Poszukiwanie odpowiedniego chemicznego wektora energii
Jednym z obiecujących kandydatów do tej roli jest amoniak; cząsteczka amoniaku składa się z jednego atomu azotu i trzech atomów wodoru (dla porównania, cząsteczka metanu ma jeden atom węgla i cztery atomy wodoru). Amoniak może być syntetyzowany z surowców, których mamy pod dostatkiem, czyli wody i powietrza, przy użyciu energii odnawialnej.
Ammoniak, NH3
Atmosfera ziemska składa się w przybliżeniu w 78 procentach z azotu, który można łatwo wydzielić z powietrza. Wodór można uzyskać z wody, w procesie zwanym elektrolizą. Po wyprodukowaniu wodoru i azotu, można je połączyć w standardowej dla przemysłu reakcji zwanej procesem Habera-Boscha, aby wyprodukować amoniak. Jeśli energia odnawialna jest używana do zasilania tych procesów, wtedy ta energia zostaje zamknięta w cząsteczce amoniaku, bez żadnych bezpośrednich emisji dwutlenku węgla.
Produkcja amoniaku wynosi już 180 mln ton/rok o wartości 80 mld euro
Ammoniak, lub NH3, aby nadać mu prawidłową nazwę chemiczną, jest już znaczącą substancją chemiczną. Obecna roczna produkcja globalna wynosi około 180 milionów ton rocznie, a wartość rynkowa tego surowca wynosi około 80 miliardów euro rocznie
Obecnie ponad 80 procent amoniaku jest wykorzystywane w przemyśle nawozowym, ale istnieją dla niego inne, znacznie szersze zastosowania w ramach transformacji energetycznej. Cieszy się on podobnymi właściwościami przechowywania jak gaz płynny (LPG), ponieważ skrapla się w temperaturze -33 stopni Celsjusza pod ciśnieniem otoczenia i przy ciśnieniu około 10 barów w temperaturze otoczenia. Chociaż amoniak niesie ze sobą znaczne zagrożenie toksycznością, odpowiedni sprzęt i procedury bezpiecznego obchodzenia się z nim zostały dobrze opracowane w ciągu dziesięcioleci produkcji na skalę przemysłową.
Amoniak jest produkowany w ogromnych ilościach na całym świecie do nawozów rolniczych, ale obecnie wykorzystuje gaz ziemny lub inne paliwa kopalne, aby zapewnić zarówno wodór jako surowiec, jak i energię do zasilania procesu syntezy. Istniejące zakłady produkujące amoniak są głównym emitentem CO2, odpowiadając za około 1,6 procent obecnych globalnych emisji.
Zielony wodór zwiększa potencjał amoniaku
Jakkolwiek opłacalne dla dzisiejszych zastosowań przemysłowych amoniaku, wykorzystanie kopalnych substratów i źródeł energii oznacza, że amoniak nie odgrywa jeszcze roli jako wektor energii – ale to się teraz zmienia. Dzięki przejściu na zielony wodór, czyli wodór, który jest produkowany z energii odnawialnej poprzez elektrolizę wody, emisja dwutlenku węgla przy produkcji amoniaku może zostać wyeliminowana.
Demonstrator Zielonego Amoniaku firmy Siemens
Zlokalizowany w Rutherford Appleton Laboratory w Wielkiej Brytanii, Demonstrator Zielonego Amoniaku firmy Siemens łączy wszystkie technologie wymagane do zademonstrowania pełnego cyklu energetycznego amoniaku. Ekologiczny wodór jest produkowany przy użyciu elektrolizera o mocy 13 kilowatów (kW), wytwarzającego 2,4 normalnego metra sześciennego wodoru na godzinę (Nm3/h). Azot jest uzyskiwany z jednostki rozdziału powietrza o mocy 7 kW, wykorzystującej zasadę absorpcji zmiennociśnieniowej do produkcji 9 Nm3/h azotu. Odnawialna energia elektryczna jest dostarczana przez turbinę wiatrową o mocy 20kW znajdującą się na terenie testów.
