Аммиак - перспективное моторное топливо для безуглеродной экономики Окончание. Начало в № 3 (57) 2017 г Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Аммиак - перспективное

моторное топливо

для безуглеродной экономики

А.Ю. Климентьев, разработчик и руководитель нефтегазовых проектов, Экономическая лаборатория АлександрА КлиментьевА, А.А. Климентьева, химик-технолог, Экономическая лаборатория АлександрА КлиментьевА

Окончание. Начало в № 3 (57) 2017 г.

В статье рассматриваются мировой опыт применения аммиака на транспорте и исследования по использованию аммиака в концепции развития безуглеродной экономики. Определена возможность производства аммиака безуглеродным способом и использования его на транспортных средствах в России.

Во всем мире проводятся работы по поиску альтернативных топлив, которые позволили бы снизить уровень воздействия на окружающую среду. Замена углеродного цикла на азотный позволяет снизить потребление нефтепродуктов на транспорте и выбросы парниковых газов. Работы по производству аммиака без использования углеводородного сырья ведутся научными и инженерными группами в разных странах.

__Ключевые слова:

аммиак, альтернативное топливо для транспортных средств, аккумулятор энергии, изолированные энергетические районы, парниковые газы, Парижское соглашение.

Аммиак в качестве ракетного топлива

Высокая энергетическая плотность аммиака по сравнению с водородом позволяла успешно использовать его в ракетной технике.

В США эксплуатировался экспериментальный реактивный самолет Х-15 на аммиаке (рис. 14). Было осуществлено более 199 запусков, из которых два запуска - в космос. Скорость Х-15 достигла 6,7 Мах, а максимальный потолок высоты полета составил 108 км.

В России НПО «Энергомаш» [9] разработало ракетный двигатель, использующий смесь аммиака и ацетилена - ацетам. Эта смесь была выбрана в ходе подбора веществ, способных стабилизировать взрывоопасный ацетилен.

Использование нового вида топлива позволит удешевить ракетные пуски и отказаться от дорогостоящей инфраструктуры по производству водорода, которую приходится поддерживать прямо на космодромах. Это связано с тем, что в литре аммиака содержится водорода больше, чем в жидком водороде, на 38 %.

Хранение аммиака также обходится намного дешевле, так как его можно хранить под давлением без использования криогенного оборудования. Новый двигатель

АОГМТ «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА) f^}

"^еоци»^

Рис. 14. Экспериментальный реактивный самолет Х-15 ВВС США [8]

на ацетаме будут делать на базе кислородно-керосинового двигателя РД-161, который получит индекс «АЦ». По сравнению с предшественником ацетамовый будет на 30 % энергоэффективнее. Точные параметры будут определены в ходе испытаний смеси, которые начнутся в этом году и будут длиться около трех лет. Разработчики планируют запустить ракеты с новым двигателем в космос уже в 2017-2018 гг.

Производство безуглеродного аммиака

Аммиак является массовым химическим продуктом. Производится при переработке газа и угля на химических производствах большой мощности. В последнее время в условиях развития электрогенерации на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) возродились исследования производства аммиака безуглеродным способом малой мощности (табл. 5).

Таблица 5

Рабочие группы по разработке технологий безуглеродного аммиака

Разработчик

Массачусетский университет

Страна

Предмет исследования

ВЭС, аммиак (энергоаккумулятор)

Объем производства аммиака, тыс. т/год

До 96

Университет Миннесоты

ВЭС, аммиак (удобрение)

0,008

Оксфорд

ВИЭ, аммиак (энергоаккумулятор, удобрения)

До 40

Siemens

ВЭС, аммиак (энергоаккумулятор)

Н/д

Proton Venture

ВЭС, аммиак (энергоаккумулятор)

До 20

ООО «Промышленные инновации»

Изолированные зоны энергоснабжения на востоке России, аммиак, азотная кислота, аммиачная селитра

До 10

Примечание. ВЭС - ветряная электростанция; н/д - нет данных.

Экономическая лаборатория АлександрА КлиментьевА

Принципиальным отличием безуглеродного способа производства аммиака является стадия получения водорода и выделение азота на воздухоразделительной установке (табл. 6).

