Аммиак - топливо будущего?

Столетие назад мир столкнулся с надвигающейся угрозой глобального продовольственного кризиса. Быстро растущее население вынуждало фермеров увеличить темпы выращивания урожая, и азотофиксирующие бактерии в почве перестали справляться с такой нагрузкой, а запасы гуано и природных нитратов в Южной Америке, которые тогда активно применялись в качестве удобрений, неуклонно сокращались.

Фритц Хабер и Карл Бош разработали процесс химической реакции водорода и атмосферного азота под давлением для получения аммиака, который фермеры начали применять вместо натуральных удобрений. Допускаем, что это стало наиболее значимым для человечества достижением в области химии. На базе процесса Габера-Боша по-прежнему производится почти весь существующий в мире аммиак, а также его производные, такие как мочевина и нитрат аммония.

Сегодня мы столкнулись с иным кризисом - изменением климата. В этот раз аммиак может помочь решить проблему за счет применения химиката для получения, хранения и транспортировки водорода, который будет применяться в экологически чистых топливных элементах и турбинах. Одновременно с этим также предпринимаются усилия по применению аммиака как непосредственного топлива для электростанций и в двигателях морских судов.

Химические компании уже учуяли возможность для бизнеса. Несколько фирм производят зеленый аммиак, получаемый при электролизе воды с использованием альтернативных источников энергии, в ходе которой аммиак замещает водород в углеводородной основе. Благодаря этому производство аммиака происходит практически без выброса диоксида углерода. Они также инвестируют в технологии улавливания и хранения углерода, чтобы свести к минимуму углеродное воздействие при производстве "обычного" аммиака - или, как принято называть в промышленности, голубого аммиака.

- Андреа Валентини, директор по Азиатско-Тихоокеанскому региону и Ближнему Востоку, Argus Consulting Services

Тони Уилл, генеральный директор CF Industries, крупнейшего в мире производителя аммиака, отметил фундаментальный сдвиг в перспективах отрасли. "До недавних пор мы строили свои продажи, исходя из ценности одной молекулы азота", - говорит он.  "Сегодня же - и это невероятно - появился рынок, который высоко ценит не столько молекулу азота, сколько три молекулы водорода" (аммиак состоит из одной молекулы азота и трех молекул водорода)

Но создать целую промышленность по производству аммиачного топлива будет непросто. Согласно большинству оценок, производство зеленого аммиака стоит в два-четыре раза дороже, чем производство обычного аммиака. Некоторые технологии, необходимые для полезного применения этого соединения, например двигатели, работающие на аммиаке, все еще находятся на экспериментальной стадии. Правительствам и рынку еще предстоит решить, стоит ли зеленый аммиак всех предполагаемых усилий и затрат.

Природа наделила аммиак качествами, которые, как кажется, делают его идеальным товаром для водородной экономики будущего.

Фирма Haldor Topsoe, занимающаяся технологиями производства аммиака, уже отметила эти качества в своем отчете, опубликованном в августе прошлого года. Целый ряд других компаний разделяют ее позицию. Аммиак имеет более высокую плотность энергии - 12,7 МДж / л, чем даже жидкий водород - 8,5 МДж / л. Жидкий водород нужно хранить в криогенных условиях –253° C, тогда как аммиак может храниться при гораздо менее энергоемких –33° C. Более того, аммиак, хотя и опасен в обращении, гораздо менее горючий, чем водород.

Кроме того, благодаря столетнему опыту использования аммиака в сельском хозяйстве уже существует обширная инфраструктура по производству этого химиката. Ежегодно в мире производится около 180 миллионов метрических тонн (т) аммиака, и 120 портов оборудованы специализированными аммиачными терминалами.

ЧЕТЫРЕ ТИПА АММИАКА

В аммиачной промышленности неофициально принята цветовая схема для описания углеродоемкости различных методов производства аммиака. Система также применима к водороду.

Но для перехода всей инфраструктуры на экологически чистые виды топлива потребуется время. До прошлого года большинство предлагаемых проектов по зеленому аммиаку были мелкомасштабными, они были нацелены на производство только десятков тысяч метрических тонн. Это разительно отличается от производительности в более полмиллиона метрических тонн в год, типичной для обычных заводов по производству аммиака.

