Многие компании видят реальную возможность использования аммиака в качестве топлива в будущем. Как источник энергии аммиак в девять раз мощнее литиево-ионных батарей и почти в два раза энергетически плотнее жидкого водорода, при этом аммиак проще перевозить, чем водород.
Перевод Татьяна Давыдова
Почему об этом говорят?
В наше время «зеленый» аммиак все чаще обсуждают участники рынка аммиака и судоходные компании. Интерес к этому продукту объясняется в том числе предпринимаемыми во всем мире усилиями по снижению выбросов углерода в ближайшие десятилетия. Если при производстве одной тонны обычного аммиака выброс CO2 доходит до двух тонн, то при выпуске «зеленого» аммиака с использованием возобновляемых источников энергии выбросов углерода не будет вовсе.
Мировое производство аммиака сейчас составляет 180 млн т/год. Однако его возможное использование в качестве энергоносителя может привести к увеличению спроса до миллиардов тонн. В настоящее время аммиак считается одним из основных видов топлива в судовых перевозках, использование которого может помочь достижению целевых уровней по выбросам CO2 для судоходства на 2030 г. и 2050 г. Кроме того, аммиак рассматривается как способ хранения возобновляемой энергии для использования позднее, а также как способ транспортировки водорода.
Широкое использование аммиака в этих целях возможно лишь при условии значительного сокращения выбросов CO2 при его производстве. Для этого потребуются огромные инвестиции в развитие новых технологий и увеличение эксплуатационных расходов, если учесть текущую стоимость возобновляемых энергоносителей.
«Зеленый» аммиак как судовое топливо
С начала текущего года введены новые требования IMO 2020, ограничивающие содержание серы в бункерном топливе. Следующий шаг в судоходной отрасли — резкое сокращение выбросов CO2. Пока планируется добиться снижения этих выбросов на 40% к 2030 г. и на 70% — к 2050 г. по сравнению с уровнями 2008 г.
Увеличение эффективности и замена углеводородного топлива действительно могут способствовать достижению целевых уровней, намеченных на 2030 г. Однако если брать 2050 г. и позже, участники судоходной отрасли все чаще сходятся во мнении, что использовать полезные ископаемые в качестве бункерного топлива и при этом соблюдать нормы выбросов углерода будет невозможно. В качестве замены рассматриваются несколько вариантов, включая водород и аммиак. Последний приобретает особое значение, поскольку его можно сжигать как судовое топливо и использовать в топливных батареях на судах. У аммиака есть большое преимущество по сравнению с водородом, так как его намного легче хранить и перевозить, также можно транспортировать водород в виде аммиака. Кроме того, аммиак почти на 80% энергетически плотнее жидкого водорода.
Несколько компаний уже изучают возможность использования аммиака в судоходстве, хотя до новых требований IMO по выбросам углеводорода еще достаточно времени. В начале текущего года малайзийская судоходная компания MISC, Samsung Heavy Industries (SHI), Lloyd’s Register и MAN Energy Solutions объявили, что начали совместную работу над созданием танкера, использующего в качестве топлива аммиак. Норвежская нефтяная компания Equinor в партнерстве с морской технологической компанией Eidesvik намерены переоборудовать судно Viking Energy, чтобы к 2024 г. оно работало на аммиаке.
Компания Nordic Innovation объявила, что финансирует ряд проектов для создания экологически чистого судового топлива, включая Nordic Green Ammonia Powered Ships (NoGaps). Партнерами Nordic Innovation в этих проектах являются в том числе судоходная компания Lauritzen Kosan, а также Yara International. Целью данных исследований является создание работающего на аммиаке судового двигателя к 2025 г.
Судовладельцев интересует использование аммиака в качестве топлива не только на грузовых судах. Круизная компания Color Fantasy, чьи лайнеры курсируют между норвежским Осло и германским Килем, также собирается работать в этом направлении.
Датская каталитическая компания Haldor Topsoe готовит отчет для судостроительной и судоходной отраслей, где будет содержаться пошаговая инструкция, объясняющая, что потребуется для перехода на аммиак в качестве судового топлива. Кроме того, в данном отчете, как ожидается, будет уделено внимание имеющимся мощностям по хранению аммиака, например аммиачным резервуарам, которые можно использовать как бункеровочные хабы. Этот отчет, предположительно, выйдет позднее в 2020 г.
