Почему cудоходная отрасль делает большие ставки на аммиак
Аммиачные двигатели и топливные элементы помогут сократить выбросы.
У аммиака есть свои преимущества. Это бесцветное топливо при сжигании не выделяет углекислого газа. Он распространен, и его можно синтезировать, используя возобновляемую электроэнергию, воду и воздух. Его могут использовать как топливные элементы, так и двигатели внутреннего сгорания. В отличие от водорода, его не нужно хранить в резервуарах высокого давления или криогенных дьюарах. И он имеет в 10 раз большую плотность энергии, чем литий-ионный аккумулятор.
По всем этим причинам аммиак (NH3) завоевывает популярность в мировой судоходной отрасли, нуждающейся в более чистом топливе для питания грузовых судов и танкеров, перевозящих промышленные товары и сыпучие материалы через океан. Судоходные компании ищут более благоприятные для климата альтернативы нефти.
По данным Международной морской организации (ИМО), органа Организации Объединенных Наций, регулирующей эту отрасль, на долю морского судоходства приходится почти 3 процента ежегодных выбросов углекислого газа. В 2018 году делегаты согласились сократить выбросы на 50 процентов по сравнению с уровнем 2008 года. Достижение этой цели потребует разработки альтернатив дизельному топливу и новых конструкций грузовых судов, танкеров и контейнеровозов.
Судовладельцы и отраслевые аналитики ожидают, что аммиак будет играть ключевую роль в обезуглероживании грузовых судов. Но, есть одна существенная оговорка: сегодня ни одно судно не оборудовано для использования топлива. Даже, если бы это было так, поставки возобновляемого, или “зеленого”, аммиака, произведенного с использованием углеродно-нейтральных методов, практически отсутствуют. Большая часть аммиака является продуктом высокоуглеродного процесса и в основном используется для производства удобрений и химикатов.
Однако в последнее время несколько проектов нацелены на то, чтобы изменить ситуацию. Финская компания Wärtsilä планирует начать испытания аммиака в судовом двигателе внутреннего сгорания в норвежском Сторде к концу марта. Немецкая компания MAN Energy Solutions и корейский судостроитель Samsung Heavy Industries участвуют в разработке первого нефтяного танкера на аммиачном топливе.
Грузовой корабль викингов будет оснащаться 2-мегаваттной топливной системой на основе элемента. Аммиак имеет только половину плотности энергии традиционного топлива, поэтому его хранение на борту требует гораздо больше места.
Кроме того, к 2024 году "Викинг Энерджи" станет первым судном, приводимым в движение аммиачными топливными элементами. Норвежская энергетическая компания Equinor (ранее Statoil) арендует морское судно снабжения, которое в настоящее время работает на сжиженном природном газе. Химический гигант Yara будет поставлять зеленый аммиак, который он планирует производить на заводе в южной Норвегии.
Эта инициатива “откроет совершенно новый способ для судоходства с нулевым уровнем выбросов”, говорит Генриетта Ундрум, вице-президент Equinor по возобновляемым и низкоуглеродным технологиям. - Мы не просто решаем проблему. Это часть общей картины. Это станет отправной точкой для создания рынка топлива с нулевым содержанием углерода.”
Тем не менее, отраслевые эксперты говорят, что модернизация мирового судоходного флота будет чрезвычайно дорогостоящей. По оценкам исследователей, для достижения поставленной цели по сокращению выбросов потребуется до 1,4 трлн долларов. Полное устранение выбросов потребует дополнительных 500 миллиардов долларов, согласно исследованию группы морских экспертов, проведенному в январе 2020 года.
Для достижения этой цели рассматривается ряд экологически безопасных технологий, включая топливные элементы, системы хранения водорода и большие аккумуляторные батареи. Вращающиеся металлические цилиндры, буксировочные воздушные змеи и другие методы уже помогают снизить расход дизельного топлива. Но аммиак, скорее всего, будет доминировать среди судов, находящихся в плавании в течение нескольких дней или недель без дозаправок. Для таких судов “аммиак-это самое дешевое топливо с нулевой эмиссией, которое мы могли найти”,- говорит Тристан Смит, исследователь Энергетического института Лондонского университетского колледжа, который оценил более 30 различных видов топлива для судоходства.
