Как лучше всего хранить энергию, от промышленных масштабов до электромобилей, заменяя широко распространенное использование ископаемого топлива? Чистый водород — это энергетически плотная альтернатива, но газ занимает много места. Жидкий аммиак этого не делает, но он содержит водород и, следовательно, энергию. Ян Уилкинсон из Siemens объясняет преимущества использования аммиака, NH3. Уже сейчас в мире производится 180 млн тонн в год, что составляет € 80 млрд. Это в основном для сельскохозяйственных удобрений, и его история производства насчитывает сто лет — процесс Хабера-Боша принес этим двум джентльменам Нобелевские премии. Так что производить его в масштабе — это само собой разумеющееся. Но аммиак сегодня получают из ископаемых видов топлива, как для производства энергии, так и для получения водорода. Уилкинсон описывает Siemens Green Ammonia Demonstrator, который производит чистый аммиак из зеленого водорода и азота, работающий от ветряной турбины. Аммиак является опасным химическим веществом, но существующие отраслевые стандарты должны обеспечивать его безопасную переработку, хранение и транспортировку. Он говорит, что следующим шагом является развертывание производства чистого аммиака в масштабе, чтобы узнать о реальных проблемах и расходах, с которыми он может столкнуться.
Глобальная энергетическая система переживает радикальный переход декарбонизации прямо через цепочку создания стоимости. Мир в целом, будь то политики, промышленность или потребители, преследует низкоуглеродистые решения для производства электроэнергии, мобильности, промышленного использования и тепла. Но как будет выглядеть будущая энергетическая система?
Когда вы рассматриваете текущую энергетическую систему, она работает очень хорошо во многих отношениях. Большая часть развитых стран мира имеет доступ к источникам энергии. Одним из недостатков являются выбросы углерода, связанные с потреблением ископаемого топлива, и сегодня основное внимание уделяется тому, как декарбонизировать цепь энергоснабжения. Одной из самых популярных стратегий является электрификация, которая имеет большой потенциал в некоторых областях, но сталкивается с рядом проблем.
Мир добился значительного прогресса в освоении возобновляемых источников энергии для производства электроэнергии – и выбросы углерода из этого сектора соответственно снизились, – но в таких странах, как Великобритания, производство электроэнергии составляет лишь около одной пятой от общего объема потребляемой энергии. Другим энергоемким секторам, таким как промышленность, транспорт и теплоэнергетика, еще предстоит добиться аналогичного прогресса в области декарбонизации.
Существующие химические хранилища: природный газ, бензин, дизельное топливо, керосин
Возьмем для примера электрификацию автомобилей. Сначала вам нужно произвести электричество, и если вы хотите, чтобы это было из возобновляемого источника энергии, оно потребует хранения, чтобы энергия была доступна даже тогда, когда солнце не светит или ветер не дует. Хотя в настоящее время энергетическая система имеет огромное количество встроенных в нее хранилищ, подавляющее большинство из них представляет собой углеводородное топливо, такое как природный газ, бензин, дизельное топливо или керосин – также называемые переносчиками химической энергии. Возможные энергетические системы, вероятно, потребуют химических энергетических векторов, поскольку они дают практическое средство для хранения и транспортировки энергии в больших объемах. Возможно, нам придется шире использовать их, если мы хотим получать энергию из возобновляемых, а не из ископаемых источников.
Объемная плотность энергии чистого водорода низкая
В таком случае, в идеале, ведется поиск вектора химической энергии, который не содержит углерода. Здесь водород является отличным вариантом, так как он имеет самую высокую плотность энергии по весу любого химического топлива. Проблема с водородом заключается в том, что его объемная плотность энергии низка: трудно получить много водорода в небольшом пространстве.
Например, топливные элементы электромобилей имеют типичный запас водорода 4-5 кг, чтобы дать им диапазон 300 миль, но нужно сжать этот водород до высокого давления – обычно 700 бар – чтобы сделать топливный бак достаточно маленьким, чтобы поместиться в автомобиле. Для этого требуются специальные баки. Это занимает много энергии, чтобы сжать водород до 700 бар и, к сожалению, технология не масштабируется — резервуары высокого давления достаточного размера, которые хранят достаточно водорода (в качестве газа), чтобы быть полезными для энергетических систем в масштабах страны, просто непрактичны. Подземное хранение водорода, например в Соляных пещерах, возможно, но ограничено теми районами, которые имеют правильную геологию. То, что требуется, – это форма водорода или носитель водорода, который может быть произведен с использованием возобновляемых источников энергии и храниться в большом объёме.
В поисках подходящего вектора химической энергии
Одним из перспективных кандидатов на эту роль является аммиак; молекула аммиака содержит один атом азота и три атома водорода (Для сравнения, молекула метана имеет один атом углерода и четыре атома водорода). Аммиак можно синтезировать из сырья, которым мы располагаем в изобилии, а именно из воды и воздуха, используя возобновляемые источники энергии.
Аммиак, NH3
Атмосфера Земли содержит примерно 78 процентов азота, и его легко отделить от воздуха. Водород может быть получен из воды, с помощью процесса, называемого электролизом. Как только водород и азот произведены, их можно совместить в реакции индустриального стандарта вызванной процессом Хабера-Боша для того, чтобы произвести амиак. Если возобновляемая энергия используется для питания этих процессов, то эта энергия блокируется в молекуле аммиака без каких-либо прямых выбросов углерода.
Производство аммиака составляет уже 180 млн тонн в год на сумму € 80 млрд.
