ЭКиП № 7. КАК ЖИТЬ ВМЕСТЕ В УСЛОВИЯХ НОВОГО МИРОПОРЯДКА

ЭКиП № 5. БУДУЩЕЕ АММИАКА КАК АЛЬТЕРНАТИВНОГО МОТОРНОГО ТОПЛИВА

Один из самых великих химических процессов, созданных в XX в., — синтез аммиака. Движущей силой в разработке этого процесса стал рост численности населения Земли, вызвавший потребность в увеличении необходимых объемов продовольствия. Единственным источником азотсодержащих минеральных удобрений в начале XX в. являлись запасы аммиачной селитры в Чили. Эти запасы стремительно убывали, и казалось, может воплотиться в жизнь прогноз английского священника и ученого Томаса Мальтуса, который считал, что научно-технический прогресс не способен компенсировать ограниченность природных ресурсов. В то время перед учеными всего мира стояла основная задача, заключающаяся в химической фиксации азота. Естественным путем достижения этой цели послужил вариант связывания атмосферного азота в форме синтетического аммиака. Определяющий вклад в реализацию промышленного способа получения аммиака из азота и водорода внесли два немецких ученых — Фриц Габер и Карл Бош. Ф. Габер впервые разработал способ получения аммиака в лабораторных условиях, а К. Бош создал инженерные основы производственного процесса. Оба были удостоены Нобелевской премии — Ф. Габер в 2019 г., а К. Бош в 1931 г. Прошло уже более 100 лет, а все реакторы синтеза аммиака в мире строятся в соответствии с технологическими решениями, разработанными К. Бошем. На сегодняшний день мировое производство аммиака оценивается в 200 млн т/год. Это позволяет обеспечить азотными удобрениями основных сельхозпроизводителей (Китай, Индия, США, Россия). Ежегодные темпы прироста объема производства аммиака не превышают в последние годы 1,5 %, что указывает на стабильность рынка данного продукта. Основным направлением использования аммиака до настоящего времени являлось производство минеральных удобрений и промышленных взрывчатых веществ.

В последнее время началось стремительное развитие новой сферы применения аммиака в качестве моторного топлива. В аммиаке содержится большая доля водорода, при его сгорании не выделяется углекислый газ, что делает его чистым и экологически безопасным топливом. Аммиак гораздо легче хранить и транспортировать, чем водород. И, наконец, аммиак — это энергетически богатое топливо, с теплотворной способностью всего в 2 раза меньше, чем у бензина или дизельного топлива. Наибольшее внимание использованию аммиака как замены моторному топливу уделяется в секторе морского транспорта. Норвежская компания Yara анонсировала строительство первого в мире "безвыбросного" морского судна на "чистом аммиаке" без привлечения углеводородного топлива (мазута или дизельного топлива). Планируется, что это судно начнёт эксплуатироваться уже с 2026 г. на морских перевозках удобрений по маршруту Норвегия-Германия. Активно исследуется также возможность задействования аммиака в автомобильном транспорте. Эти работы ведутся по двум направлениям. Во-первых, аммиак при-меняется как энергоноситель для топливных элементов, питающих электродвигатель автомобиля. Другой вариант использования аммиака — прямая замена им бензина или дизельного топлива в двигателе внутреннего сгорания. Первый такой двигатель уже продемонстрирован в 2023 г. альянсом компаний GAC (Китай) и Toyota (Япония).

Интенсивно проводятся исследования по замене углеводородного топлива на аммиак в газовых турбинах. Для снижения углеродного следа в тепловой энергетике разрабатывается процесс совместимого сжигания каменного угля и аммиака. Одно из самых перспективных направлений энергетического применения аммиака — новое поколение топливных элементов, работающих на водороде, получаемом при каталитическом разложении аммиака.

Информация о топливно-энергетическом использовании аммиака носит преимущественно рекламный характер и сводится, в лучшем случае, к оценке снижения выбросов углекислого газа. Однако при сжигании аммиака возможно образование различных форм оксидов азота (NO, NO2, N2O). Экспериментальные данные по содержанию различных веществ в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания при использовании аммиака как топлива в публикациях, как правило, отсутствуют.

Обозначим проблемы, которые можно выделить на пути перехода транспорта на аммиачное топливо: а) коррозия при контакте элементов двигателя с аммиаком; б) высокая токсичность аммиака; в) относительно низкая удельная энергоемкость аммиака как топлива; г) образование оксидов азота из аммиака при его сжигании.

Стоит обратить внимание на технико-экономические перспективы аммиака как моторного топлива. При теплопроводной способности аммиака в 2 раза ниже, чем у дизельного топлива (ДТ), его стоимость в России сейчас в 2 раза меньше чем ДТ. Значит, аммиак в стоимостном отношении уже конкурентоспособен как топливо. В существующих процессах синтеза аммиака из природного газа неизбежно образуется углекислый газ — 1 т СО2 на 1 т аммиака. Утилизация концентрированного СО2 на месте существенно дешевле и технологически проще, чем решение этой задачи для отдельно взятого автомобиля на углеводородном топливе. Таким образом, использование аммиака в качестве моторного топлива открывает потенциальные возможности создания транспорта без углеродного следа.

Теперь остановимся на прогнозах топливного будущего аммиака. Коммерческое использование аммиака в этом качестве прогнозируется начиная с 2035–2037 гг. Ожидается, что к 2050 г. морской транспорт будет потреблять преимущественно сжиженный природный газ (65–70 %) и аммиак (20–25 %). Доля малосернистого мазута составит всего 10 %. Это приведет к необходимости увеличения к 2050 г. производства аммиака в 2 раза — до 400 млн т/год.

Какие же выводы следуют из топливного будущего аммиака? Применение аммиака в автотранспорте неизбежно придаст импульс развитию двигателей внутреннего сгорания. Двигатели на аммиаке могут стать совсем другими, в отличие от бензиновых или дизельных двигателей. Возможно, аммиак не будет монотопливом и потребует введения специальных добавок (по аналогии с октаноповышающими добавками к бензину). Необходимость увеличения мощностей производства аммиака стимулирует прогресс в новых технологиях синтеза. Это вызовет рост научных исследований в области каталитических процессов, связанных с синтезом аммиака, и промышленное освоение результатов этих работ.

А.С. Носков

Руководитель научного направления

"Промышленный катализ",

ФИЦ "Институт катализа

им. Г.К. Борескова СО РАН",

член-корр. РАН, главный редактор

журнала ЭКиП