Замена водорода. Как аммиак может стать топливом будущего для человечества
По данным научного журнала Joule, создание аммиака по методу Габера-Боша дает 1,44% мировых выбросов углекислого газа. Стартап Ammobia предлагает более дешевый и экологичный способ. Как он работает?
История метода Габера-Боша
В 1908 году немецкий химик Фриц Габер изобрел способ получения аммиака из азота и водорода. В те времена Европа чувствовала приближение продовольственной катастрофы. Плодородие почв держалась на чилийской селитре и гуано, которые стремительно заканчивались. Химики паниковали: если бы тогда не нашелся способ фиксировать азот из воздуха, население начало бы голодать.
Габер заставил инертный азот соединиться с водородом силой. Через год, летом 1909-го, химик показал свое изобретение в действии. При температуре 500 °C и давлении более 100 бар катализатор начал выдавать аммиак где-то по 125 миллилитров в час, капля за каплей.
Увиденного хватило, чтобы концерн BASF выкупил права на технологию. За ее масштабирование взялся молодой инженер-немец Карл Бош. На это ушло несколько лет: BASF пришлось создавать новые марки стали, которые не рассыпались бы от водорода под давлением, строить гигантские компрессоры и искать выносливые катализаторы.
В 1913 году в Оппау заработал первый завод. Уже через год он выдавал по 20 тонн аммиака в сутки. Технология еще и пришлась на Первую мировую войну, поэтому когда Германию отрезали от поставок селитры из Латинской Америки, синтетический аммиак пошел на взрывчатку.
После войны процесс Габера-Боша стал мирным и позволил вырастить урожаи, которые прокормили миллиарды. Оба автора метода в конце концов получили по Нобелевской премии. (Бош — косвенно, Габер — конкретно за этот процесс). Рецепт аммиака не изменился и столетие спустя. C&EN пишет, что почти все 180 миллионов тонн этого вещества в мире производят путем Габера-Боша.
За один проход через реактор на типичном заводе в аммиак превращается 20−30% смеси, поэтому систему приходится гонять по кругу, постоянно догревая и сжимая газ. И за все это человечество платит немалыми выбросами.
Согласно исследованию в журнале Joule, процесс Габера-Боша сжигает 1−2% всей мировой энергии и генерирует 1,44% глобальных выбросов CO₂. В 2019 году мировое производство аммиака составило 235 миллионов тонн — это делает его вторым по величине химическим товаром после серной кислоты.
Традиционно полученный аммиак принято называть серым. Сейчас выделяют также голубой (с улавливанием углерода), зеленый (полученный с помощью возобновляемой энергии и электролиза воды), а также бирюзовый (пиролиз метана).
Габер-Бош 2.0
Большинство современных идей по декарбонизации аммиака крутятся вокруг замены источника водорода. Можно брать H2, скажем, не из газа, а из воды через электролиз.
Впрочем, добавление «зеленого» водорода в схему столетней давности — не панацея: для массового производства все равно нужны большие, дорогие и энергоемкие реакторы, работающие под бешеным давлением.
Американский стартап Ammobia решил сузить сам метод Габера-Боша. Издание TechCrunch сообщило, что для этого компания привлекла 7,5 млн долларов инвестиций, причем деньги дали серьезные игроки вроде Shell и Chevron.
Свой подход Ammobia называет Габер-Бош 2.0. Ингредиенты — все те же азот и водород. А вот условия их взаимодействия стали более щадящими: если классический завод требует в среднем давления 200 бар и температуры 500 °C, то установка стартапа работает при 30 барах и 400 °C.
Всех карт Ammobia не раскрывает, но в TechCrunch обратили внимание на патентную заявку стартапа. В ней описан реактор, который содержит специальный сорбент, поглощающий аммиак сразу после его образования. Это решение базируется на чистой термодинамике: если постоянно изымать готовый продукт из газовой смеси, химическое равновесие смещается. Это заставляет азот и водород реагировать активнее даже без экстремального давления или температуры.
Десятикратное снижение давления позволяет использовать более тонкие трубы, дешевые помпы и меньшие компрессоры. По расчетам Ammobia, это уменьшает себестоимость продукта на 10−40% в зависимости от того, «зеленый» это аммиак или «голубой».
«Наша технология очень хорошо совместима с возобновляемыми источниками, что приводит к дополнительному снижению затрат, поскольку не нужно хранить водород или электроэнергию», — говорит CEO Ammobia Карен Баерт в комментарии TechCrunch. «В таких ситуациях мы имеем самое сильное преимущество в плане затрат».
Вместо того, чтобы возводить очередного промышленного монстра, выдающего до 3 тысяч тонн аммиака в сутки, Ammobia предлагает так называемый модульный подход. Их базовый блок рассчитан на 250 тонн. При необходимости таких установить несколько таких.
Сейчас Ammobia планирует построить пилотный завод мощностью 10 тонн в сутки. На сайте стартапа указано, что в дальнейшем меньшие модульные заводы можно строить ближе к конечным потребителям, вместо того, чтобы полагаться только на гигантские экспортные хабы. Компания ориентируется на отрасли, которые уже зависят от аммиака — удобрения, химикаты, энергетика и морские перевозки.
Конкуренция за аммиак
Впрочем, не только Ammobia так занимается аммиаком. В прошлом году бруклинский стартап Amogy привлек 80 миллионов долларов для питания судов и центров обработки данных этим же веществом. Это увеличило оценку компании уже до 700 миллионов.
Идея Amogy — использовать аммиак, не сжигая его. Вместо обычного двигателя внутреннего сгорания компания использует систему крекинга. Прямо на борту молекула аммиака расщепляется на водород и азот. Водород направляется в топливный элемент, где превращается в электричество и воду. Азот же возвращается в атмосферу.
Amogy уже испытала свою установку на буксире и в течение следующих нескольких лет планирует вывести на рынок полноценные системы для коммерческих судов мощностью от 500 киловатт до 1 мегаватта. Такие модули (как и в случае с Ammobia) можно объединять, если заказчику нужно больше энергии.
Между тем в Японии и Южной Корее, где Amogy особенно востребована, уже разрабатываются стандарты по ограничению углеродного следа. Для уменьшения выбросов тамошние электростанции, работающие на ископаемом топливе, начали подмешивать аммиак в уголь.
Похожие процессы происходят и в море, где аммиак смешивают с дизельным топливом. Дополнительным стимулом являются планы Международной морской организации ввести с 2027 года углеродный налог на выбросы от судоходства.
Вероятно, выбирать аммиак в дальнейшем будут все больше компаний. В частности потому, что тот же водород слишком капризен в логистике: для перевозки его надо либо сжимать до 350−700 бар, либо охлаждать до криогенных -253 °C. Аммиак же становится жидким при вполне земных -33 °C или под умеренным давлением в 10 бар.
По словам гендиректора Amogy Сонхун Ву, в дальнейшем аммиак вообще имеет шансы стать аналогом сжиженного природного газа, но лишенным углерода.
Такой сценарий точно пойдет на пользу всей планете.