«Зеленое» будущее аммиака как морского топлива

Джозеф ДиРензо, ЧП • 3 октября 2019

Лонгйир является крупнейшим городом на Шпицбергене и может стать одним из первых крупных потребителей зеленого водорода или аммиака, производимых ветряными электростанциями в Финнмарке. Фото предоставлено Визит на Шпицберген.

Сжиженный сосуд Clipper Saturn. Фото предоставлено Solvang ASA.

Кабельный желоб у ветропарка Hamnefjell в северном графстве Финнмарк в Норвегии. Фото кредит Мультиконсалт.

Аммиак, тот же острый раствор, который используется в удобрениях и чистящих средствах, может однажды стать ключом к транспортировке возобновляемой энергии по всему миру. В настоящее время существует ряд правительственных и корпоративных проектов по оценке возможности преобразования избыточной возобновляемой энергии из таких источников, как ветер, солнечная энергия, приливы и отливы, в аммиак, а затем обратно в полезную энергию.

В своей пуристической форме аммиак или NH3 состоит из одного азота и трех атомов водорода, что делает его идеальным кандидатом для химического связывания избыточной возобновляемой энергии. Как и некоторые другие химические соединения, аммиак может транспортироваться танкером-химикатом в жидкой форме конечным пользователям. Исходя из точки сжижения вблизи окружающей среды, он может быть более привлекательным для транспортировки аммиака на большие расстояния, чем водород. После выгрузки аммиак может быть преобразован обратно в полезную энергию и тепло с помощью топливных элементов, газовых турбин или двигателей внутреннего сгорания.

Стремясь стать углеродно-нейтральным обществом, такие страны, как Норвегия, рассматривают проекты, которые продемонстрировали бы эту концепцию в широком масштабе. Чтобы определить его техническую и экономическую осуществимость, было проведено исследование для определения того, может ли избыточная энергия ветра, производимая в Финнмарке, самом северном графстве материковой части Норвегии, быть преобразована в сжатый водород или аммиак и доставлена на изолированный остров Шпицберген. Эти проекты являются примерами потенциальной новой нормы при транспортировке возобновляемых источников энергии по всему миру на судах. Чтобы пролить дополнительный свет на эту тему, в этой статье исследуется проект Шпицберген в Норвегии и рассматривается, как морская отрасль может сыграть важную роль на этом растущем энергетическом рынке.

Сжиженный сосуд Clipper Один. Фото предоставлено Solvang ASA. Пример из Шпицбергена
Несмотря на то, что по-прежнему оцениваются различные технологии производства энергии, если норвежское правительство решит продолжить поставки аммиака на Шпицберген, оно станет первым крупномасштабным проектом по обеспечению населения теплом и электроэнергией через аммиак. Разговор о том, чтобы рассматривать аммиак в качестве энергоносителя между Финнмарком и Свальбардом, впервые начался с решения о закрытии устаревшей угольной электростанции на Свальбарде в 2016 году. Согласно текущим оценкам Статкрафта, одного из основных корпоративных партнеров, оказывающих помощь норвежскому правительству, текущий уголь Запасы будут действовать только до 2025 года. После этого момента уголь необходимо будет доставлять на остров через сухогруз, или будет построена новая теплоэлектростанция.

Приблизительно в 800 километрах от сурового северного материка Норвегии Статкрафт недавно получил лицензии на дальнейшее развитие двух крупных ветряных электростанций, называемых месторождениями Раггивудда и Хамнефьель в Финнмарке. С целью быть «одной из самых эффективных ветряных электростанций в Норвегии», Statkraft стремится развивать дополнительные мощности в этом районе, чтобы использовать идеальные условия для выработки энергии ветра. Однако одна проблема, которую Статкрафт должен преодолеть, заключается в том, что ветряные электростанции изолированы от национальной электрической сети в Норвегии. Это мешает владельцам ветропарка Varanger Kraft продавать избыточную энергию остальной части Норвегии и за ее пределами. Именно из этих двух интересных проблемных вопросов эксперты по возобновляемой энергии начали рассматривать аммиак как метод транспортировки энергии от производственного участка к потребителям.

Чтобы решить эти логистические проблемы и потенциально создать дополнительные возможности для бизнеса в различных отраслях промышленности, Statkraft и ряд известных исследовательских и химических компаний занимались оценкой альтернатив. Подводя итоги в переведенном отчете под названием «Поставка возобновляемой энергии на Шпицберген - Лонгйир», Statkraft исследует различные углеродно-нейтральные технологии, которые могут транспортировать возобновляемую энергию, созданную в Финнмарке, на остров Шпицберген.