Прогнозируемое использование судового топлива до 2050 года
Поскольку судоходная отрасль сокращает выбросы парниковых газов в соответствии с мандатом Международной морской организации, аммиак и водород, по прогнозам, станут ведущими альтернативами традиционным видам топлива на основе нефти к 2050 году. (зеленым показан гидроксид аммония)
Смит предсказывает, что зеленый аммиак будет производиться в больших объемах и начнет использоваться на судах в течение ближайшего десятилетия. Другие исследователи делают аналогичные прогнозы. Согласно отчету международной консалтинговой компании DNV за сентябрь 2019 года, аммиак может составить 25 процентов морской топливной смеси к середине века, причем почти все вновь построенные суда будут работать на аммиаке с 2044 года.
Однако для того, чтобы судоходство на аммиачном топливе стало реальностью, необходимо сделать несколько вещей правильно. Производители и инженеры должны преодолеть ключевые технические препятствия и проблемы безопасности при проектировании аммиачных двигателей и топливных элементов. Портовые операторы и поставщики топлива должны построить обширную “бункеровочную” инфраструктуру, чтобы суда могли наполнять цистерны аммиаком везде, где они причаливают. А энергетические компании и правительства должны будут вкладывать значительные средства в солнечную, ветровую и другие возобновляемые источники энергии, чтобы производить достаточно зеленого аммиака для тысяч судов. Во всем мире суда потребляют примерно 300 миллионов тонн морского топлива каждый год. Учитывая, что плотность энергии аммиака в два раза меньше, чем у дизельного топлива, производителям аммиака потребуется в два раза больше жидкого аммиака, а кораблям потребуется разместить большие резервуары для хранения, потенциально съедающие грузовое пространство.
Но если эти усилия увенчаются успехом, это ознаменует резкое возрождение транспортного топлива, которое в значительной степени оставалось в стороне со времен Второй мировой войны.
Нехватка дизельного топлива вызвала первое реальное использование аммиака в качестве топлива. В 1942 году оккупированная немцами Бельгия изо всех сил пыталась найти достаточно дизельного топлива, чтобы запустить свои общественные автобусы, как раз в то время, когда число пассажиров росло. Инженеры рассматривали возможность использования сжатого угольного газа, но низкая плотность энергии этого топлива и неудобные требования к хранению сделали его непрактичным.В апреле 1943 года Аммиак Казале (ныне часть швейцарского производителя удобрений Casale) представил двигатель внутреннего сгорания, который мог работать на смеси аммиака и угольного газа. Около 100 автобусов в Бельгии приняли эту систему, получившую название Gazamo. Но оператор автобуса вернулся к использованию дизельного топлива, как только снова появились припасы.
В последующие десятилетия исследования аммиачных двигателей шли урывками, даже когда поставки аммиака резко возросли. В 1930-е годы мировое годовое производство аммиака составляло около 300 000 метрических тонн. Сегодня в мире ежегодно производится около 150 миллионов метрических тонн аммиака. Хотя аммиак является ценным химическим сырьем, транспортный сектор имеет мало стимулов для его использования. Нефть имеет более высокую плотность энергии, ее легче и дешевле добывать.
“Теперь, с акцентом на углеродно-нейтральное топливо, это, очевидно, другая дискуссия. Экономика вокруг него очень разная”, - говорит Питер Киркеби из MAN Energy Solutions. - Все хотят знать: ‘Когда у нас будет аммиачный двигатель?’ ”
Киркеби говорил из Копенгагена, где у компании есть большой прибрежный объект в южной гавани города. MAN, дочерняя компания Volkswagen, разрабатывает многомегаваттные дизельные двигатели для судов и электрогенераторов. Датский аванпост разработал судовые двигатели, работающие на метаноле, сжиженном природном газе, жидком нефтяном газе и других альтернативных видах топлива. Киркеби говорит, что недавний толчок отрасли к аммиаку происходит по мере того, как производители возобновляемой энергии ищут новые рынки сбыта, а судоходные компании ищут решения по сокращению выбросов.