Таблица 6 19

Сравнение производства аммиака безуглеродным способом и на газохимическом производстве

Показатель Традиционная схема Безуглеродная схема

Способ поставки потребителю Железная дорога / морские порты Автоцистерны

Источник поставки сырья ЛЭП, магистральный газопровод ВИЭ / локальная электрическая сеть

Источник водоснабжения Реки и водохранилища Скважина / водопровод

Экологическая нагрузка Значительный экологический след Нет

Трудовые ресурсы Сотни сотрудников, необходимость развитой социальной инфраструктуры От единиц до нескольких десятков сотрудников

\ 1 Воздух 1 \ - Воздух

Схема необходимых поставок сырья Производство аммиака Вода -ЗЩ. Производство аммиака Вода

I 1 СН4 к Т

Мощность Единичная мощность шт 480 тыс. т в год Единичная мощность шах 10 тыс. т в год*

Т - температура, °С

Экономическая лаборатория АлександрА КлиментьевА

Ограничения для производства безуглеродного аммиака связаны с ограничениями по единичной мощности установки выделения водорода. Небольшой масштаб производства, компактные размеры оборудования, малый вес позволяют разворачивать производство практически на любой площадке без значительных капитальных вложений в фундаменты и подготовительные работы. Отсутствие потребности в подключении к газу и другим инфраструктурным объектам, за исключением электрической энергии, также позволяет размещать производство в необходимом месте. За счет использования типового оборудования достигаются короткие сроки комплектации и строительства объектов по производству аммиака безуглеродным способом (табл. 7). В целом производство получается достаточно компактным, непрерывного цикла с нормативом работы производственных мощностей 8000 ч.

* Определяется единичной мощностью серийно изготавливаемых электролизеров производительностью до 2500 м3 водорода в час.

Таблица 7

Основное оборудование для производства безуглеродного аммиака, потенциальные отечественные поставщики и разработчики

Водоподготовка Электролизер ВРУ Компрессоры Синтез аммиака Получение азотной кислоты Получение аммиачной селитры

+ + + + Микроканальный тип /стандартная конструкция Стандартная конструкция Стандартная конструкция

НПО «Акватех» НПО «Фильтерра» «Уралхиммаш» Электролизные технологии Челябинский компрессорный завод ПромПневмоКомпрессор Ковинт Челябинский компрессорный завод ООО «Химмаш-Аппарат» Безопасные технологии НИИК НИИК

+ - стандартное оборудование.

Аммиак вырабатывается на установке с использованием дешевого источника энергии и накапливается в специальной емкости (рис. 15). При необходимости получения дополнительной энергии аммиак из хранилища подается в каталитическую установку, в которой происходит его разложение на водород и азот. Азот сбрасывается в атмосферу, а водород подается для генерации энергии в топливную ячейку. Возможно прямое использование аммиака в смеси с дизельным топливом на дизельных электростанциях (ДЭС). Разработан генератор НЕС60^94А-800 мощностью 75 кВт, который напрямую использует аммиак в качестве топлива. При этом, являясь природным продуктом, аммиак совершенно безвреден для окружающей среды. Он не разрушает озон и не создает парниковый эффект.

Рис. 15. Энергоснабжение изолированного района в системе ВИЭ - аммиак -дизельное топливо (СЭС - солнечная электростанция)

Экономическая лаборатория АлександрА КлиментьевА

Экологические аспекты использования аммиака в качестве топлива

Использование аммиака способствует снижению выбросов загрязняющих 21

веществ, поскольку в случае его применения, как говорилось выше, образуются исключительно вода и азот. Для использования только аммиака в качестве топлива требуется разработка специального двигателя или серьезная модификация уже имеющихся. При смешении аммиака с бензином или ДТ топливная система не требует серьезных изменений. Однако при этом необходимо учитывать выбросы от использования углеродного топлива.

Данные, приведенные далее, получены при испытаниях на двигателе John Deere (Model 4045) [10]. Смешение ДТ и аммиака осуществлялось во впускном коллекторе сразу за турбокомпрессором, и штатная топливная система поставляла полученную смесь непосредственно в двигатель.

