În căutarea unui vector energetic chimic adecvat
Un candidat promițător pentru acest rol este amoniacul; o moleculă de amoniac cuprinde un atom de azot și trei atomi de hidrogen (pentru comparație, o moleculă de metan are un atom de carbon și patru atomi de hidrogen). Amoniacul poate fi sintetizat din materii prime pe care le avem din abundență, și anume apa și aerul, folosind energie regenerabilă.
Amoniacul, NH3
Atmosfera Pământului este alcătuită în proporție de aproximativ 78% din azot, iar acesta poate fi ușor separat din aer. Hidrogenul poate fi obținut din apă, prin intermediul unui proces numit electroliză. Odată ce hidrogenul și azotul sunt produse, acestea pot fi combinate într-o reacție standard în industrie, numită procesul Haber-Bosch, pentru a produce amoniac. În cazul în care energia regenerabilă este utilizată pentru a alimenta aceste procese, atunci energia respectivă devine blocată în molecula de amoniac, fără emisii directe de carbon.
Producția de amoniac este deja de 180 de milioane de tone/an, în valoare de 80 de miliarde de euro
Amoniacul, sau NH3 pentru a-i da denumirea chimică corectă, este deja un produs chimic important. Producția globală anuală actuală este de aproximativ 180 de milioane de tone pe an, cu o valoare de piață a produselor de bază de aproximativ 80 de miliarde de euro pe an.
În prezent, peste 80 % din acest amoniac este utilizat în industria îngrășămintelor, dar există și alte utilizări mult mai largi pentru acesta în cadrul tranziției energetice. Acesta se bucură de proprietăți de depozitare similare cu gazul petrolier lichefiat (GPL), în sensul că se lichefiază la -33 grade Celsius la presiune ambiantă și la aproximativ 10 bari la temperatura ambiantă. Deși amoniacul prezintă un risc semnificativ de toxicitate, echipamentele adecvate și procedurile de manipulare în condiții de siguranță au fost bine stabilite de-a lungul deceniilor de producție la scară industrială.
Amoniacul este produs în cantități uriașe la nivel mondial pentru îngrășăminte agricole, dar în prezent folosește gazele naturale sau alți combustibili fosili pentru a furniza atât materia primă de hidrogen, cât și energia necesară pentru a alimenta procesul de sinteză. Instalațiile existente de producere a amoniacului sunt un emițător major de CO2, reprezentând aproximativ 1,6% din emisiile globale actuale.
Hidrogenul verde sporește potențialul amoniacului
Deși este rentabil pentru utilizările industriale actuale ale amoniacului, utilizarea materiilor prime și a surselor de energie fosile înseamnă că amoniacul nu a jucat încă un rol ca vector energetic – dar acest lucru se schimbă acum. Prin trecerea la hidrogenul verde, adică hidrogenul produs cu energie regenerabilă prin electroliza apei, emisiile de carbon rezultate din producerea amoniacului pot fi anulate.
Siemens Green Ammonia Demonstrator
Cu sediul la Rutherford Appleton Laboratory din Marea Britanie, Siemens Green Ammonia Demonstrator reunește toate tehnologiile necesare pentru a demonstra ciclul energetic complet al amoniacului. Hidrogenul verde este produs cu ajutorul unui electrolizator de 13 kilowați (kW), care produce 2,4 metri cubi normali pe oră (Nm3/oră) de hidrogen. Azotul este obținut de la o unitate de separare a aerului de 7 kW, care exploatează principiul de absorbție cu oscilație de presiune pentru a produce 9 Nm3/h de azot. Energia electrică regenerabilă este furnizată de o turbină eoliană de 20 kW situată la locul de testare.
Hidrogenul și azotul sunt combinate pentru a produce amoniac prin intermediul unei unități de sinteză Haber-Bosch construită la comandă, cu o capacitate de 30 kg de amoniac pe zi. Amoniacul este stocat sub formă de lichid presurizat într-un rezervor cu o capacitate de 350 kg, iar apoi este utilizat pentru a alimenta un grup generator alternativ cu aprindere prin scânteie de 30 kWe. Întregul sistem este gestionat de un sistem de control Siemens PCS7 implementat la comandă pentru o funcționare nesupravegheată.
Scopul demonstratorului este de a arăta că nu numai că acest proces ar putea fi utilizat pentru a reduce drastic emisiile rezultate din producția de amoniac pentru utilizări convenționale, dar că amoniacul poate fi, de asemenea, un vector energetic practic al hidrogenului, reducând și mai mult emisiile de CO2 în sistemele noastre energetice, asigurând stocarea energiei regenerabile la scară largă.
Tehnologia de creștere la scară este deja încercată și testată
Un avantaj deosebit al amoniacului este că tehnologia necesară pentru a-l implementa ca vector energetic există deja la scara necesară: procesele industriale de separare a aerului pentru a produce azot sunt de rutină; electroliza apei a fost realizată la nivel industrial înainte ca reformarea metanului cu abur să devină o sursă mai ieftină de hidrogen; rezervoarele și cisternele de amoniac la scară largă sunt în serviciu de rutină de zeci de ani. Fritz Haber a câștigat Premiul Nobel pentru sinteza amoniacului din elementele sale în 1918; Carl Bosch a fost recompensat pentru eforturile sale de a dezvolta acest proces la scară industrială cu un Premiu Nobel în 1931; iar infrastructura de susținere a industriei amoniacului a fost optimizată în mod continuu încă de atunci.
Energie chimică vs. baterii
Sunt adesea întrebat care tehnologie de stocare este „cea mai bună” soluție pentru energia regenerabilă, răspunsul meu este că trebuie să implementăm o serie de tehnologii de stocare care sunt adecvate pentru o anumită aplicație. Bateriile au un rol important de jucat, dar un dezavantaj este că, în cazul bateriilor, costul de stocare este liniar: dacă aveți nevoie de o capacitate dublă, atunci este vorba de două baterii.
Când vine vorba de stocarea energiei chimice, în primul rând se poate decupla puterea și energia. Poți alege turbina cu gaz pentru a furniza energia necesară, apoi cât timp vrei să faci să funcționeze acel motor determină dimensiunea rezervorului de care ai nevoie. Dacă doriți o capacitate energetică mare, trebuie doar să faceți rezervorul mai mare, ceea ce este relativ ieftin – în special la scară mare.
Viitorul amoniacului
Pentru stocarea unor cantități mari de energie, combustibilii chimici oferă un mediu dens și convenabil din punct de vedere energetic – acesta este motivul pentru care sunt omniprezenți în prezent. Provocarea cu combustibilii pe care îi folosim în prezent sunt emisiile de carbon care rezultă din arderea lor. Un mod de a gândi amoniacul este că acesta rezolvă enigma înlocuirii combustibililor pe bază de hidrocarburi cu ceva care nu conține carbon, depășind în același timp provocările legate de stocarea și distribuirea hidrogenului în vrac. Unul dintre lucrurile atrăgătoare în legătură cu amoniacul este faptul că în prezent există o industrie a amoniacului foarte bine pusă la punct.
Au fost realizate o mulțime de studii cu privire la viitorul nostru sistem energetic și, deși acestea sunt utile și informative, vine un moment în care trebuie să începi să construiești și să testezi sisteme pentru a afla care sunt problemele din lumea reală legate de implementarea lor. Iar pentru amoniac ca vector energetic verde cred că acel moment este acum.
***
Ian Wilkinson este manager de program la Siemens Gas & Power
.