Аммиак, или NH3, чтобы дать ему правильное химическое название, уже является значительным химическим веществом. В настоящее время ежегодное мировое производство составляет около 180 млн. тонн в год, а рыночная стоимость сырьевых товаров составляет около 80 млрд. евро в год.
В настоящее время более 80 процентов этого аммиака используется в промышленности удобрений, но есть и другие гораздо более широкие виды его использования в рамках энергетического перехода. Он обладает аналогичными свойствами хранения для сжиженного нефтяного газа (СУГ) в том, что он сжижается при температуре -33 градусов Цельсия под давлением окружающей среды, а также при температуре около 10 бар при температуре окружающей среды. Несмотря на то, что аммиак представляет собой значительную токсичную опасность, соответствующее оборудование и безопасные процедуры обработки хорошо зарекомендовали себя за десятилетия производства в промышленных масштабах.
Аммиак производится в огромных количествах во всем мире для сельскохозяйственных удобрений, но в настоящее время используется природный газ или другие ископаемые виды топлива для обеспечения как исходного сырья водорода, так и энергии для обеспечения процесса синтеза. Существующие заводы по производству аммиака являются одним из основных источников выбросов CO2, на долю которого приходится около 1,6 процента нынешних глобальных выбросов.
Зеленый водород повышает потенциал аммиака
Несмотря на то, что использование ископаемого сырья и источников энергии является экономически эффективным для современного промышленного использования аммиака, аммиаку еще предстоит сыграть свою роль в качестве энергетического вектора, но в настоящее время он меняется. Переходя к зеленому водороду, то есть водороду, который производится с помощью возобновляемых источников энергии посредством электролиза воды, выбросы углерода от производства аммиака могут быть сведены на нет.
Siemens Green Ammonia Demonstrator
Основанный в Лаборатории Резерфорда Апплтона в Великобритании, Siemens Green Ammonia Demonstrator объединяет все технологии, необходимые для демонстрации полного энергетического цикла аммиака. Зеленый водород получают с помощью электролизера мощностью 13 киловатт (кВт), производящего 2,4 обычных кубических метра в час (Нм3/час) водорода. Азот получен от воздухоразделительной установки 7 кВт, в которой используется принцип абсорбции при перепаде давления для получения азота 9 Нм3/час. Возобновляемая электроэнергия подается с помощью ветряной турбины мощностью 20 кВт, расположенной на испытательном полигоне.
Водород и азот объединяются для получения аммиака с помощью специально изготовленной установки синтеза Хабера-Боша производительностью 30 кг аммиака в сутки. Аммиак хранится как жидкость под давлением в резервуаре емкостью 350 кг, а затем используется для питания 30 кВт возвратно-поступательного генератора искрового зажигания. Вся система управляется специально развернутой системой управления Siemens PCS7 для работы в автоматическом режиме.
Цель демонстратора состоит в том, чтобы показать, что этот процесс может быть использован не только для резкого сокращения выбросов в результате производства аммиака для обычных целей, но и что аммиак может также быть практическим вектором водородной энергии, способствуя дальнейшему сокращению выбросов CO2 в наших энергетических системах за счет обеспечения масштабного хранения возобновляемых источников энергии.
Технология масштабирования уже опробована и испытана
Особое преимущество аммиака заключается в том, что технологии, необходимые для развертывания его в качестве энергоносителя уже существует в необходимом масштабе: промышленные процессы разделения воздуха для производства азота являются обычными; электролиз воды проводился на промышленной основе, прежде чем паровая конверсия метана стала более дешевым источником водорода; крупные аммиачные цистерны и танкеры десятилетиями находились в рутинной эксплуатации. Фриц Хабер получил Нобелевскую премию за синтез аммиака из его элементов в 1918 году; Карл Бош был признан за его усилия по развитию этого процесса в промышленном масштабе с Нобелевской премией в 1931 году; и инфраструктура для поддержки аммиачной промышленности была оптимизирована на постоянной основе с тех пор.
Химическая энергия V батареи
Меня часто спрашивают, какая технология хранения является «лучшим» решением для возобновляемых источников энергии, мой ответ заключается в том, что нам нужно развернуть целый ряд технологий хранения, которые подходят для данного приложения. Батареи играют важную роль, но один недостаток заключается в том, что стоимость хранения с батареями является линейной: если вам нужно в два раза больше емкости, то это две батареи.
Когда речь заходит о накоплении химической энергии, сначала вы можете отделить мощность и энергию. Вы можете выбрать газовую турбину, чтобы обеспечить необходимую мощность, а затем, как долго вы хотите запускать этот двигатель, определяет размер бака, который вам нужен. Если вы хотите большой энергетический потенциал, вам просто нужно увеличить ёмкость, что относительно дешево – особенно в больших масштабах.
Будущее для аммиака
Для хранения больших количеств энергии химические топлива обеспечивают плотную и удобную энергетическую среду – именно поэтому они сегодня распространены повсеместно. Проблема с топливом, которое мы используем сейчас, — это выбросы углерода, которые возникают в результате их сжигания. Один из способов рассмотрения аммиака заключается в том, что он решает головоломку замены углеводородного топлива чем-то, что не содержит углерода, а также преодолевает проблемы хранения и распределения водорода в большом объёме. Одна из заманчивых вещей об аммиаке заключается в том, что сегодня существует очень устоявшаяся аммиачная промышленность.
Было проведено много исследований по нашей будущей энергетической системе, и хотя они полезны и информативны, наступает время, когда вы должны начать строить и тестировать системы, чтобы узнать о реальных проблемах при их развертывании. И для аммиака как вектора зеленой энергии я думаю, что время пришло.