Несколько таких проектов в Австралии получили поддержку от правительства. Например, норвежский производитель удобрений Yara намеревается установить электролизеры для производства 3 500 т зеленого аммиака в год на своем заводе в Пилбаре, а производители взрывчатых веществ на основе нитрата аммония Dyno Nobel и Queensland Nitrates рассматривают возможность создания производств на 9 000 и 20 000 т зеленого аммиака в год соответственно. Похожие пилотные программы также реализуются в Новой Зеландии и Чили.

В прошлом году было объявлено о нескольких гораздо более крупных проектах. Безусловно, самый амбициозный из них находится в Саудовской Аравии. Проект стоимостью 5 миллиардов долларов представляет собой партнерство между американской компанией Air Products and Chemicals, местной фирмой ACWA Power и NEOM - девелопером, строящим в Саудовской Аравии экологически чистый город будущего.

Проект, который планируется завершить в 2025 году, будет располагаться на берегу Красного моря. В течение дня для обеспечения энергии будут использоваться солнечные батареи, а ночью сеть будет переключаться на ветряные турбины. Такая система будет вырабатывать до 4 ГВт электроэнергии для работы водоэлектролизных установок. Водород будет подаваться на завод, действующий по традиционному процессу Габера-Боша. Здесь будет производства около 1,2 миллиона тонн аммиака в год - большой объем даже по стандартам обычного аммиака.

Air Products потратит дополнительно 2 миллиарда долларов на создание новой схемы распределения химиката. Компания будет поставлять аммиак по всему миру на специализированные площадки, расположенные на транспортных базах для автобусов и грузовиков, работающих на водородных топливных элементах. На этих объектах аммиак будет проходить диссоциацию для извлечения водорода, достаточного для заправки 15 000 грузовиков и автобусов.

Прошлым летом в ходе презентации проекта генеральный директор Air Products Сеифи Гасеми заявил аналитикам, что видит в нем технико-экономическое обоснование для появления совершенно новой отрасли. "Мы гордимся тем, что являемся частью этого тренда, потому что это первый и самый крупный, самый инновационный проект, призванный воплотить мечту человечества о безуглеродной энергии", - сказал он.

Другие фирмы последовали их примеру и уже заявили о других крупных проектах. В октябре Yara заявила, что рассматривает возможность установки электролизеров на своем заводе по производству аммиака в Слуискиле, Нидерланды, чтобы производить водород в объемах, достаточных для получения 75 000 т аммиака. Их объект будет потреблять до 100 МВт электроэнергии, обеспечиваемой новой морской ветряной электростанцией.

А в декабре компания анонсировала еще более крупный проект: установку новых электролизеров на заводе в Порсгрунне, Норвегия, для производства до 500 000 т аммиака в год.

Энергия будет поступать из национальной электросети Норвегии, которая уже на 98% обеспечивается возобновляемыми источниками энергии благодаря богатым гидроэнергетическим ресурсам страны. Yara также планирует продавать аммиак в качестве топлива для кораблей. Компания рассчитывает получить финансовую поддержку и субсидии от норвежского правительства, прежде чем развивать проект дальше.

CF Industries запускает первый крупный проект по производству зеленого аммиака в США. В течение следующих 3 лет компания потратит 100 миллионов долларов на преобразование производства 20 000 тонн обычного аммиака в год на своем флагманском заводе в Дональдсонвилле, штат Луизиана, в производство зеленого аммиака за счет установки электролизеров. Электроэнергия для станции будет производиться из возобновляемых источников энергии. Она будет обеспечиваться частной сетью.

По оценкам CF, производство зеленого аммиака после модернизации будет стоить около 500 долларов за метрическую тонну, что примерно в три раза больше, чем производство обычного аммиака. Тем не менее, по оценкам компании, на рынке альтернативной энергии та же метрическая тонна зеленого аммиака может стоить до 2200 долларов, что примерно в восемь раз больше, чем тонна обычного.

Более того, говорит директор компании, рынок для такой продукции имеет серьезные перспективы увеличения уже в ближайшем будущем. "Аммиак еще слабо представлен и мало применяется в морской отрасли, не говоря уже о рынке водорода. И уже на этом существует достаточный спрос для удвоения текущих мощностей по производству аммиака во всем мире", - говорит он.

