Аммиак имеет огромный потенциал как топливо будущего, но большинство современных методов производства делают его грязным источником энергии. Однако новый метод Массачусетского технологического института, который будет получать это соединение с использованием горных пород Земли и естественного тепла, значительно очищает его.
В настоящее время аммиак является вторым по объему производства химикатом в мире, где около 80% его используется в качестве сельскохозяйственного удобрения. Однако современные методы производства аммиака поглощают около 2% мировой энергии ископаемого топлива и высвобождают около 1% мировых выбросов парниковых газов, вызванных деятельностью человека. Иными словами, на каждую тонну произведенного аммиака высвобождается около 2,4 тонны углекислого газа (CO2).
Тем не менее, это соединение, представляющее собой комбинацию азота и водорода, имеет огромный потенциал в секторе энергетики, поскольку оно может хранить в 20 раз больше энергии по весу, чем современные литиевые батареи. Его также можно сжигать чисто, если им правильно управлять. Поэтому производство зеленого аммиака может внести большой вклад как в удовлетворение наших энергетических потребностей, так и в сокращение выбросов углерода.
В последнее время прогресс в достижении этой цели ускоряется. В августе прошлого года три датские энергетические компании запустили первый в мире завод по производству зеленого аммиака, который, как говорят, способен производить 5000 тонн этого химиката в год, используя только солнечную и ветровую энергию. В 2026 году в Норвегии планируется спустить на воду первый в мире контейнеровоз, работающий на чистом аммиаке. Эти проекты присоединяются к первому в мире аммиачно-электрическому полуприцепу с нулевым уровнем выбросов и первому трактору, работающему на аммиаке, демонстрируя зеленый потенциал этого топлива.
Теперь исследователи Массачусетского технологического института расширили потенциал чистого аммиака, написав исследование, в котором они демонстрируют, как производить химикат без использования внешней энергии и с нулевым выбросом CO2.
Ага-момент
Идея, говорит старший автор исследования Ивнетим Абате, пришла из скважины в Мали, Западная Африка. Впервые обнаруженная в 1980-х годах, необычная скважина оказалась полной потоков водородного газа. Было установлено, что газ появлялся в результате реакции глубоко под поверхностью Земли между химическими веществами в породе и водой.
«Это был момент «ага», — говорит Абате. — «Возможно, мы сможем использовать Землю как фабрику, используя ее тепло и давление для производства ценных химических веществ, таких как аммиак, более чистым способом».
Чтобы выяснить это, Эбате и его команда построили модельную систему, которая позволила им вводить обогащенную азотом воду в синтетические богатые железом минералы, имитирующие те, что находятся под поверхностью Земли. Конечно же, процесс дал аммиак без образования CO2 или необходимости внешней энергии для стимулирования химического процесса.
Затем они заменили синтетическое железо оливином, богатой железом горной породой, встречающейся в природе. В этом случае они также добавили медный катализатор и нагрели систему до 300 °C (572 °F), чтобы имитировать температуры, обнаруженные на глубине нескольких миль под поверхностью Земли. Они обнаружили, что азот в воде реагирует с железом, образуя чистый водород, который, в свою очередь, реагирует с азотом, образуя аммиак. В результате процесса получается 1,8 кг (4 фунта) аммиака на тонну оливина.
«Эти породы встречаются по всему миру, поэтому метод можно адаптировать очень широко по всему миру», — сказал Эбате, добавив, что «существует совершенно другой уровень сложности, с которым нам нужно будет разобраться».
Эта сложность состоит из проблем, которые могут возникнуть при глубоком бурении Земли, закачке воды, обогащенной азотом, и решении проблем, связанных с тем, как полученные жидкости и газы взаимодействуют с коренной породой.
Тем не менее, Эбате сохраняет надежду, что работа его команды по проверке концепции может открыть еще один путь к производству зеленого аммиака, и надеется испытать систему в реальном мире в течение года или двух. Он даже говорит, что система может использовать азот, содержащийся в сточных водах, для работы.
«Это значительный прорыв для будущего устойчивого развития», — говорит Джеффри Эллис, геолог из Геологической службы США, который не был связан с исследованием. «Хотя очевидно, что для проверки этого на пилотной стадии и вывода этого в коммерческий масштаб нужно проделать еще больше работы, продемонстрированная концепция действительно преобразует. Подход к разработке системы для оптимизации естественного процесса восстановления нитрата железом является гениальным и, вероятно, приведет к дальнейшим инновациям в этом направлении».
Исследовательская группа подала заявку на патент на свое открытие.
Исследование было опубликовано в журнале Joule.