Автор: Shmidtk. На этой неделе я решил посмотреть, что происходит в методах хранения и использования водорода. Одна из тем с которой я пересекся это использования аммиака, как метода работы с водородом. В этой статье поговорим о том, в чем “засмес”, какие есть подводные камни и есть ли какие-то стартапы и компании, которые решают проблему в контексте устойчивого развития.

Что такого с водородом?

Вся история с водородом очень проста: если вы сжигаете водород, то вы получаете в качестве выхлопа воду (2H₂ + О₂ = 2Н₂О) и тепло от сгорания.

В чем плюсы:

• Нет выхлопа углекислого газа и любых других вредных газов.
• Выделяется много тепла на единицу массы. Удельная теплота сгорания примерно 140 Мдж на кг (у бензина около 40–45 МДж на кг).
• Водород хорошо распространен в природе в форме соединений (в углеводородах и воде, например).

В чем минусы:

• Водород занимает очень большой объем при комнатной температуре и атмосферном давлении, из-за этого на единицу объема у него очень маленькая энергоемоксть. При комнатных условиях в 1 литре водорода всего 0.08 грамм. Для практического применения его надо сжижать (-252 градуса), тогда его плотность увеличивается до примерно 70 грамм на литр. Сравните с 780 граммами на литр для бензина. В итоге бак на 100 литров водорода в криогенном состоянии (под –252 градусами) будет содержать примерно в 3 раза меньше энергии, чем бензиновый.
• Криогеника означает усложнение хранения и транспортировке и затраты за сжижение (довольно сложное сжижение до низких температур), а так же контроль за давлением.
• Водород является самым маленьким атомом и в газообразном виде имеет тенденцию проникать сквозь любые стенки, он пролезает через другие молекулы. Те водород медленно утекает даже из закрытого баллона через стенки.
• Водород горит и образует взрывоопасную смесь с воздухом.

Существует 3 основных промышленных способа производства водорода –

1. Метановая конверсия паром подразумевает “обработку” метана в парах воды под высокой температурой и давлением. Таким образом получается относительно дешевый водород, одна проблема, на выходе мы имеем СО₂. Весь цикл оказывается таковым, что проще было просто сжечь метан, получили бы меньше выхлопов углекислого газа. Сейчас более 75% объемов производства водорода делается таким образом. Большая надежда нефтегазовой отрасли состоит в том, чтобы делать водород именно таким образом и объявлять себя зелеными. Некоторые из нефтяников и газовиков на этом фоне хотят развивать технологии улавливания СО₂ из результатов производства водорода и закачивания его обратно в пласт откуда взяли метан. Теоретически мы можем это СО2 там заблокировать на миллионы лет. Но возможно он все равно будет оттуда утекать.
2. Продувка водяного пара над раскаленным коксом. В целом идея так же, что и конверсией метана. На выходе углекислый газ и водород. В такой цепочке опять же это никакой не зеленый водород.
3. Электролиз. Это разложение воды на водород и кислород при помощи электричества. Сейчас на этот способ приходится 4% от объема производства водорода. Если электричество было добыто с низким углеродным следом, то и водород такой будет с низким углеродным следом.

Сейчас водород больше используется не как топливо, а как часть промышленной химии. Те пока эра водородной энергетики это какое-то возможное будущее. Но тк давление растет и есть отрасли, где очень трудно заменить ископаемое топливо, то на водород смотрят все больше, как на энергетическое топливо

При чем же тут аммиак

Аммиак это соединение 3 атомов водорода и азота. Особенность в том, что в таком виде водород “плотнее” упакован. Аммиак проще сжижается (при –36 градусах) и имеет более высокую плотность как газ (20 грамм на литр) и особенно как жидкость (680 грамм на литр, почти как бензин). А значит его проще сжижать и проще прокачивать в трубопроводах.

При сжигании аммиака в идеале можно получить только воду и азот. Правда сжигать аммиак довольно не просто, это требует специального механизма смешения с воздухом, присутствия катализаторов и контроля за образованием оксидов азота, которые ядовиты для людей. При этом аммиак выделяет не слишком много темпа на кг (18 Мдж на кг). Тогда в нашем сравнении с бензином аммиак лучше чистого водорода на 25–30%. Другой вариант это использовать аммиак именно так механизм транспортировки водорода.

Но 80% аммиака на самом деле идет на производство удобрений, так что получение “зеленого” аммика” это и способ снизить углеродоемкость пищевой промышленности.

