Амоняк вместо бензин и дизелово гориво: възможно ли е това?

10 Jan 2025

 

Амонячното гориво е вид решение за „декарбонизацията“ на двигателите с вътрешно горене, но при определени условия.

Вече не съществува дебат относно необходимостта от намаляване на нивата на въглерод съдържащи съединения в отработилите газове на двигателите с вътрешно горене. В тях се включва цяла палитра от въглеводороди, както и въглероден окис и въглероден двуокис. Каталитичният неутрализатор има грижата да намали първите два компонента, но резултатът от обработката им води до добавяне на още повече въглероден двуокис, който така или иначе е част от химическото уравнение на окисляването на въглеводородите от горивото. Пълно щастие, очевидно няма, а единственият начин за елиминиране на наличието на въглероден двуокис в тях е липсата на въглерод в горивото. Тук не става дума за синтетични горива като произведените с електричество e-Fuels на Porsche и Siemens Energy в Чили, които в рамките на производството си са „дръпнали“ от въздуха определено количество CO2, което да компенсира отделения от ауспуха въглероден двуокис, а използването на гориво, в което няма въглерод. Развитието на двигателя с вътрешно горене и управлението му позволява ефективното използване от него на амоняк, като по-достъпна алтернатива на чистия водород. Именно той би могъл да стане надеждна икономически жизнеспособна алтернатива на електрификацията или горивните клетки. Но при определени условия…

Амонякът като гориво

Амонякът е газ, състоящ се от един азотен и три водородни атома (NH3). Това е стабилно съединение, което се използва за индустриални и търговски приложения. В домовете, в доста разредена форма, може да се открие в почистващи продукти, като тези за миене на стъкла, но главното му приложение е за производството на торове и експлозиви. Служи като катализатор при производството на синтетични влакна и смоли и е важно съединение и за петролните рафинерии. Освен това предотвратява коагулацията на латекса при производството на каучук и участва в процеса на втвърдяване на крайните продукти в металургичните процеси.

Амонякът се разглежда като важно съединение в стремежа към бъдеще с нулеви нетни емисии, а този произведен от източници на зелена енергия може да служи като буферна среда за съхранение на енергия. Той сравнително лесно се транспортира в течна форма (все пак трябва да се има предвид че за да стане течност се изисква налягане от около 8,5 бара) и може да бъде крекиран, за да се получи зелен водород. Освен това може да се изгаря за производство на енергия, без да се отделят парникови газове.

Смята се че в бъдеще NH3 ще бъде основното средство за транспортиране на водород между местата за производството на зелена електроенергия и зоните на потребление (Европа, Азия, Северна Америка). Практични решения за използването му вече има при кораби и машини, работещи в изолирани зони като тези в мините. 

Един от недостатъците на амоняка като гориво за двигатели с вътрешно горене е по-ниското му енергийно съдържание. Енергийната плътност на дизеловото гориво е 40 мегаджаула/л (11 кВтч/л), водородът съхраняван при налягане от 700 бара е с 5 мегаджаула/л (1,4 кВтч/л), а енергийната плътност на течен амоняк (NH3) е 12,7 мегаджаула/л (3,5 кВтч/л). Това означава че той все пак е по-пригоден за използване в транспорта, от, далеч по-сложният за съхранение и транспорт водород.

За съжаление, NH3 не може да се използва самостоятелно като гориво, тъй като при него много трудно може да се инициира горивен процес в резултат от искрово запалване (бензинов двигател) или сгъстяване (дизелов). Освен това гориво-въздушната смес е запалима в много тесен диапазон от съотношение между гориво и въздух, но пък октановото му число е изключително високо (над 120). Амонякът обаче може да се комбинира с гориво, иницииращо горивен процес (в идеалния случай също декарбонизирано в рамките на целия процес на производство и горене, като гореспоменатите синтетични горива), което се впръсква в горивната камера в по-малки количества или се смесва с амоняка.

Именно такова е решението – смес от 20 процента бензин и 80 процента амоняк – използвано при един от основните радетели за използването на амоняк в качеството на гориво Toyota. Компанията следва философия на мултицелеви подход по отношение на задвижването на автомобил, като разработва и предлага цялостна гама от модели с различни видове двигатели с вътрешно горене, самостоятелно или като част от хибридно задвижване (включително plug-in), горивни клетки, двигатели с вътрешно горене използващи като гориво водород и електрически автомобили, захранвани с водород. В това уравнение от скоро се включват и технологиите на двигатели с вътрешно горене използващи за гориво амоняк. Разработките в тази насока се извършват съвместно с китайския автомобилен производител GAC Group, който е 50 процента собственост на Toyota.