Как Производить “Зеленый” Аммиак
Традиционный процесс Хабера-Боша используется для производства практически всего аммиака в мире, но он является энергоемким и углеродоемким. Для декарбонизации процесса производства аммиака электричество из возобновляемых источников, таких как энергия ветра и солнца, используется для электролиза воды с получением водорода (а также кислорода). Электричество также используется для разделения воздуха, выделяя азот (а также кислород и некоторое количество аргона и углекислого газа). Затем водород вступает в реакцию с азотом с образованием аммиака, NH3. Ожидается, что грузовые суда, оснащенные аммиачными двигателями внутреннего сгорания или аммиачными топливными элементами, помогут судоходной отрасли вдвое сократить выбросы углекислого газа к середине века.
Аммиак-это простая молекула, состоящая из трех атомов водорода, связанных с одним атомом азота. Сегодня большая часть промышленного водорода производится с использованием энергоемкого метода, называемого паровым риформингом метана, который заставляет метан в природном газе вступать в реакцию с паром и выделять водород, монооксид углерода и небольшое количество углекислого газа. Азот в основном вырабатывается охлаждающим воздухом для разделения его на составляющие газы: азот, кислород, аргон и углекислый газ.
Чтобы получить аммиак, водород и азот взаимодействуют с катализатором при высокой температуре (около 500 °C) и высоком давлении (от 20 до 40 мегапаскалей) с помощью промышленного процесса, разработанного немецкими химиками Фрицем Хабером и Карлом Бошем более века назад. Для хранения в больших количествах аммиак можно сжижать, помещая его под давление (около 1 МПа при температуре 25 °С) или охлаждая (до -33 °С). В целом, на процесс Хабера-Боша приходится 1,8 процента, или полмиллиарда метрических тонн, вызванных человеком глобальных выбросов CO2 каждый год.
Если аммиак должен играть определенную роль в сокращении морских выбросов, то топливо должно быть произведено более чистым способом. Например, водород может быть получен путем электролиза, расщепления воды на водород и кислород с использованием электричества из возобновляемых источников, таких как энергия ветра или солнца. Возобновляемые источники энергии также могут быть использованы для отделения азота от воздуха.
Пробная установка Института возобновляемых источников энергии Фукусимы в Японии использует солнечную энергию для производства до 50 килограммов зеленого аммиака в день.
По мнению экспертов, увеличение поставок топлива и создание инфраструктуры распределения топлива являются самыми большими проблемами для судоходства на аммиаке. Сейчас производится лишь крошечное количество зеленого аммиака. Пробная установка Института возобновляемых источников энергии Фукусимы в Японии использует солнечную энергию и электролиз воды для производства от 20 до 50 килограммов зеленого аммиака в день. Демонстрационная система в лаборатории Резерфорда Эпплтона в Оксфордшире, Англия, питается от местной ветряной турбины и ежедневно производит до 30 кг зеленого аммиака. [О том, как фермер в Айове использует солнечную энергию для производства зеленого аммиака, читайте в статье “Путешествие отставного инженера JPL: От космических зондов к углеродно-нейтральному сельскому хозяйству.”]
Более крупные инициативы осуществляются в Австралии, Чили и Новой Зеландии. Например, в Квинсленде Австралийское агентство по возобновляемым источникам энергии недавно поддержало технико-экономический проект стоимостью 3,9 миллиона долларов (3,0 миллиона долларов США) для завода, который мог бы производить 20 000 метрических тонн аммиака в год, используя 208 гигаватт-часов электроэнергии. В 2015 году мировая судоходная отрасль использовала эквивалент 3,05 миллиона ГВтч. По данным Корейского регистра судоходства, для замены всего лишь 10 процентов этого объема зеленым аммиаком потребуется около 550 000 ГВт-ч возобновляемой электроэнергии.
