Аммиак — возобновляемое топливо из солнца, воздуха и воды может обеспечить энергией земной шар без углерода

Используя большое количество солнечной и ветровой энергии, Австралия стремится заменить грязный, 100-летний рецепт производства аммиака.

По словам Дугласа Макфарлейна, химика из Университета Монаша в пригороде Мельбурна, древние засушливые ландшафты Австралии — благодатная почва для нового роста: огромных лесов ветряков и солнечных батарей. На квадратный метр в этой стране приходится больше солнечного света, чем в любой другой, а мощные ветры овевают ее южное и западное побережья.

В целом, потенциал возобновляемой энергии Австралии составляет 25 000 гигаватт — один из самых высоких в мире и примерно в четыре раза превышает установленную мощность производства электроэнергии на планете. Однако при небольшом населении и нехватке способов хранения или экспорта энергии ее возобновляемые ресурсы практически не используются.

Вот тут-то и приходит на помощь Макфарлейн. Последние 4 года он работает над созданием топливного элемента, который может преобразовывать возобновляемую электроэнергию в топливо, не содержащее углерода: аммиак. Топливные элементы обычно используют энергию, запасенную в химических связях, для получения электричества, а у Макфарлейна все происходит наоборот. В своей лаборатории на третьем этаже он демонстрирует одно из устройств размером с хоккейную шайбу, выполненное из нержавеющей стали.

Через две пластиковые трубки на задней стороне устройства подается газ азот и вода, а через шнур питания — электричество. Через третью трубку на передней стороне он бесшумно выдыхает газообразный аммиак, и все это без тепла, давления и выбросов углерода, которые обычно необходимы для производства этого химического вещества. "Это вдыхание азота и выдыхание аммиака", — говорит Макфарлейн, сияя, как гордый отец.

Компании по всему миру уже производят аммиак на 60 миллиардов долларов в год, в основном в качестве удобрений, и устройство Макфарлейна может позволить им делать это более эффективно и чисто. Но у него есть амбиции сделать гораздо больше, чем просто помочь фермерам.

Преобразуя возобновляемое электричество в богатый энергией газ, который можно легко охладить и сжать в жидкое топливо, топливный элемент Макфарлейна эффективно накапливает солнечный свет и ветер, превращая их в товар, который может быть отправлен в любую точку мира и снова преобразован в электричество или водородный газ для питания автомобилей на топливных элементах. Газ, выходящий из топливного элемента, бесцветен, но с экологической точки зрения, говорит Макфарлейн, аммиак настолько экологичен, насколько это вообще возможно. "Жидкий аммиак — это жидкая энергия", — говорит он. "Это устойчивая технология, которая нам нужна".

Аммиак — один атом азота, соединенный с тремя атомами водорода — может показаться не идеальным топливом: Этот химикат, используемый в бытовых чистящих средствах, имеет неприятный запах и является токсичным. Но его плотность энергии по объему почти в два раза выше, чем у жидкого водорода — его главного конкурента в качестве экологически чистого альтернативного топлива, и его легче транспортировать и распределять. "Его можно хранить, перевозить, сжигать и превращать обратно в водород и азот", — говорит Тим Хьюз, исследователь в области хранения энергии из производственного гиганта Siemens в Оксфорде (Великобритания), — "Во многих отношениях это идеальный вариант".

Исследователи по всему миру стремятся к такой же перспективе "аммиачной экономики", и Австралия позиционирует себя в качестве лидера. "Все только начинается", — говорит Алан Финкель, главный ученый Австралии, работающий в Канберре. По словам Финкеля, федеральные политики пока не предложили никаких серьезных законов в поддержку возобновляемого аммиака, что, возможно, вполне объяснимо для страны, которая давно привержена экспорту угля и природного газа. Но в прошлом году Австралийское агентство по возобновляемым источникам энергии заявило, что создание экспортной экономики для возобновляемых источников энергии является одним из его приоритетов. В этом году агентство объявило о выделении 20 миллионов австралийских долларов в качестве первоначальных средств для поддержки экспортных технологий возобновляемых источников энергии, включая транспортировку аммиака.