В качестве отправной точки в технико-экономическом обосновании рассматриваются следующие требования и допущения для обслуживания сообщества на Шпицбергене. Первое предположение заключается в том, что Statkraft сможет увеличить производство ветра в регионе Финнмарк, чтобы достичь установленной электрической мощности между 40 и 50 МВт. Эта установленная мощность будет использоваться для производства примерно 3800 тонн водорода в год для транспортировки на Шпицберген к 2025 году. Как конечный пользователь, Лонгйир, который является основным городом на Шпицбергене, требует 40 Гига-ватт (ГВт-ч) электроэнергии и 70 ГВт-ч тепла ежегодно. Исходя из этого требования, Свальбарду потребуется установленная производственная мощность в 12 МВт электроэнергии и 15 МВт тепловой энергии. Кроме того, учитывая критическую зависимость жителей Шпицбергена от транспортировки топлива, предлагаемые решения должны быть в состоянии обеспечить 30-дневный запас тепла и электроэнергии.

Электролизер производства Nel Hydrogen Solutions используется для превращения воды в водород и кислород в процессе электролиза. Фото предоставлено Nel ASA.

Методы возобновляемого транспорта водорода
Чтобы передать «застрявшую» возобновляемую энергию из Finnmark конечным пользователям на Шпицбергене, Statkraft проанализировала четыре альтернативных способа транспортировки энергии. Эти среды, или «векторы энергии», включали сжатый водород, жидкий водород, водород, связанный в метаноле, и водород, связанный в аммиаке. Чтобы сузить эти возможности, Statkraft рассмотрела совокупную стоимость владения за 25 лет. После тщательного анализа Statkraft пришла к выводу, что сжатый водород и связанный водород в аммиаке имеют самую низкую общую стоимость владения и отвечают всем требованиям.
Критическим для всех четырех предложенных решений является процесс электролиза. Во время электролиза электрический ток пропускается через воду, которая расщепляется на водород и кислород. Идея состоит в том, что избыточная энергия ветра от ветровых электростанций в Финнмарке будет направляться через электролизер для создания водорода, а затем водород будет использоваться в качестве сырья для четырех рассмотренных альтернатив.

Одним из альтернативных вариантов является то, что водород может быть сжат с помощью газового компрессора и храниться в специальных контейнерах под давлением и напрямую доставляться на Шпицберген. Statkraft предложила сжать чистый водород до 350 бар и хранить газ в резервуарах Международной организации по стандартизации (ISO), которые будут загружаться в TEU и транспортироваться на традиционных контейнеровозах. Расчеты на высоком уровне показывают, что для достижения 3800 тонн необходимого водорода, необходимого для обеспечения Свальбарда в год, потребуются тепло и электроэнергия в объеме 4600 контейнеров.

Другой метод транспортировки водорода - это охлаждение вещества до -253 градусов по Цельсию и транспортировка его в виде объемной криогенной жидкости аналогично сжиженному природному газу (СПГ). Как подробно описано в более ранней статье Maritime Report, ряд морских компаний, включая Moss Maritime, Wilhelmsen и Kawasaki Heavy Industries, в настоящее время рассматривают инновационный метод транспортировки жидкого водорода. В отчете Статкрафта делается вывод о том, что вариант с жидким водородом будет иметь самую высокую общую стоимость владения по сравнению с другими рассмотренными вариантами.

Третий метод транспортировки водорода, обсуждаемый в технико-экономическом обосновании Statkraft, заключается в дальнейшей обработке вещества с образованием метанола. Одним из основных преимуществ метанола является то, что он обладает многими такими же качествами с нефтепродуктами, такими как дизельное топливо и бензин, которые могут легко транспортироваться существующим флотом танкеров-химовозов. К сожалению, в отчете исключен этот метод транспортировки, в котором говорится о нехватке основных источников углерода, расположенных в непосредственной близости, для использования в качестве сырья для производства метанола.

Последний метод, предложенный Statkraft для транспортировки энергии ветра из Финнмарка на Шпицберген, состоит в объединении водорода с азотом, содержащимся в воздухе, с образованием аммиака. Используя метод, известный как процесс синтеза Хабера-Боша, водород и азот из воздуха нагреваются и сжимаются с образованием аммиака. Альтернативно, обратимый топливный элемент может использоваться непосредственно для производства аммиака.

