Автор: Дарья Колмина
"Питерские заметки", 14.11.2023:
Аммиак, основной компонент многих удобрений, может стать ключевым элементом для разработки топлива. Это химическое соединение, состоящее из водорода и азота (NH3), также может быть использовано как экологически чистое топливо. Однако новое исследование, проведенное Принстонским университетом, показывает, что, несмотря на отсутствие выбросов углекислого газа, широкое использование аммиака в энергетическом секторе может создать серьезные угрозы для климата без соответствующих мер предосторожности.
Опубликовав свои результаты в журнале PNAS, междисциплинарная команда из 12 исследователей выяснила, что правильное использование аммиака может помочь миру достичь целей декарбонизации. Однако ненадлежащее использование может увеличить выбросы оксида азота (N2O) — долговечного парникового газа, в 300 раз более мощного, чем CO2, и основного фактора разрежения стратосферного озонового слоя. Это также может привести к значительным выбросам оксидов азота (NOx), класса загрязнителей, способствующих образованию смога и кислотного дождя. И непосредственные утечки аммиака в окружающую среду также могут стать источником загрязнения воздуха. Это может повлиять на качество воды и нарушить целостность экосистемы.
К счастью, исследователи обнаружили, что потенциальные негативные последствия использования аммиака могут быть минимизированы с помощью проактивных инженерных методов. Они утверждают, что сейчас пришло время серьезно готовиться к эпохе аммиака, решая потенциальные проблемы создания экологически чистого топлива.
"Мы знаем, что человечество в конце концов придёт к использованию аммиака" — сказал лидер исследования Амилькаре Порпорато, профессор Гражданской и экологической инженерии и Института окружающей среды High Meadows. "И если мы будем задумываться о будущем, использование аммиака может стать отличной идеей. Но мы не можем рисковать с аммиаком. Мы не можем быть небрежными."
С увеличением интереса к водороду как к экологически чистому топливу появилась ещё одна проблема: трудность его хранения и транспортировки на большие расстояния. Эта крошечная молекула должна храниться при температурах ниже -253 градусов по Цельсию или при давлении, в 700 раз превышающем атмосферное давление, условия, неудобные для транспортировки.
Аммиак же намного проще транспортировать и хранить. Его можно перевозить в ёмкостях, которые похожи на баки с пропаном.
Более того, известен процесс превращения водорода в аммиак, который существует с начала XX века. Известная как процесс Хабера-Боша, эта реакция соединяет атмосферный азот с водородом для образования аммиака. Хотя процесс изначально был разработан как эффективный способ превращения атмосферного азота в аммиак для производства удобрений, моющих средств, и даже взрывчатых веществ, сектор энергетики рассматривает процесс Хабера-Боша как способ хранения и транспортировки водородного топлива в виде аммиака.
Синтез аммиака является энергоемким процессом, и в настоящее время практически весь его сырьевой и энергетический спрос удовлетворяется ископаемым топливом. Но как указали исследователи в своей статье, если новые электродвигательные процессы, которые сейчас находятся в разработке, смогут заменить традиционный синтез аммиака из ископаемого топлива, то процесс Хабера-Боша или другой процесс могут широко использоваться для превращения чистого водорода в аммиак, который сам по себе может быть использован как экологически чистое топливо.
"Аммиак — легкий способ транспортировать водород на дальние расстояния, и его широкое использование в сельском хозяйстве уже означает наличие установленной инфраструктуры для производства и перемещения аммиака," — сказал Маттео Бертагни, исследователь из Института окружающей среды High Meadows, работающий над Инициативой по уменьшению выбросов углерода. "Таким образом, вы можете создать водород в районе, богатом ресурсами, превратить его в аммиак, а затем транспортировать туда, где он нужен по всему миру."
Транспортировка аммиака особенно привлекательна для стран с ограниченными доступными ресурсами для возобновляемых источников энергии. Например, Япония уже разработала национальную энергетическую стратегию, которая включает использование аммиака как экологически чистого топлива. Простые требования к хранению означают, что аммиак также может найти применение как средство для долгосрочного хранения энергии, дополняя или даже заменяя привычные средства.
"На первый взгляд, аммиак кажется идеальным решением проблемы декарбонизации," — сказал Порпорато. "Но почти каждое лекарство имеет свой набор потенциальных побочных эффектов."
Теоретически, сгорание аммиака должно давать только безвредный азотный газ (N2) и воду. Но на практике Михаэль Е. Мюллер, заместитель председателя и профессор механики и аэрокосмической инженерии, утверждает, что сгорание аммиака может выделять вредные загрязнители NOx и N2O.
Большинство выбросов N2O из-за сгорания аммиака являются результатом нарушений в процессе сгорания. "N2O, по сути, является промежуточным веществом в процессе горения," — сказал Мюллер. "Если процесс горения довести до конца, то выбросов N2O практически не будет".
Тем не менее, Мюллер заметил, что при определенных условиях, таких как при пуске или остановке турбины или если горячие газы попадают на холодные стены, процесс горения аммиака может нарушиться, и выбросы N2O могут быстро накопиться.
Исследователи отметили, что в будущем нужно будет искать новые подходы, которые гарантируют наилучший сценарий использования аммиака в качестве топлива.
