Keressük a megfelelő kémiai energiavektort
Az egyik ígéretes jelölt erre a szerepre az ammónia; az ammónia molekula egy nitrogénatomból és három hidrogénatomból áll (összehasonlításképpen a metán molekula egy szénatomból és négy hidrogénatomból áll). Az ammónia szintetizálható olyan nyersanyagokból, amelyekkel bőségesen rendelkezünk, nevezetesen vízből és levegőből, megújuló energia felhasználásával.
Ammónia, NH3
A Föld légköre nagyjából 78 százalékban nitrogénből áll, és ez könnyen kiválasztható a levegőből. A hidrogén a vízből nyerhető, egy elektrolízisnek nevezett eljárással. Miután a hidrogén és a nitrogén előállt, a Haber-Bosch-folyamatnak nevezett ipari szabványos reakcióban egyesíthetők ammónia előállítására. Ha megújuló energiát használnak e folyamatok működtetéséhez, akkor ez az energia az ammónia molekulában kötődik meg, közvetlen szén-dioxid-kibocsátás nélkül.
Az ammónia előállítása már most is 180 millió tonna/év, 80 milliárd euró értékben
Az ammónia, vagy helyes kémiai nevén NH3, már most is jelentős vegyi anyag. A jelenlegi éves globális termelés évente mintegy 180 millió tonna, amelynek piaci értéke évente mintegy 80 milliárd euró.
Az ammónia több mint 80 százalékát jelenleg a műtrágyaiparban használják fel, de az energetikai átmenet keretében más, sokkal szélesebb körű felhasználási módjai is vannak. A cseppfolyósított propángázhoz (LPG) hasonló tárolási tulajdonságokkal rendelkezik, mivel környezeti nyomáson -33 Celsius-fokon, környezeti hőmérsékleten pedig körülbelül 10 bar nyomáson cseppfolyósodik. Bár az ammónia jelentős toxicitási veszélyt hordoz magában, a megfelelő berendezések és a biztonságos kezelési eljárások az ipari méretű termelés évtizedei alatt jól beváltak.
Az ammóniát világszerte hatalmas mennyiségben állítják elő mezőgazdasági műtrágyákhoz, de jelenleg földgázt vagy más fosszilis tüzelőanyagokat használnak mind a hidrogén alapanyag, mind a szintézisfolyamat működtetéséhez szükséges energia biztosítására. A meglévő ammóniagyártó üzemek jelentős CO2-kibocsátók, a jelenlegi globális kibocsátások mintegy 1,6 százalékát teszik ki.
A zöld hidrogén növeli az ammóniában rejlő lehetőségeket
Az ammónia mai ipari felhasználása során ugyan költséghatékony, de a fosszilis alapanyagok és energiaforrások használata miatt az ammónia még nem játszik szerepet energiahordozóként – ez azonban most megváltozik. A zöld hidrogénre, azaz a megújuló energiával, vízelektrolízissel előállított hidrogénre való áttéréssel az ammónia előállításából származó szén-dioxid-kibocsátás kiküszöbölhető.
Siemens Green Ammonia Demonstrator
A brit Rutherford Appleton Laboratoryban található Siemens Green Ammonia Demonstrator a teljes ammónia energiaciklus bemutatásához szükséges összes technológiát magában foglalja. A zöld hidrogént egy 13 kilowattos (kW) elektrolízissel állítják elő, amely óránként 2,4 normál köbméter (Nm3/óra) hidrogént termel. A nitrogént egy 7 kW-os levegőleválasztó egységből nyerik, amely a nyomásingadozásos abszorpció elvét kihasználva 9 Nm3/óra nitrogént állít elő. A megújuló villamos energiát egy 20 kW-os szélturbina szolgáltatja, amely a kísérleti helyszínen található.
