисень. Потім водень використовують для виробництва аміаку. У компанії зазначають, що намагаються зробити все, аби ціну на зелений аміак наблизити до ціни аміаку на основі викопного палива.

Консорціум данських та індонезійських компаній, включаючи Topsoe, Copenhagen Atomics, Pupuk і Pertamina, співпрацюватиме для розробки проєкту з виробництва аміаку на атомній електростанції потужністю 1 мільйон тонн на рік для виробництва добрив у Бонтанг, Індонезія. Торієві реактори з розплавленої солі Copenhagen Atomics вироблятимуть потужність електролізу твердих оксидів в 1 ГВт.

Говорячи про майбутнє водневої економіки, слід мати на увазі, що блакитний аміак може запропонувати більш швидший і дешевший шлях до водневої економіки, ніж зелений. Ринок більше зосереджується на зеленому аміаку через його ідеальні екологічні характеристики. 

Але, якщо ви подивитеся на потенціал використання існуючих потужностей і існуючих енергетичних ресурсів, блакитний аміак повинен відігравати важливу роль, незалежно від того, чи це роль перехідного періоду, чи це роль, як частина довгострокового енергетичного балансу. Це збільшує роль природного газу як сировини. 

І знову про сільське господарство

Цікавий кейс був реалізований американською компанією Monolith Materials, яка побудувала завод в Халламі, штат Небраска, що розщеплює природний газ на водень і елементарний вуглець, матеріал, відомий промисловості як сажа. Сажа продається як наповнювач для шин і гуми.

Технологічний процес ініціюється плазмовим факелом, який живиться відновлюваною енергією, а виробничі потужності дозволяють виробляти водень із природного газу без викидів діоксиду вуглецю, а також отримувати блакитний аміак.

Monolith Materials реалізувала іншу модель, аніж виробники зеленого аміаку, яка може бути цікавою в короткостроковій перспективі для України. Завод, розташований посередині кукурудзяного поясу США, продає аміак як добриво з низьким вмістом вуглецю, а не як паливо.

Рефлексія щодо розвитку водневої економіки в Україні з її потенціалом виробництва зеленого аміаку окреслює два перспективних напрямки з огляду на початок функціонування Механізму транскордонного вуглецевого регулювання СВАМ.

Довідково: СВАМ (Carbon Border Adjustment Mechanism) – це механізм, покликаний запобігти забрудненню навколишнього середовища вуглецем, шляхом збору податку з імпортерів ЄС за ввезення товарів із вуглецевим слідом. З 1 січня цього року в Україні функціонує система моніторингу, звітності та верифікації викидів парникових газів. Планується, що СВАМ запрацює в тестовому режимі вже з 1 жовтня цього року.

Перший напрямок полягає у виробництві низьковуглецевих добрив для аграрного сектору, що дозволить запропонувати на європейські та світові ринки сільськогосподарську продукцію з низьким або від’ємним значенням вуглецевого сліду.

Другий – у генерації відновлюваної енергії, з якої буде вироблятися зелений водень з наступною його трансформацією в зелений аміак. Цей новий сектор економіки з урахуванням існуючої інфраструктури та парку авто- та залізничних цистерн має сфокусуватися на експортному потенціалі до країн Європейського Союзу, насамперед до сусідньої Польщі. Також цікавий німецький напрямок з його стрімким зростанням ринку на тлі дефіциту власних потужностей і обмеженості нових проєктів. 

Інноваційні технології: вже апробуються!

Зворотні паливні елементи можуть використовувати відновлювану енергію для виробництва аміаку з повітря та води, що є більш екологічно чистим методом, ніж промисловий процес Габера-Боша.

Зворотний паливний елемент використовує відновлювану чи атомну електроенергію, щоб запускати хімічну реакцію, у результаті якої утворюється аміак. Вода реагує на аноді з утворенням іонів водню (H+), які мігрують до катода, де реагують з азотом (N2) з утворенням аміаку. Реакція ефективна, але повільна.

У 2021 році науковці Університету Монаш (Австралія) на чолі з професором Дугом Макфарлейном, доктором Брайаном Сурьянто і доктором Олександром Симоновим розробили процес, заснований на солях фосфонію. Методи прямого синтезу безвуглецевого аміаку включають електрохімічну реакцію відновлення азоту. Отже, аміак можна виробляти навіть при кімнатній температурі та тиску повітря, з води та відновлюваної енергії. Цікаво, що сама установка при цьому – розміром зі звичайний холодильник. Це дуже важливо, адже виробництво аміаку може бути локалізовано на території навіть невеличкої ферми.

Вчені впевнені в актуальності свого методу і кажуть, що зі збільшенням населення планети попит на аміак досягне 350 мільйонів метричних тонн на рік уже до 2050 року. 

Перспективи

Зростання попиту на аміак насамперед пов’язане з перспективами його використання як енергоносія та палива. Це, своєю чергою, може дещо мінімізувати використання аміаку як добрива через викиди N2O. Проте це не вплине суттєво на загальну картину. 

Тому вкрай важливо максимально декарбонізувати його виробництво, спочатку за допомогою виробництва зеленого водню, потім із додаванням модульного електрохімічного синтезу або інших інноваційних технологій виробництва. 

І щойно ми зможемо збільшити та знизити вартість екологічно чистого аміаку, тоді у нас з’явиться приголомшлива перспектива використовувати його як безвуглецевого палива в багатьох галузях, в яких поки що важко зменшити споживання викопних палив (судноплавство, авіація, важкі вантажні перевезення).