Промышленный метод производства аммиака сегодня это процесс Хабер-Бош, когда водород смешивают с азотом под высоким давлением и температурой в присутствии катализаторов. Процесс требует поддержания стабильным параметров и поэтому его трудно реализовать в рамках переменной мощности от возобновляемых источников.

Если бы могли найти иной дешевый способ генерации аммиака каким-то образом напрямую из воды и без процесса Хабер-Бош, мы могли бы получать готовый к транспортировке “зеленый” аммиак и затем и водород (через разложение аммиака).

В итоге интерес к аммиаку есть с трех направлений:

• Зеленый аммиак для удобрений.
• Аммиак как топливо в судах. Именно они сильнее всего рассматривают возможности аммиака и по первым прикидкам это более оптимальное решение, чем батереи или чем чистый водород. Для требуемого объема запаса энергии батареи слишком тяжелые, а чистый водород занимает слишком много места. Аммиак хуже, чем обычном топливо, но во всяком случае баки под него не слишком тяжелые, и занимают разумный объем судна.
• Метод транспортировки самого водорода из мест его производства.

Стартапы и новости в области аммиака

• Project HEGRA – проект в Норвегии по электрификации процесса производства аммика и полном функционировании на зеленой энергии. Это завод на 400 тыс тонн аммика в год. Довольно крупный проект.
• Бизнесы связанные с проектом HEGRA (компания – wartsila) так же исследуют возможности использования аммика в двигателях внутреннего сгорания, а так же использования аммика в топливных ячейках. Пока результаты это общие слова.
• Amogy – Ничего конкретного. Даже нечего обсуждать, просто рекламная страничка.
• Jupiterionics – Идея базируется на электрохимическом производстве аммиака. Они базируют свою работу на прорыве в области электрохимического прямого производства аммиака. Между двумя электродами помещают смесь водорода, Li₃N и специального обменного носителя. Под действием электрического тока, водород скапливается около отрицательного электрода, а Li₃N у положительного. Носитель сначала имеет отрицательный заряд и мигрирует к Li₃N, там происходит обмен атома водорода в носителе на атом лития. Носитель после этого мигрирует к отрицательному электроду, где производит обратный обмен, литий заменяется на водород. В итоге мы последовательно заменяем весь литий в соединении Li₃N на водород и получаем NH₃ (аммиак). По заявлению создателей этот процесс происходит гораздо быстрее, чем аналогичные методы электролиза и позволяет избежать процесса Хабер-Бош. Для меня правда вопросы остаются в том, откуда они берут водород в самом начале. В итоге все это базируется на зеленом способе производитель электроэнергию. Но с другой стороны, если будет много дешевой энергии, то и процесс Хабер-Бош можно организовать на зеленой энергии, а стабильность снабжения обеспечить батареями. Стартап получил 2.65 млн австралийских долларов на развитие проекта и идеи в марте 2021 года.
• Seaborg Technologies – хотят использовать ядерные реакторы на расплавах солей, размещенные на кораблях для производства водорода и аммиака. Хотя основной фокус просто на баржах с ядерными реакторами, как проект Академик Ломоносов.
• Kapsom – фирма занимающаяся строительством химических заводов объявила, что сделала первый завод по зеленому аммиаку в Индии на 1500 тонн аммиака в год в 2020 году. Это конечно гораздо скромнее, чем 400 тыс тонн по проекту HERGA.
• Yara – один из крупнейших производителей аммиака (и один из участников проекта HERGA) в апреле 2022 заказали 15 плавающих аммиачных терминала, как основу будущей системы заправки судов аммиаков. Это еще один признак большого изменения в индустрии. В рамках этого проекта Yara планирует сделать аммиак доступным для судов топливом к 2024 году.

Выводы:

Пока аммиак как топливо выглядит как интересная идея, основной потенциал сосредоточен просто в “озеленении” производства обычного аммиака. Именно в этом направлении видны объемные инвестиции и реальный бизнес. Стоит ожидать, что там, где производят водород методом электролиза будет появляться и места производства аммиака.

Нам как инвесторам доступны компании работающие в этой области (wartsila, например есть на бирже), но сами стартапы пока на такой стадии, что обычного инвестору туда не войти.

От всей темы остается ощущение, что может быть много хайпа, но основной объем производства все равно будет связан со старым и скучным электролизом. Хотя на самом деле он не скучный, тк технология эффективного электролиза еще далека от совершенства и реальные затраты энергии значительно выше, чем теоретический минимум необходимый для разделения молекул.