- Тони Уилл, генеральный директор CF Industries

*(аммиак состоит из одной молекулы азота и трех молекул водорода)

"CF уже продолжительное время изучает использование аммиака в качестве топлива, и в последнее время компания стала получать много запросов на соответствующие решения", - говорит Уилл. Многие из них приходят из Японии, где энергетические компании экспериментируют с совместным сжиганием аммиака на угольных электростанциях, с перспективой полного перехода на аммиак.

Однако не все представители отрасли настроены так оптимистично, как Уилл. Андреа Валентини, директор Argus Consulting Services по Азиатско-Тихоокеанскому региону и Ближнему Востоку, указывает на ряд препятствий, которые отрасль должна устранить, если она хочет использовать зеленый аммиак в качестве альтернативного топлива.

Одна из проблем заключается в том, что судовые двигатели, работающие на аммиаке, пока попросту не существуют. "Разработчики говорят о 2024 году, но это еще не точные сроки", - говорит Валентини. "Я не думаю, что они реальны".

В рамках одной из таких инициатив финский производитель двигателей Wartsila в этом году рассчитывает начать испытания четырехтактного судового двигателя, работающего на аммиаке. В качестве другого примера можем привести MAN Energy, которая в данный момент оттачивает свой прототип двухтактного аммиачного двигателя.

Есть и другие менее известные компании. "Во всем мире появляется большое количество крупных проектов, особенно в Австралии и Саудовской Аравии, которые будут производить зеленый водород в объемах, требующих значительной оптимизации эффективности и стоимости эксплуатации электролизера", - говорит Валентини. И все они нацелены на рынок, которого еще нет. "Так что на бумаге это предложение кажется рискованным".

Там, где компании видят высокую рентабельность зеленого аммиака, Валентини видит дополнительные затраты. "С точки зрения предложения всегда приятно говорить о добавленной стоимости, но добавленная стоимость для поставщика означает, что основное бремя от высокой стоимости будет лежать на ком-то другом, то есть на нас - потребителях", - добавляет он.

CF Industries планирует производить аммиак на своем предприятии в Дональдсонвилле, штат Луизиана.

Другой серьезный вопрос касательно зеленого аммиака - достаточно ли имеется возобновляемых источников энергии для обеспечения этого сектора? Прогнозы по возобновляемым источникам энергии оптимистичны. Например, в последнем отчете BP Energy Outlook говорится, что возобновляемые источники энергии вырастут с 5% мирового энергоснабжения в 2018 году до 45–60% к 2050 году при снижении затрат на 30–70%.

По словам Валентини, голубой аммиак может предложить более быстрый и дешевый путь к созданию водородной экономики. "Возможно, рынок больше сосредоточился на зеленом аммиаке из-за его безупречной экологичности", - говорит он. "Но если учитывать потенциал использования существующих мощностей и существующих энергоресурсов, голубой аммиак может сыграть важную роль в создании экологически чистой энергетической системы, будь то в качестве переходного или долгосрочного типа топлива."

Это может быть особенно актуально в Северной Америке, где благодаря крупной нефтегазовой промышленности поддерживается низкий уровень затрат на производство обычного аммиака и существуют возможности для использования углекислого газа для увеличения коэффициента нефтеотдачи (МУН / методы увеличения коэффициента нефтеотдачи) или для постоянного хранения выбросов СО2 под землей.

Действительно, когда CF объявила о своем проекте по производству зеленого аммиака, она тем самым пообещала реализовать 3,5 миллиона тонн голубого аммиака в год. По словам Уилла, стоимость зеленого аммиака будет относительно низкой, если сравнивать с ценой обычного. При этом стоит отметить, что компания уже улавливает CO2 для производства карбамида.

Уилл также добавил, что для сжатия CO2 и доставки его в трубопроводы для улавливания требуются небольшие дополнительные капиталовложения. И эти расходы компенсируют налоговые льготы. Например, в рамках новой налоговой льготы 45Q в США предлагается 50 долларов вычета за кажду утилизированную метрическую тонну СО2 и 35 долларов за каждую метрическую тонну, использованную для увеличения коэффициента нефтеотдачи пластов.

