Заміна водню. Як аміак може стати паливом майбутнього для людства

Історія методу Габера-Боша

У 1908 році німецький хімік Фріц Габер винайшов спосіб отримання аміаку з азоту та водню. В ті часи Європа відчувала наближення продовольчої катастрофи. Родючість ґрунтів трималася на чилійській селітрі та гуано, які стрімко закінчувалися. Хіміки панікували: якби тоді не знайшовся спосіб фіксувати азот із повітря, населення почало б голодувати.

Читайте также: Штучний фотосинтез. У Єлі створили сонячний пристрій для отримання палива з CO2

Габер змусив інертний азот з’єднатися з воднем силою. За рік, влітку 1909-го, хімік показав свій винахід у дії. За температури 500 °C і тиску понад 100 бар каталізатор почав видавати аміак десь по 125 мілілітрів на годину, крапля за краплею.

Побаченого вистачило, щоб концерн BASF викупив права на технологію. За її масштабування взявся молодий інженер-німець Карл Бош. На це пішло кілька років: BASF довелося створювати нові марки сталі, які не розсипалися б від водню під тиском, будувати гігантські компресори та шукати витривалі каталізатори.

У 1913 році в Оппау запрацював перший завод. Уже за рік він видавав по 20 тонн аміаку на добу. Технологія ще й припала на Першу світову війну, тож коли Німеччину відрізали від поставок селітри з Латинської Америки, синтетичний аміак пішов на вибухівку.

Перший реактор на заводі в Оппау в 1913 році /Фото: BASF

Після війни процес Габера-Боша став мирним і дозволив виростити врожаї, що прогодували мільярди. Обидва автори методу врешті отримали по Нобелівській премії.(Бош — опосередковано, Габер — конкретно за цей процес). Рецепт аміаку не змінився й століття по тому. C&EN пише, що майже всі 180 мільйонів тонн цієї речовини у світі виробляють шляхом Габера-Боша.

За один прохід через реактор на типовому заводі в аміак перетворюється 20−30% суміші, тому систему доводиться ганяти по колу, постійно догріваючи та стискаючи газ. І за все це людство платить чималими викидами.

Згідно з дослідженням у журналі Joule, процес Габера-Боша спалює 1−2% всієї світової енергії та генерує 1,44% глобальних викидів CO₂. У 2019 році світове виробництво аміаку склало 235 мільйонів тонн — це робить його другим за величиною хімічним товаром після сірчаної кислоти.

Традиційно здобутий аміак заведено називати сірим. Нині виокремлюють також блакитний(з уловлюванням вуглецю), зелений(отриманий за допомогою відновлюваної енергії та електролізу води), а також бірюзовий(піроліз метану).

Габер-Бош 2.0

Більшість сучасних ідей щодо декарбонізації аміаку крутяться навколо заміни джерела водню. Можна брати H2, скажімо, не з газу, а з води через електроліз.

Утім, додавання зеленого водню в схему столітньої давності — не панацея: для масового виробництва все одно потрібні великі, дорогі та енергоємні реактори, що працюють під шаленим тиском.

Американський стартап Ammobia вирішив звузити сам метод Габера-Боша. Видання TechCrunch повідомило, що для цього компанія залучила 7,5 млн доларів інвестицій, причому гроші дали серйозні гравці на кшталт Shell та Chevron.

Свій підхід Ammobia називає Габер-Бош 2.0. Інгредієнти — все ті ж азот і водень. А ось умови їхньої взаємодії стали щаднішими: якщо класичний завод потребує в середньому тиску 200 бар і температури 500 °C, то установка стартапу працює при 30 барах і 400 °C.

Всіх карт Ammobia не розкриває, але в TechCrunch звернули увагу на патентну заявку стартапу. У ній описано реактор, який містить спеціальний сорбент, що поглинає аміак одразу після його утворення. Це рішення базується на чистій термодинаміці: якщо постійно вилучати готовий продукт із газової суміші, хімічна рівновага зміщується. Це змушує азот і водень реагувати активніше навіть без екстремального тиску чи температури.

Читайте также: Прорив у нанофотоніці. Шведські вчені навчили нейромережу законів природи

Габер-Бош 2.0 /Фото: Ammobia

Десятикратне зниження тиску дозволяє використовувати тонші труби, дешевші помпи та менші компресори. За розрахунками Ammobia, це зменшує собівартість продукту на 10−40% залежно від того, «зелений» це аміак чи «блакитний».

«Наша технологія дуже добре сумісна з відновлюваними джерелами, що призводить до додаткового зниження витрат, оскільки не потрібно зберігати водень або електроенергію», — каже CEO Ammobia Карен Баерт у коментарі TechCrunch. «У таких ситуаціях ми маємо найсильнішу перевагу в плані витрат».

Замість того, щоб зводити чергового промислового монстра, що видає до 3 тисяч тонн аміаку на добу, Ammobia пропонує так званий модульний підхід. Їхній базовий блок розрахований на 250 тонн. За потреби таких встановити декілька таких.

Зараз Ammobia планує збудувати пілотний завод потужністю 10 тонн на добу. На сайті стартапу зазначено, що надалі менші модульні заводи можна будувати ближче до кінцевих споживачів, замість того, щоб покладатися лише на гігантські експортні хаби. Компанія орієнтується на галузі, які вже залежать від аміаку — добрива, хімікати, енергетика та морські перевезення.

Конкуренція за аміак

Втім, не лише Ammobia так опікується аміаком. Торік бруклінський стартап Amogy залучив 80 мільйонів доларів для живлення суден та центрів обробки даних цією ж речовиною. Це збільшило оцінку компанії вже до 700 мільйонів.

Ідея Amogy — використовувати аміак, не спалюючи його. Замість звичайного двигуна внутрішнього згоряння компанія використовує систему крекінгу. Прямо на борту молекула аміаку розщеплюється на водень і азот. Водень прямує у паливний елемент, де перетворюється на електрику та воду. Азот же повертається в атмосферу.

Amogy вже випробувала свою установку на буксирі й протягом наступних кількох років планує вивести на ринок повноцінні системи для комерційних суден потужністю від 500 кіловат до 1 мегавата. Такі модулі(як і у випадку з Ammobia) можна об’єднувати, якщо замовнику потрібно більше енергії.

Тим часом у Японії та Південній Кореї, де Amogy особливо затребувана, вже розробляються стандарти з обмеження вуглецевого сліду. Для зменшення викидів тамтешні електростанції, що працюють на викопному паливі, почали підмішувати аміак до вугілля.

Схожі процеси відбуваються і в морі, де аміак змішують із дизельним паливом. Додатковим стимулом є плани Міжнародної морської організації запровадити з 2027 року вуглецевий податок на викиди від судноплавства.

Імовірно, обирати аміак надалі будуть усе більше компаній. Зокрема тому, що той же водень занадто примхливий у логістиці: для перевезення його треба або стискати до 350−700 бар, або охолоджувати до кріогенних −253 °C. Аміак же стає рідким при цілком земних −33 °C або під помірним тиском у 10 бар.

За словами гендиректора Amogy Сонхун Ву, надалі аміак узагалі має шанси стати аналогом зрідженого природного газу, але позбавленим вуглецю.

Читайте также: Без навчання. Джмелі впоралися із завданням, яке раніше вважали доступним лише складнішим тваринам

Такий сценарій точно піде на користь усій планеті.