В австралийских штатах политики рассматривают возобновляемый аммиак как потенциальный источник рабочих мест и налоговых поступлений, говорит Бретт Купер, председатель Renewable Hydrogen, консалтинговой компании по возобновляемым видам топлива в Сиднее. В штате Квинсленд власти обсуждают возможность создания экспортного терминала аммиака в портовом городе Гладстон, который уже является центром по доставке сжиженного природного газа в Азию. В феврале штат Южная Австралия выделил 12 миллионов австралийских долларов в виде грантов и кредитов на проект по производству аммиака из возобновляемых источников. А в прошлом году международный консорциум объявил о планах строительства в штате Западная Австралия комбинированной ветряной и солнечной электростанции стоимостью 10 миллиардов долларов США, известной как Азиатский центр возобновляемой энергии. Хотя большая часть электроэнергии проекта мощностью 9000 мегаватт будет поступать по подводному кабелю для питания миллионов домов в Индонезии, часть этой энергии может быть использована для производства аммиака для экспорта на дальние расстояния. "Аммиак является ключевым фактором для экспорта возобновляемых источников энергии", — говорит Дэвид Харрис, директор по исследованиям в области технологий с низким уровнем выбросов в австралийской организации Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) Energy в Пулленвейле. "Это мост в совершенно новый мир".

Однако сначала сторонникам возобновляемого аммиака придется вытеснить один из самых крупных, грязных и проверенных временем промышленных процессов в современном мире, который называется "Хабер-Бош".

Завод по производству аммиака, металлический мегаполис труб и резервуаров, расположен там, где красные скалы пустыни Пилбара в Западной Австралии упираются в океан. Принадлежащий компании Yara, крупнейшему в мире производителю аммиака, и построенный в 2006 году, завод до сих пор сверкает. Он находится в технологическом авангарде и является одним из крупнейших аммиачных заводов в мире. Однако в его основе — стальные реакторы, в которых по-прежнему используется столетний рецепт производства аммиака.

До 1909 года большую часть аммиака на планете производили азотфиксирующие бактерии. Но в том же году немецкий ученый Фриц Хабер нашел реакцию, которая с помощью железных катализаторов позволяет разорвать прочную химическую связь, удерживающую вместе молекулы азота, N2, и соединить атомы с водородом для получения аммиака. Реакция требует грубой силы — до 250 атмосфер давления в высоких, узких стальных реакторах — процесс, впервые промышленно реализованный немецким химиком Карлом Бошем. Процесс достаточно эффективен; около 60% энергии, затраченной на установку, в конечном итоге сохраняется в связях аммиака. При масштабировании на заводы размером с завод Yara, процесс может производить огромное количество аммиака. Сегодня завод производит и отгружает 850 000 метрических тонн аммиака в год — более чем в два раза больше, чем вес Эмпайр-стейт-билдинг.

Большая часть используется в качестве удобрения. Растения нуждаются в азоте, который используется для построения белков и ДНК, а аммиак поставляет его в биологически доступной форме. Реакторы Хабера-Боша могут производить аммиак гораздо быстрее, чем естественные процессы, и в последние десятилетия эта технология позволила фермерам прокормить растущее население Земли. По оценкам, сегодня не менее половины азота в организме человека поступает с завода по производству синтетического аммиака.

Технология Хабера-Боша привела к "зеленой революции", но сам процесс не является "зеленым". Он требует источника газообразного водорода (H2), который отделяется от природного газа или угля в ходе реакции с использованием перегретого пара под давлением. При этом остается двуокись углерода (CO2), что составляет около половины выбросов от всего процесса. Второе сырье, N2, легко отделяется от воздуха, который на 78% состоит из азота. Но для создания давления, необходимого для соединения водорода и азота в реакторах, расходуется больше ископаемого топлива, а значит, больше CO2. Выбросы увеличиваются: Производство аммиака потребляет около 2% энергии в мире и производит 1% CO2.