Выбросы загрязняющих веществ (СО, СО2, углеводороды, NOx и сажа) измерялись при использовании дизельного топлива и смеси ДТ с аммиаком на постоянном максимальном крутящем моменте (рис. 16). Вполне ожидаемо, что при использовании аммиака будет повышенный уровень NOx по причине содержания азота в исходном топливе. Однако за счет более низкой температуры горения аммиака концентрация оксидов азота снижается. Эти два эффекта оказывают разнонаправленное влияние на концентрацию NOx в выбросах.

При добавлении небольшого количества аммиака в дизельное топливо температура горения снижается и в результате снижается общий выброс оксидов азота. При росте содержания аммиака в топливной смеси выбросы NOx растут. При существенной замене ДТ (20 % ДТ + 80 % аммиака) оксиды азота растут значительно.

В ходе испытаний выявлено, что более низкие выбросы NOx достигаются при содержании ДТ в топливной смеси более 60 %. Если аммиак составляет до 40 %, то выбросы NOx снижаются в сравнении с использованием исключительно дизельного топлива.

Выбросы СО2 снижаются значительно при увеличении доли аммиака в топливной смеси. Но из-за того, что горение аммиака происходит при более низкой температуре, растут выбросы углеводородов (НС) и СО. Выбросы сажи также могут быть существенно снижены при использовании дизельно-аммиачной топливной смеси.

При использовании аммиака в выбросах фиксируются повышенные концентрации аммиака в объеме 50 и даже 500 ppm, что значительно превышает требования ГОСТ 6221-90 (табл. 8), OSHA и представляет угрозу для жизни и здоровья (Immediatele Dangerous to Life or Health).

Таблица 8

Предельные показатели концентрации аммиака в воздухе по ГОСТ 6221-90

Концентрация аммиака в воздухе, мг/м3 Последствия

0,50...0,55 Порог восприятия обонянием

350...700 Концентрация, опасная для жизни

1500.2700 Смертельные последствия при вдыхании в течение 0,5.1 ч

"^еоци»^

д е

Рис. 16. Выбросы загрязняющих веществ при использовании дизельного топлива и смеси ДТ с аммиаком (режим работы двигателя 1000 мин-1) [10]: а - N0^ б - СО; в - углеводороды; г - сажа; д - углекислый газ; е - аммиак

Для безопасности необходимо использовать дополнительную очистку выбросов от аммиака.

Если рассматривать всю цепочку производства аммиака, то снижение углеродного следа возможно при исключении использования угля или газа для синтеза аммиака.

Безуглеродное производство аммиака - технология возобновляемых источников энергии, в которых сырьем является вода и воздух. Она позволяет исключить из производства аммиака углеродсодержащее сырье.

Использование безуглеродного способа производства аммиака для удовлет- 23

ворения потребностей в крупных горнодобывающих компаниях только Дальневосточного федерального округа позволяет заместить 60 млн м3 природного газа и сократить в России выбросы СО2 на 120 тыс. т в год.

Применение аммиака в качестве топлива позволит существенно снизить выбросы парниковых газов, но этот эффект становится значительным только в случае исключения из производственной цепочки получения аммиака углеродного сырья.

Аммиак как перспективное топливо

Аммиак имеет целый ряд признаков, позволяющих отнести его к моторному топливу:

• высокая энергетическая плотность;

• легкость хранения в жидком или газообразном виде;

• массовое производство.

Аммиак содержит 17,8 % (масс.) водорода. В 1 л аммиака заключается энергии на 39 % больше, чем в 1 л жидкого водорода [11, 12]. Это позволяет использовать аммиак в качестве аккумулятора и среды для транспортировки водорода. В табл. 9 проведено сравнение свойств аммиака со свойствами прочих топлив [8].