A hidrogént és a nitrogént egy egyedi építésű Haber-Bosch szintézisegységen keresztül egyesítik ammónia előállítására, amelynek kapacitása napi 30 kg ammónia. Az ammóniát nyomás alatt lévő folyadékként tárolják egy 350 kg kapacitású tartályban, majd egy 30 kWe teljesítményű, dugattyús szikragyújtású generátorkészlet működtetésére használják. Az egész rendszert a Siemens egyedi fejlesztésű PCS7 vezérlőrendszere irányítja a felügyelet nélküli működés érdekében.
A demonstrátor célja, hogy megmutassa, hogy ez a folyamat nemcsak a hagyományos felhasználású ammónia előállításából származó kibocsátások drámai csökkentésére használható, hanem az ammónia gyakorlati hidrogénenergia-vektor is lehet, ami tovább csökkenti a CO2-kibocsátást az összes energiarendszerünkben, mivel lehetővé teszi a megújuló energia méretarányos tárolását.
A méretnövelési technológia már kipróbált és tesztelt
Az ammónia különleges előnye, hogy az energiahordozóként való alkalmazásához szükséges technológia már létezik a szükséges méretben: a nitrogén előállítására szolgáló ipari levegőleválasztási eljárások rutinszerűek; a víz elektrolízisét ipari alapon végezték, mielőtt a metán gőzzel történő reformálása olcsóbb hidrogénforrássá vált; a nagyméretű ammóniatartályok és tartályhajók évtizedek óta rutinszerűen üzemelnek. Fritz Haber 1918-ban Nobel-díjat kapott az ammónia elemeiből történő szintéziséért; Carl Bosch 1931-ben Nobel-díjjal ismerte el erőfeszítéseit, hogy ezt a folyamatot ipari méretűvé fejlessze; és az ammóniaipart támogató infrastruktúrát azóta is folyamatosan optimalizálják.
Kémiai energia kontra akkumulátorok
Gyakran kérdezik tőlem, hogy melyik tárolási technológia a “legjobb” megoldás a megújuló energiához, a válaszom az, hogy az adott alkalmazásnak megfelelő tárolási technológiák széles skáláját kell alkalmaznunk. Az akkumulátorok fontos szerepet játszanak, de az egyik hátrányuk az, hogy az akkumulátorok tárolási költsége lineáris: ha kétszeres kapacitásra van szükség, akkor két akkumulátorra van szükség.
A kémiai energiatárolásnál először is szétválaszthatjuk a teljesítményt és az energiát. Kiválaszthatod a gázturbinát a szükséges teljesítmény biztosítására, majd az, hogy mennyi ideig akarod működtetni ezt a motort, meghatározza a szükséges tartály méretét. Ha nagy energiakapacitást akar, csak nagyobbra kell méretezni a tartályt, ami viszonylag olcsó – különösen nagy léptékben.
Az ammónia jövője
A nagy mennyiségű energia tárolására a kémiai üzemanyagok energiasűrű és kényelmes közeget biztosítanak – ezért vannak ma mindenütt jelen. A most használt tüzelőanyagokkal kapcsolatos kihívást az elégetésükből származó szén-dioxid-kibocsátás jelenti. Az ammóniáról úgy gondolkodhatunk, hogy az megoldja azt a problémát, hogy a szénhidrogén üzemanyagokat olyasmivel helyettesítsük, ami nem tartalmaz szenet, miközben a hidrogén ömlesztett formában történő tárolásának és elosztásának kihívásait is leküzdi. Az ammóniával kapcsolatos egyik csábító dolog az, hogy ma már egy nagyon fejlett ammóniaipar létezik.
A jövő energiarendszeréről rengeteg tanulmány készült, és bár ezek hasznosak és informatívak, eljön az idő, amikor el kell kezdeni a rendszerek építését és tesztelését, hogy megismerjük az alkalmazásukkal kapcsolatos valós problémákat. És az ammónia mint zöld energiahordozó esetében úgy gondolom, hogy ez az idő most jött el.
***
Ian Wilkinson a Siemens Gas & Power
programmenedzsere.