Wodór i azot są łączone w celu wytworzenia amoniaku za pomocą zbudowanej na zamówienie jednostki syntezy Haber-Bosch o wydajności 30kg amoniaku dziennie. Amoniak jest przechowywany jako ciecz pod ciśnieniem w zbiorniku o pojemności 350kg, a następnie wykorzystywany do zasilania 30kWe zespołu prądotwórczego z zapłonem iskrowym. Cały system jest zarządzany przez niestandardowy system sterowania Siemens PCS7 do pracy bezobsługowej.
Celem demonstratora jest pokazanie, że nie tylko ten proces może być użyty do radykalnego zmniejszenia emisji przy produkcji amoniaku do konwencjonalnych zastosowań, ale że amoniak może być również praktycznym wektorem energii wodorowej, dalej zmniejszając emisję CO2 w naszych systemach energetycznych poprzez zapewnienie magazynowania energii odnawialnej na skalę.
Technologia skalowania jest już wypróbowana i przetestowana
Szczególną zaletą amoniaku jest to, że technologia wymagana do wdrożenia go jako wektora energii już istnieje w wymaganej skali: przemysłowe procesy separacji powietrza do produkcji azotu są rutynowe; elektroliza wody była wykonywana na skalę przemysłową zanim reforming parowy metanu stał się tańszym źródłem wodoru; wielkoskalowe zbiorniki amoniaku i tankowce są w rutynowym użyciu od dziesięcioleci. Fritz Haber otrzymał Nagrodę Nobla za syntezę amoniaku z jego pierwiastków w 1918 roku; Carl Bosch został doceniony za swoje wysiłki na rzecz przekształcenia tego procesu w proces na skalę przemysłową, otrzymując Nagrodę Nobla w 1931 roku; a infrastruktura wspierająca przemysł amoniakalny jest od tego czasu stale optymalizowana.
Energia chemiczna kontra akumulatory
Często jestem pytany, która technologia magazynowania jest „najlepszym” rozwiązaniem dla energii odnawialnej, moja odpowiedź brzmi, że musimy wdrożyć szereg technologii magazynowania, które są odpowiednie dla danego zastosowania. Baterie odgrywają ważną rolę, ale ich wadą jest to, że koszt magazynowania w bateriach jest liniowy: jeśli potrzebujesz dwa razy większej pojemności, to są to dwie baterie.
Jeśli chodzi o magazynowanie energii chemicznej, po pierwsze możesz rozdzielić moc i energię. Możesz wybrać turbinę gazową, aby zapewnić wymaganą moc, a następnie, jak długo chcesz uruchomić ten silnik dla określa rozmiar zbiornika, którego potrzebujesz. Jeśli chcesz mieć dużą pojemność energetyczną, musisz po prostu powiększyć zbiornik, co jest stosunkowo tanie – zwłaszcza w dużych skalach.
Przyszłość amoniaku
Do przechowywania dużych ilości energii paliwa chemiczne zapewniają gęste energetycznie i wygodne medium – dlatego są dziś wszechobecne. Wyzwaniem związanym z paliwami, których używamy obecnie, jest emisja dwutlenku węgla wynikająca z ich spalania. Jednym ze sposobów myślenia o amoniaku jest to, że rozwiązuje on problem zastąpienia paliw węglowodorowych czymś, co nie zawiera węgla, a jednocześnie pokonuje wyzwania związane z przechowywaniem i dystrybucją wodoru w dużych ilościach. Jedną z kuszących rzeczy dotyczących amoniaku jest to, że istnieje dziś bardzo rozwinięty przemysł amoniakalny.
Przeprowadzono wiele badań na temat naszego przyszłego systemu energetycznego i chociaż są one użyteczne i pouczające, przychodzi czas, kiedy trzeba zacząć budować i testować systemy, aby poznać rzeczywiste problemy związane z ich wdrażaniem. A dla amoniaku jako wektora zielonej energii myślę, że ten czas jest teraz.
***
Ian Wilkinson jest menedżerem programu w Siemens Gas & Power
.