Таблица 9

Сравнение аммиака с прочими видами топлива

Топливо Плотность энергии, МДж/л Октановое число Размер бака для пробега 500 км, л Максимальная степень сжатия

Дизельное 36,10 8...15 34,5 23:1

Биодизель 32,98 25 37,8 23:1

Бензин 21,81 86.94 39,2 10:1

СУГ (пропан) 23,50 120 53,1 17:1

Этанол 21,21 109 58,8 19:1

Метанол 15,83 109 78,7 19:1

Аммиак 11,62 130 107,3 50:1

КПГ (25 МПа) 11,43 120 109,1 17:1

Водород (68 МПа) 4,46 130 279,5 -

Водород (34 МПа) 1,81 130 688,1 -

Литий-ионные батареи 1,08 Неприменимо 385,2 Неприменимо

Аммиак является перспективным безуглеродным топливом и может использоваться в качестве источника энергии напрямую в топливных элементах при соответствующем развитии технологий. В алкалиновых топливных элементах аммиак преобразуется в смесь водорода и азота за счет использования тепла, выделяемого топливными элементами. Топливные элементы напрямую преобразуют химическую энергию в электрическую. Аммиак может применяться и в водородных топливных элементах, для которых водород получается при разложении аммиака.

Также он может использоваться непосредственно в качестве топлива в монотопливном или битопливном режимах. Причем в битопливном режиме возможно использование аммиака с водородом, полученным при разложении аммиака (рис. 17).

Рис. 17. Возможности использования аммиака на транспортных средствах

Экономическая лаборатория АлександрА КлиментьевА

Использование аммиака в битопливном режиме в двигателях внутреннего сгорания обеспечивает рост крутящего момента на всех режимах работы двигателя. Для правильной оценки роли аммиака построен график крутящего момента для двигателя на дизельном топливе и на смеси ДТ и аммиака. Двигатель работал на двух режимах: 1400 и 1800 мин-1 (рис. 18).

20% 40% 60% 80% Нагрузка двигателя,%

— Дизельное топливо в*" Дизельное типлиео + 1ЧНЗ I - Замещение энергии МНЗ

а

го« 40% 60К 80% 100% Hjipvjnj двигателя, %

-Д и зел ьное топл иво

Дизельное топливо + NH3

•ш — Замещение энергии NH3

б

Рис. 18. Показатели работы двигателя на смеси дизеля и аммиака [10]: а - 1400 мин-1; б - 1800 мин-1

В исследовании использовался дизельный двигатель с впрыском John Deere (Model 4045). Топливная система была модифицирована для того, чтобы можно было применять различные объемы аммиака.

Для воспламенения требовалась высокая температура 650 °С и смешение 25

аммиака в концентрации 16...25 % с воздухом. Смешивание дизеля и аммиака осуществлялось во впускном коллекторе сразу за турбокомпрессором, а штатная система поставляла смесь непосредственно в двигатель.

Использования аммиака в качестве топлива имеет следующие преимущества.

1. Гибкость в производстве и устойчивое развитие

Аммиак может производиться из любого источника энергии (например, солнце, ветер, биомасса, газ, уголь и т.д.). При энергоснабжении от ВИЭ производство аммиака может быть размещено практически в любом месте в непосредственной близости к потребителю, а также возможно развертывание производства с полным соответствием объему потребления топлива. Аммиак является одним из наиболее привлекательных способов накопления излишков энергии от возобновляемых источников энергии.

2. Ценовая конкурентоспособность

Цены на аммиак пока имеют большую корреляцию с ценами на газ и развитием энергетических систем. С удешевлением стоимости энергии эта зависимость будет снижаться. При этом стоимость аммиака, полученного безуглеродным способом, в отдельных случаях уже равняется стоимости аммиака, полученного из природного газа.

3. Развитая инфраструктура транспорта и хранения

Инфраструктура по хранению и транспортировке аммиака достаточно развита, в том числе и в сфере традиционного его использования (в качестве хладагента, удобрения и пр.). В России имеется производство необходимого оборудования для транспортировки и хранения этого продукта. Затраты на инфраструктуру будут сопоставимы с созданием инфраструктуры для СУГ.

4. Экологическая безопасность

Аммиак является экологически дружественным соединением, при его использовании отмечаются нулевые выбросы углекислого газа и низкие уровни других выбросов.

5. Топливная взаимозаменяемость

Аммиак может использоваться как монотопливо, а также для создания топливных смесей. Он испытывался в качестве топлива в дизельных и бензиновых ДВС. При соответствующем развитии технологий может использоваться в топливных элементах.

6. Безопасность

Использование аммиака имеет длительную и безопасную историю применения. Исследования показывают безопасность использования этого продукта в сравнении с СУГ и нефтяными топливами.