По мере того, как зеленый аммиак постепенно расширяется, судоходной отрасли придется решать некоторые другие проблемы. Главная проблема - токсичность аммиака. В концентрированном виде едкий бесцветный газ может быть смертельным. В январе 2020 года разлив почти 3000 литров сжиженного аммиачного удобрения в Иллинойсе привел к тому, что более 80 человек попали в больницу с болью в груди, раздражением глаз, кашлем и сильной головной болью. Производители и дистрибьюторы аммиака должны соблюдать строгие правила обращения с ним и техники безопасности, чтобы свести к минимуму вероятность катастрофы. Для использования аммиачного топлива судам потребуется дополнительное оборудование безопасности, такое как аварийная вентиляция и газопоглощающие системы.
К счастью, операторы химических танкеров—крупных судов, предназначенных для перевозки опасных продуктов,—уже имеют опыт обращения с аммиаком. Около 10 процентов годового производства транспортируется морем. Эти танкеры с аммиаком могут быть одними из первых судов, использующих химическое вещество в качестве топлива, точно так же, как современные перевозчики сжиженного природного газа сжигают часть своего собственного груза во время плавания.
Однако использование аммиака в машинном отделении создает новые риски. Двигатель ЧЕЛОВЕКА, скорее всего, будет включать в себя двустенные топливные трубы, чтобы предотвратить утечку газа, если внутренняя труба протечет или разорвется. Механическая система вентиляции перехватит любую утечку газа и предупредит экипаж корабля.
Аммиак также разъедает некоторые сплавы, содержащие медь и никель, и некоторые пластмассы. Топливо трудно воспламеняется и плохо выдерживает горение. Инженеры могли бы решить проблему воспламенения, объединив аммиак с жидким пилотным топливом, таким как дизельное топливо, хотя это увеличило бы углеродный след корабля. Или они могли бы потенциально объединить его с лучше сжигаемым жидким водородом; это потребовало бы добавления резервуаров с водородом или оборудования для отделения водорода от аммиака по мере необходимости.
Загрязнение воздуха от сжигания аммиака-еще одна загадка, которую предстоит разгадать инженерам. При сжигании при высоких температурах аммиак образует диоксид азота, который способствует образованию смога и кислотных дождей и может нанести вред дыхательной системе людей. При сжигании также образуется небольшое количество закиси азота—парникового газа, который намного мощнее углекислого газа и метана. При необходимости судостроители могли бы установить специальное оборудование, например для селективного каталитического восстановления, чтобы избежать таких последствий. Japan Engine Corp A Национальный институт морских исследований в Токио оценил такие устройства на 7,7-киловаттном одноцилиндровом двигателе, использующем дизель-аммиачную смесь.
Другим вариантом устранения вредных выбросов является использование топливных элементов, а не двигателя внутреннего сгорания. Проще говоря, топливный элемент преобразует химическую энергию в электрическую без сжигания топлива, тем самым избегая выброса вредных газов или частиц в воздух. Хотя существующие топливные элементы не имеют достаточной мощности для судов, эксперты полагают, что эти устройства в конечном итоге смогут обеспечить более высокий КПД и более низкий профиль выбросов, чем двигатели внутреннего сгорания.
Около двух десятков проектов успешно продемонстрировали, что топливные элементы могут питать и двигать небольшие суда. Многие из них связаны с электрохимической реакцией водорода и кислорода в так называемом протонообменном мембранном топливном элементе, работающем при низких температуре и давлении. Но аммиак не является подходящим топливом для этих устройств. NH3 окисляется труднее, чем водород, и поэтому для ускорения реакции требуются более высокие температуры.
Исследователи говорят, что лучше всего подходит твердооксидный топливный элемент, который использует твердый керамический материал, такой как цирконий, в качестве электролита. Эти устройства могут работать при высоких температурах около 1000 °C. Система мощностью 2 мегаватта устанавливается на норвежском судне "Викинг" и будет испытываться с 2024 года.