Тъй като в амоняка (NH3) няма въглеродни атоми, използването му за гориво на превозни средства означава, че няма въглеродни емисии. Е, почти, тъй като винаги в тези двигатели в процеса на горене се изгаря и част от маслото, в което има въглеродни атоми, освен това нивото на азотни окиси е по-високо от това при бензинов двигател. Задвижваните с помощта на амоняк автомобили имат подобие с електрическите, от гледна точка на факта че не отделят локално въглеродни емисии, но пък производството на амоняк е доста „енергийно интензивно“ (валидно при производството на електрическа енергия от фосилни горива например). Преносът и доставката на амоняк също изисква нова мрежа за транспортиране и зареждане. Решението на част от тези проблеми би могъл да бъде гореспоменатият „зелен амоняк“.

Предизвикателството да се произвежда зелен амоняк

Днес амонякът се произвежда за промишлени цели чрез процеса Хабер-Бош, метод, създаден в началото на 20-ти век за синтезиране на химичното съединение с помощта на водород и азот. Процесът използва високо налягане (200 до 400 атмосфери) и температури от 400 до 650 по Целзий, като за целта се използват природен газ, въглища или нефт, осигуряващи топлината, със съответно висок процент на отделяни емисии и висок въглероден отпечатък.

Според Международната агенция по енергетика (МАЕ) директните емисии от производството на амоняк се измерват с 450 мегатона CO2 годишно, а непреките емисии възлизат на 170 мегатона. Основните източници на тези емисии идват от производството за използване в торове.

Преобразуването на производството на амоняк в зелено такова, означава използване на възобновяеми енергийни източници за осигуряване на достатъчно топлина и налягане или „капсуловането“ на въглеродния двуокис в подземни резервоари каквото се използва от нефтената компания ADNOC в ОАЕ. Един от проектите по който се работи в момента е на Siemens Energy, който, съвместно с Оксфордския университет, създава технология с използване на електричеството, произведено от вятъра, за извършване на електролиза на вода и използване на получения водород за синтезиране на амоняк. Демонстрационната технология за зелен амоняк на Siemens в лабораторията Ръдърфорд Апълтън в Обединеното кралство използва електролиза на вода, задвижвана от вятърна турбина, за да извлече водород, който след това се комбинира с азот от въздуха, за да се получи амоняк за съхранение на енергия.

Друга компания работеща по тази тема е групата Emitech, която чрез своето дъщерно дружество Emitech R&D Moteurs е създала многогоривна тестова платформа за двигатели с вътрешно горене и разработва технологии за иницииране на горивни процеси при различни видове горива, от e-Fuels, до H2 и NH3.

Благодарение на съвместната работа, предприета по тези нови концепции за горивни процеси с различни автомобилни компании и доставчици, както и компании от петролната индустрия, компанията може да тества и оптимизира широка гама от системи на своя високотехнологичен динамичен тестови двигател, който може да работи с директно впръскване на водород, с газообразен или течен NH3 (до 100 бара), комбиниран с пилотно впръскване на дизелово гориво, както и искрово запалване на водород с генерирана мощност от 330 кВт и въртящ момент от до 3100 Нм.

Двигателят позволява тестване на различни решения за впръскване – директно или във всмукателните колектори, позволяващи многогоривното изгаряне на дизел/NH3, дизел/H2/NH3 и H2 SI/NH3, тестване на поведението на материалите и маслата в контакт с NH3, анализиране на емисиите на замърсители и картерните газове с присъщ анализ на поведението на двигателя.

Всички тези възможности допринасят за търсенето на решения, помагащи за постигане на нужния компромис по отношение на ефективност, ниски въглеродни емисии, стабилност на горивния процес и издръжливост на задвижването чрез разработване на съответните масла.

Полето на разследване остава много широко. Въпреки това, чрез стотици часове тестване на гореспоменатите решения, Emitech показва, че при подходящо управление на работата с амоняк, той може да бъде алтернатива на конвенционалните горива.

Текст: Георги Колев

• Tweet
• Pin it
• Share