«Зеленый» аммиак — трудности производства
В отличие от обычного аммиака, который чаще всего производится из природного газа, «зеленый» аммиак выпускается следующим образом: сначала требуется энергия солнца, ветра или воды для производства электроэнергии, на которой работает электролизер для извлечения водорода из воды. При этом азот получают отдельно из воздуха, используя установку для разделения воздуха.
В качестве источника энергии аммиак в девять раз мощнее литиево-ионных батарей и почти в два раза энергетически плотнее жидкого водорода. При этом аммиак легче транспортировать, чем жидкий водород, используя имеющиеся технологии и инфраструктуру. Именно поэтому многие компании считают, что в будущем можно использовать аммиак как топливо, причем не только для получения энергии, но и для получения водорода, когда требуется именно водород.
Получение аммиака при помощи электролизера, работающего на возобновляемой энергии, — это не совсем новая концепция. Однако сейчас разрабатываются технологии для значительного увеличения ее энергоэффективности. Еще в начале 1900-х гг. норвежская компания Norsk Hydro вырабатывала аммиак, используя водную энергию. Компании в Северо-Западной Европе, а также в Японии, сейчас активно разрабатывают технологии для получения «зеленого» аммиака.
Крупных заводов, где производился бы «зеленый» аммиак, нет. В то же время и производители, и технологические компании начинают искать возможности для получения этого продукта более экологичным способом. Скорее всего, подобные предприятия придется строить в странах с избытком солнечной, ветряной или водной энергии, а идеально — с комбинацией как минимум двух этих источников энергии, чтобы уменьшить перебои в производстве и сократить издержки. Вдобавок этим предприятиям лучше находиться ближе к рынкам сбыта. Таким образом, среди возможных мест сразу выделяется Австралия с учетом ее возобновляемой энергии и географической близости к конечным потребителям в Восточной Азии.
Развитие технологий для получения «зеленого» аммиака
Ведущие компании в области технологий выработки аммиака стремятся найти способы использования возобновляемой энергии для получения аммиака и в то же время максимально увеличить энергоэффективность и сократить капитальные и операционные расходы.
Одна из таких компаний, Haldor Topsoe, разработала систему электролиза на твердооксидном топливе. Эта система использует возобновляемую энергию и производит исходный газ для выработки аммиака без разделения воздуха, что позволяет существенно уменьшить капитальные затраты. Пока это пилотный проект. Тем не менее уже ясно, что для работы данной системы потребуется на 10% меньше энергии, чем для работы обычной установки для выпуска аммиака из природного газа. Это поможет решить проблему слишком высоких эксплуатационных расходов при работе аммиачных агрегатов с использованием возобновляемой энергии. Строительство подобных установок потребует колоссальных первоначальных вложений. Следующая проблема — затратность и ограниченность источников возобновляемой энергии по сравнению с природным газом, которого много и который дешев. При текущих ценах на газ в Европе получение тонны «зеленого» аммиака обойдется примерно на 200—300% дороже, чем обычного. В более долгосрочной перспективе удешевление возобновляемой энергии, предположительно, позволит уменьшить эту разницу до 50—150%. Рост расходов на углеродные выбросы в Европе также может этому способствовать. Таким образом, ключевыми факторами для разработки технологий «зеленого» аммиака станут максимизация энергоэффективности и снижение цен на возобновляемую энергию.
Переход на «зеленый» аммиак потребует немало времени. Однако, признавая это, Пэт Хэн, руководитель научно-исследовательского подразделения в Haldor Topsoe, говорит, что очень важно предпринять первые шаги. С этой целью компания переходит от исследовательской фазы к этапу разработки: пилотная установка, работающая по технологии электролиза с использованием твердооксидного топлива, уже собрана. Финансировал создание этой установки консорциум датских компаний. Пилотный агрегат может вырабатывать 180 т/год «зеленого» аммиака. Следующий шаг — разработка технологии для коммерческого использования. В будущем Haldor Topsoe рассчитывает оснащать обычные аммиачные агрегаты, где используется природный газ, дополнительным оборудованием, которое позволит частично получать «зеленый» аммиак (сначала, к примеру, 10%, а потом увеличить эту долю). В этом случае нет необходимости строить новый завод, поскольку производители могут использовать имеющиеся мощности, нужно будет лишь добавить новый электролизер.