"Представьте, каких проблем мы могли бы избежать, если бы знали о рисках и экологических последствиях сжигания ископаемого топлива до начала Промышленной революции," сказал Порпорато. "С использованием аммиака у нас есть возможность учиться на ошибках прошлого. Мы имеем возможность решить выявленные трудности до того, как они станут проблемой в реальном мире."
Опубликовав свои результаты в журнале PNAS, междисциплинарная команда из 12 исследователей выяснила, что правильное использование аммиака может помочь миру достичь целей декарбонизации. Однако ненадлежащее использование может увеличить выбросы оксида азота (N2O) — долговечного парникового газа, в 300 раз более мощного, чем CO2, и основного фактора разрежения стратосферного озонового слоя. Это также может привести к значительным выбросам оксидов азота (NOx), класса загрязнителей, способствующих образованию смога и кислотного дождя. И непосредственные утечки аммиака в окружающую среду также могут стать источником загрязнения воздуха. Это может повлиять на качество воды и нарушить целостность экосистемы.
К счастью, исследователи обнаружили, что потенциальные негативные последствия использования аммиака могут быть минимизированы с помощью проактивных инженерных методов. Они утверждают, что сейчас пришло время серьезно готовиться к эпохе аммиака, решая потенциальные проблемы создания экологически чистого топлива.
"Мы знаем, что человечество в конце концов придёт к использованию аммиака" — сказал лидер исследования Амилькаре Порпорато, профессор Гражданской и экологической инженерии и Института окружающей среды High Meadows. "И если мы будем задумываться о будущем, использование аммиака может стать отличной идеей. Но мы не можем рисковать с аммиаком. Мы не можем быть небрежными."
С увеличением интереса к водороду как к экологически чистому топливу появилась ещё одна проблема: трудность его хранения и транспортировки на большие расстояния. Эта крошечная молекула должна храниться при температурах ниже -253 градусов по Цельсию или при давлении, в 700 раз превышающем атмосферное давление, условия, неудобные для транспортировки.
Аммиак же намного проще транспортировать и хранить. Его можно перевозить в ёмкостях, которые похожи на баки с пропаном.
Более того, известен процесс превращения водорода в аммиак, который существует с начала XX века. Известная как процесс Хабера-Боша, эта реакция соединяет атмосферный азот с водородом для образования аммиака. Хотя процесс изначально был разработан как эффективный способ превращения атмосферного азота в аммиак для производства удобрений, моющих средств, и даже взрывчатых веществ, сектор энергетики рассматривает процесс Хабера-Боша как способ хранения и транспортировки водородного топлива в виде аммиака.
Синтез аммиака является энергоемким процессом, и в настоящее время практически весь его сырьевой и энергетический спрос удовлетворяется ископаемым топливом. Но как указали исследователи в своей статье, если новые электродвигательные процессы, которые сейчас находятся в разработке, смогут заменить традиционный синтез аммиака из ископаемого топлива, то процесс Хабера-Боша или другой процесс могут широко использоваться для превращения чистого водорода в аммиак, который сам по себе может быть использован как экологически чистое топливо.
"Аммиак — легкий способ транспортировать водород на дальние расстояния, и его широкое использование в сельском хозяйстве уже означает наличие установленной инфраструктуры для производства и перемещения аммиака," — сказал Маттео Бертагни, исследователь из Института окружающей среды High Meadows, работающий над Инициативой по уменьшению выбросов углерода. "Таким образом, вы можете создать водород в районе, богатом ресурсами, превратить его в аммиак, а затем транспортировать туда, где он нужен по всему миру."
Транспортировка аммиака особенно привлекательна для стран с ограниченными доступными ресурсами для возобновляемых источников энергии. Например, Япония уже разработала национальную энергетическую стратегию, которая включает использование аммиака как экологически чистого топлива. Простые требования к хранению означают, что аммиак также может найти применение как средство для долгосрочного хранения энергии, дополняя или даже заменяя привычные средства.
"На первый взгляд, аммиак кажется идеальным решением проблемы декарбонизации," — сказал Порпорато. "Но почти каждое лекарство имеет свой набор потенциальных побочных эффектов."
Теоретически, сгорание аммиака должно давать только безвредный азотный газ (N2) и воду. Но на практике Михаэль Е. Мюллер, заместитель председателя и профессор механики и аэрокосмической инженерии, утверждает, что сгорание аммиака может выделять вредные загрязнители NOx и N2O.
Большинство выбросов N2O из-за сгорания аммиака являются результатом нарушений в процессе сгорания. "N2O, по сути, является промежуточным веществом в процессе горения," — сказал Мюллер. "Если процесс горения довести до конца, то выбросов N2O практически не будет".
Тем не менее, Мюллер заметил, что при определенных условиях, таких как при пуске или остановке турбины или если горячие газы попадают на холодные стены, процесс горения аммиака может нарушиться, и выбросы N2O могут быстро накопиться.
Исследователи отметили, что в будущем нужно будет искать новые подходы, которые гарантируют наилучший сценарий использования аммиака в качестве топлива.
"Представьте, каких проблем мы могли бы избежать, если бы знали о рисках и экологических последствиях сжигания ископаемого топлива до начала Промышленной революции," сказал Порпорато. "С использованием аммиака у нас есть возможность учиться на ошибках прошлого. Мы имеем возможность решить выявленные трудности до того, как они станут проблемой в реальном мире."