Исследования по использованию аммиака для работы дизельного двигателя в битопливном режиме, проведенные в различных институтах, показали, что

наибольшая топливная эффективность достигается в диапазоне использования 40.60 % дизельного топлива и 60.40 % аммиака [6, 10, 12, 13]. В случае бензинового двигателя доля аммиака в топливной смеси может достигать 70 %.

При создании системы транспортировки и хранения аммиака возможно хранение его под давлением и в охлажденном виде.

Аммиак сохраняется в жидком виде при 0,86 МПа и 20 °С. Тем не менее давление в емкости стараются поддерживать на уровне 1,7 МПа, чтобы сохранить жидкое состояние аммиака при повышении температуры окружающей среды. Энергетическая ценность аммиака, хранящегося под давлением, составляет 13,88 МДж/л. Такой способ хранения не требует затрат энергии [6].

Низкотемпературное хранение аммиака обычно используется для больших объемов. Такой тип хранилищ требует расходов энергии для поддержания низкой температуры, что позволяет избежать испарений аммиака при повышении температуры окружающей среды. При таком хранении используется меньше материалов и, следовательно, будут меньше удельные капитальные затраты. Энергетическая ценность аммиака, хранящегося при низкой температуре, составляет 15,37 МДж/л.

Заключение

Общественный запрос на использование экологически чистых видов топлива стимулирует поиск новых видов энергоносителей. Аммиак имеет все шансы занять значимую долю на топливном рынке. Использование этого продукта позволяет перейти от углеродного энергетического цикла к азотному, при котором существенно снижаются выбросы парниковых газов.

В настоящее время масштабного опыта использования аммиака в качестве топлива в мире нет. Аммиак соответствует требованиям, которые позволяют использовать его в качестве топлива в различных климатических зонах, обеспечивать накопление и хранение в течение требуемого времени, транспортировать на любые расстояния. Аммиак может использоваться в битопливном режиме на имеющихся двигателях внутреннего сгорания, работающих как на бензине, так и на дизельном топливе, без существенной модификации. Также он может использоваться в смеси с водородом для битопливного режима работы ДВС.

Наиболее эффективным является использование топливных смесей, в которых доля аммиака по массе при смешении составляет:

• с дизельным топливом - 40.60 %;

• с бензином -70 %;

• с водородом - 90 %.

Кроме того, благодаря высокой энергетической плотности аммиак может применяться в качестве аккумулятора для накопления и последующего извлечения водорода в водородных топливных элементах [11]. Также, при соответствующем развитии технологий, аммиак может напрямую использоваться в алкалиновых топливных элементах или SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). Таким образом, аммиак может играть большую роль в развитии водородной энергетики в мире.

Аммиак может стать основой для азотного энергетического цикла на транспорте и в энергоснабжении, в том числе в изолированных системах энергоснабжения.

В мире ведутся работы по получению аммиака с использованием возобновляемых источников сырья, что позволит создавать производства этого

продукта практически в любом месте. В результате существенно снизятся выбросы парниковых газов от транспорта и объектов энергетики.

Аммиак обеспечивает устойчивое развитие территорий как аккумулятор энергии для изолированных энергосистем или в сельском хозяйстве для удобрения 27

почв.

На территории Российской Федерации можно выделить несколько площадок, которые являются перспективными для размещения установок безуглеродного производства аммиака. Такое производство целесообразно совмещать с местами размещения ГЭС и ВИЭ. Наиболее перспективными регионами развития аммиачной энергетики и транспорта на аммиаке являются сельскохозяйственные районы Восточной Сибири и Дальнего Востока.

Литература

1. Ammonia - a fuel for motor buses, Emeric Kroch D.Sc. // Journal of the Institute of Petroleum. - 1945.

2. The theory of operation of an ammonia burning internal combustion engine. Charles G. Garabedian and John H. Johnson HQ US Army tank-automotive center Warren, 1965.

3. Морозов Г. Аммиак — дешевое малотоксичное горючее // Катера и Яхты.

- 1985. - № 115.

4. www.nh3car.com

5. http://tyre.marangoni.com/en/Tuning/Progetti/GT86EcoExplorer/ Descrizioneauto.aspx#.WKLMH6DvUxC

6. Ammonia as fuel for internal combustion engines? An evaluation of the feasibility of using nitrogen-based fuels in ICE, Chalmers, Emtiaz Ali Brohi, 2014.