В отличие от водорода в чистом виде, который существует в виде газа при атмосферных температуре и давлении, аммиак может храниться и храниться в виде жидкости, используя существенно меньше энергии для сжижения вещества, чем водород. Отмечая, что 26 500 тонн аммиака потребуется ежегодно для удовлетворения потребностей Свальбарда в теплоэнергии, компания Statkraft считает, что для перевозки аммиака требуется один или два раза в год перевозчик аммиака.

После рассмотрения как технической осуществимости, так и затрат, связанных с этими нетрадиционными формами переноса энергии, технико-экономическое обоснование Statkraft пришло к выводу, что сжатый водород и аммиак, по-видимому, являются двумя основными возможностями для тематического исследования на Шпицбергене.

Установка турбины на ветропарках Раггивидда в северном графстве Финнмарк в Норвегии. Фото предоставлено Бьярне Риесто. Транспортировка аммиака
Подобно другим продуктам, используемым в нефтехимической промышленности, аммиак перевозился судами на протяжении десятилетий. Перевозчики сжиженного нефтяного газа (СНГ), по-видимому, являются наиболее популярным методом транспортировки аммиака на большие расстояния. Эти суда поддерживают груз в жидкой форме, используя либо полностью охлажденные, полуохлажденные, либо полностью герметичные резервуары.

Чтобы сохранить аммиак в жидкой форме, вещество обычно хранится на борту носителей сжиженного нефтяного газа в самонесущих призматических резервуарах, рабочая температура которых составляет не менее 50 градусов Цельсия. Перевозчики сжиженного нефтяного газа обычно перевозят от 15 000 до 85 000 кубических метров аммиака, причем наиболее распространенные размеры составляют 30, 52 и 80 тысяч кубических метров по объему. Используя некоторые из тех же принципов проектирования, что и носители для сжиженного природного газа (СПГ), носители для сжиженного нефтяного газа имеют первичный и вторичный барьер, чтобы гарантировать, что накопленный аммиак содержится в случае отказа либо системы охлаждения, либо первичного барьера.

В контексте тематического исследования на Шпицбергене и многих других «зеленых» аммиачных проектов по всему миру аммиак привлекателен своей относительно большой удельной энергией и меньшим энергопотреблением, необходимым для поддержания вещества в жидкой форме. Аммиак может храниться в виде охлажденной жидкости при - 34 градусах Цельсия при стандартном атмосферном давлении или при нормальной температуре окружающей среды при давлении около 10 бар. По сравнению с жидким водородом аммиак имеет почти удвоенную плотность энергии по объему и требует меньше энергии и изоляции для поддержания вещества в жидкой форме, пока оно транспортируется судном от источника к конечному пользователю.

Однако одним из основных недостатков аммиака является его высокая степень токсичности. По данным Управления по безопасности и гигиене труда Министерства труда США (OSHA), «аммиак считается высокой опасностью для здоровья, поскольку он разъедает кожу, глаза и легкие». Кроме того, при смешивании с воздухом аммиак может стать легковоспламеняющимся при концентрации от 15 до 28 процентов по объему. Традиционно аммиачный исходный материал для удобрений транспортируется как «безводный аммиак», что означает, что он может быстро впитываться в воду и образовывать сильные щелочные растворы, такие как гидроксид аммония, который также высокотоксичен в высоких концентрациях. Для обеспечения безопасности населения и экипажа суда, перевозящие аммиак, должны соответствовать Международному кодексу постройки и оборудования судов, перевозящих сжиженные газы наливом (Код IGC), производимым ИМО.
Интересно, что существует также ряд проектов в области морского машиностроения, в которых оценивается возможность использования аммиака в качестве морского топлива. Примеры крупных проектов включают в себя технико-экономическое обоснование, проводимое C-Job, фирмой, специализирующейся на военно-морской архитектуре в Нидерландах, и объявление MAN ES, глобального поставщика морских двигателей и энергетических систем, для начала исследования стоимостью в несколько миллионов долларов и Программа развития для разработки аммиачного двухтактного двигателя. В идеальном мире исследовательские усилия в морском и коммунальном секторах могут завершиться формированием совершенно новой логистической цепочки поставок, в которой «зеленый» аммиак транспортируется на сосуд для сжиженного нефтяного газа во время бункеровки, а затем часть вещества используется в качестве морского топлива при транспортировке. продукт для клиентов.

Независимо от результатов каждого отдельного проекта, из числа и сроков различных аммиачных проектов во всем мире ясно, что аммиак, вероятно, станет более распространенным в портах и на водных путях. Основываясь на этих событиях, и заинтересованные стороны в коммунальной и морской промышленности должны внимательно изучить последующие события, чтобы определить, при каких условиях это соглашение может быть выгодным.