Удобрение меняет профессию

Размещено на http://allbest.ru

Удобрение меняет профессию

Алексей Батырь

2018

Введение

При внедрении новых технологий жидкий аммиак сможет стать удобным энергоносителем и основой для эффективных накопителей энергии. 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 ёмкостью 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. м³) 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%. рефрижератор аммиак газ топливо синтез

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.

Размещено на Allbest.ru