По информации Уилла, полдюжины проектов по улавливанию СО2 уже находятся в разработке недалеко от завода CF в Дональдсонвилле. Трубопровод, обслуживающий систему МУН, также находится неподалеку и уже доступен для транспортировки.

Другой производитель удобрений, Nutrien, также делает ставку на голубой аммиак. В 2019 году компания запустила объект в Редуотер, провинция Альберта, для закачки почти 300 000 т CO2 в год - побочного продукта от производства примерно 250 000 т аммиака - в новый трубопровод для системы МУН стоимостью 1,2 млрд долларов. С 2013 года Nutrien продает около 250 000 т CO2 в год на рынок МУН со своего завода в Гейсмар, штат Луизиана.

В настоящее время, по словам Эшли Харрис, старшего директора Nutrien по экологии и инновациям, единственная финансовая выгода от улавливания CO2 - это дополнительный поток доходов от его продажи. "В перспективе, если появится рынок голубого аммиака, на котором мы найдем партнеров, готовых платить за низкоуглеродный аммиак, появятся предпосылки для появления другого вида бизнеса", - говорит он.

Эксперты утверждают, что для синего аммиака требуется ввести новые сертифицированные отраслевые стандарты, по аналогии с тем, как в налоговых льготах 45Q учитывается разница между утилизируемым или повторно используемым CO2. Некоторые "оттенки" синего аммиака содержат меньше углерода, чем другие, но все они в целом не идут ни в какой сравнение с зеленым, "чистым" аммиаком.

Производители аммиака надеются, что новые стандарты будут введены уже ближе к концу этого года. "Рынки сбыта не любят неясности," - комментирует Харрис. С новыми стандартами, вероятно, у синего аммиака изменится добавленная стоимость. Nutrien "работает с потенциальными конечными пользователями в целях определения ценности продукта для них", - говорит Харрис.

В отличие от CF, Nutrien сосредоточила свое внимание на голубом аммиаке в краткосрочной перспективе и до сих пор не инвестировала в зеленый аммиак. "У нас уже есть низкоуглеродное решение, которое значительно снижает углеродоемкость при гораздо более низких затратах, чем сегодняшние «зеленые» технологии", - утверждает Харрис.

Еще тип химиката называется "бирюзовый аммиак". Именно по этому пути пошел стартап Monolith Materials. В июле прошлого года компания завершила строительство завода в Халламе, штат Небраска, на котором природный газ расщепляется на водород и элементарный углерод - материал, известный в промышленности как технический углерод. Технический углерод продается в качестве наполнителя для шин и резины.

Реакция, на основе которой работает завод, инициируется плазменным факелом, работающим на возобновляемых источниках энергии. "Прелесть такой технологии в том, что мы можем производить водород из природного газа, при этом совсем не выделяя CO2", - объясняет генеральный директор Monolith Роб Хэнсон.

При запуске производительность завода составляла 14 000 т технического углерода в год. Теперь Monolith расширяет производство и строит новый завод мощностью 180 000 т технического углерода в год, где побочный продукт производства завода - водород - будет использоваться для получения до 270 000 т аммиака.

Производство аммиака - относительно новая идея для Monolith. Изначально компания планировала продавать водород в энергетическую компанию Nebraska Public Power District, где он бы применялся для выработки электроэнергии. Но у руководителей Monolith, имеющих опыт в области производства удобрений, после изучения проектной документации возникли другие идеи. "Безусловно, будет более ценно производить аммиак из водорода, чем сжигать его для получения электричества", - комментирует Хэнсон.

Однако модель этой компании отличается от того, что мы видим у производителей зеленого аммиака. Завод, расположенный в центре кукурузного пояса США, будет продавать аммиак как низкоуглеродное удобрение, а не как топливо.

Валентини по-прежнему осторожно относится к низкоуглеродному аммиаку, но он видит важный признак того, что этот подход может однажды стать доминирующим: производители аммиака, конечные пользователи и правительства, похоже, верят в успех технологии и готовы поддержать ее всеми доступными ресурсами. "Многие стейкхолдеры на разных уровнях цепочки создания стоимости движутся в одном направлении", - говорит он. "У них у всех примерно одинаковые цели".