7. www.solarhydrogensystem.com

8. https://nh3fuelassociation.org

9. В России разработали ракетный двигатель на аммиаке // Известия. -2012. - 4 мая.

10. Combustion and emissions characteristics of a compression-ignition engine using dual ammonia-diesel fuel. Aaron Reiter Iowa State University, 2009.

11. Takashi Saika, Mitsuhoro Nakamura, Tetsuo Nohara, Shinji Ishimatsu. Study of Hydrogen Supply System with Ammonia Fuel // JSME International Journal. - 2006.

- Series B, Bol 49, No 1.

12. Potential Roles of Ammonia in a Hydrogen Economy. A study of Issues Related to the Use Ammonia for On-Board Vehicular Hydrogen Storage, US Department of Energy, 2006.

13. Jeffrey Ralph Bartels. A feasibility study of implementing an Ammonia Economy, Iowa State University, 2008.

АОГМТ «Национальная газомоторная ассоциация»

(НГА) f^}

"^еоци»^

Характеристика

Значение

Количество постов заправки, шт.

Краткие технические характеристики

Диапазон рабочих температур, °С от -40 до +40

Погрешность измерения заправленного количества газа, не более, %

Потребляемая мощность, не более, Вт 400

Вес, кг 350

Интерфейс связи с системой учета RS-485

Протокол обмена Топаз 2.0

Обмен данными с крионасосом C.K./Modbus RTLI

• 100% рентгеновский контроль сварных швов.

• Отечественный электронный блок управления и программное обеспечение.

Топливораздаточная колонка ЛПА-СПГ-К

■ Настраиваемое максимальное давление заправки,

- Различные способы сопряжения с системой управления крионасосом: дискретные сигналы или по протоколу МосИэиз КТи.

■ Возможность установки различных типов заправочных устройств.

■ Шланг с обдувочным пистолетом для удаления излишков влаги с заправочных устройств и приемных горловин бака автомобиля перед началом заправки.

■ Предохранительные разрывные муфты.

■ Система контроля заземления автомобиля.

Основные особенности то пли во раздаточных колоне

■ Современный, эффективный способ заправки.

ЛПА-СПГ-К - колонка, выполняющая заправку с контролем массы заправленного газа. Принцип заправки -без учёта возвращаемой газовой составляющей. Такой подход позволяет упростить конструкцию колонки, увеличить надёжность и уменьшить стоимость.

■ Универсальность и удобство. Тип заправочных устройств по умолчанию: JC Carter. По запросу Заказчика колонки могут быть укомплектованы заправочными устройствами других стандартов - Macrotech или Parker Kodiak.

■ Расширенный температурный диапазон. ЛПА-СПГ-К работает при температуре окружающей среды от - 40 до + 40°С.

к ЛПА-СПГ-К

Интегрируемость. ЛПА-СПГ-К легко устанавливается на существующие АЗС/АГНКС/МАЗС. Возможность сопряжения колонки с наиболее распространенными системами учета топлива по стандартному протоколу.

Привлекательный дизайн. Колонка имеет современный внешний вид, по запросу Заказчика выполняется брен-дирование для поддержания фирменного стиля заправочной станции.

Возможность приема бесконтактных ргохнкарт.

ЛПА-СПГ-К позволяет реализовать лимитную схему отпуска топлива, идентифицируя клиента по предъявленной ргохи карте.

Диапазон расхода газа, кг/мин

1...200

Давление заправки, МПа

до 1,6

Давление испытания, МПа

Межповерочный интервал, лет

Габаритные размеры, мм

1700*600*2200

пенпротйвтоташа

ТОПЛИВОРАЗДАТОЧНАЯ КОЛОНКА

ДЛЯ ЗАПРАВКИ АВТОМОБИЛЕЙ СЖИЖЕННЫМ ПРИРОДНЫМ ГАЗОМ ЛПА-СПГ-К

3 199178, Санкт-Петербург, 13-я линия В.О., д. 78 Ö Тел./факс (812) 648-24-60 © www.Lenprom.spb.ru