Данный подход может вызвать особый интерес у производителей в Западной Европе, которые могут использовать доступные им источники возобновляемой энергии и получать «зеленый» аммиак при минимальной себестоимости. Хотя за последние 30 лет в Западной Европе было построено мало новых агрегатов по выпуску аммиака, скорее всего, Европа станет одним из драйверов развития производства «зеленого» аммиака, если учесть, что, согласно плану Евросоюза на 2030 г. по климату и энергии, страны — члены Евросоюза должны сократить выбросы парниковых газов как минимум на 40% по сравнению с 1990 г.
Yara International пообещала уменьшить выбросы CO2 на 10% к 2025 г., а к 2050 г. намерена выйти на экологически чистое производство. К 2022 г. компания планирует заменить 10% своих мощностей по выпуску аммиака на юге Норвегии оборудованием для производства «зеленого» аммиака. К 2050 г. Yara собирается полностью выпускать аммиак на своем заводе в Порсгрунне по «зеленой» технологии. Над сокращением выбросов углерода Yara работает вместе с норвежской компанией Nel Hydrogen.
Даже компании, которые больше заняты в нефтегазовом секторе, начинают интересоваться «зеленым» аммиаком. Так, американская инженерно-строительная и сервисная компания KBR разрабатывает технологию K-GreeN solution для получения «зеленого» аммиака либо в отдельном электролизере, либо при помощи дополнительно устанавливаемого электролизера, в котором нет воздухоразделительной установки или контура синтеза.
Несколько более мелких компаний в Западной Европе и США разрабатывают инновационные способы, которые помогут буквально заново изобрести весь процесс производства аммиака. Некоторые из этих новых технологий обходятся без традиционного процесса Габера-Боша. Исландская компания Atmonia разрабатывает катализатор, который действует при атмосферном давлении и не нуждается в выделении водорода, поскольку задействует воду напрямую. При таком процессе выбросов CO2 не происходит. Кроме того, технология Atmonia позволяет без проблем останавливать производство и возобновлять его без особых затрат, а это, по словам Гудбьорг Рист, руководителя Atmonia, одно из главных преимуществ, когда речь идет о возобновляемой энергии, получаемой при помощи солнца и ветра. В настоящее время компания строит прототип катализатора, который позволит производить жидкий аммиак для использования в качестве удобрения. Однако конечной целью компании является производство безводного аммиака, сказала Гудбьорг Рист.
Компания Starfire Energy в штате Колорадо (США) разрабатывает модульные системы для выпуска аммиака без углеродных выбросов. Учитывая растущую потребность в возобновляемой энергии, которую можно хранить и использовать в качестве транспортного топлива и для отопления, компания считает аммиак идеальным выбором.
Starfire Energy отказалась от процесса Габера-Боша и создала систему, для работы которой не требуется столь высокого давления. Этот реактор подстраивается под уровень ветряной и солнечной энергии, обходясь без ископаемого топлива для получения аммиака. Компания начала с прототипа Rapid Ramp NH3 мощностью 3 кг/сут. и теперь строит реактор мощностью 10 кг/сут. После этого Starfire Energy сможет перейти к созданию пилотной модульной системы мощностью 100 кг/сут. Мощность второго пилотного реактора заложена на уровне 1 т/сут. Затем мощность одной установки будет увеличена до 50 т/сут. На одной площадке можно будет устанавливать 10 реакторов, совокупная мощность которых будет достигать 500 т/сут. Дженнифер Бич, сооснователь и исполнительный директор Starfire Energy, сообщила, что 80% оборудования будет изготавливаться фабричным способом, а 20% — будет построено на площадке.
Цель Starfire Energy состоит не только в том, чтобы производить аммиак без углеродных выбросов, но и подстроиться под его конечное использование. Компания работает над более низкотемпературным катализатором крекинга аммиака, который позволяет превращать аммиак в азот и газообразный водород. Затем этот азот и водород можно использовать одновременно либо задействовать один только водород как источник энергии для автомобилей и предприятий, где требуется хранящийся под высоким давлением водород для топливных элементов.
