Аммиак является одним из наиболее широко производимых химических соединений в мире. По оценкам, в 2023 году с использованием энергоемких процессов было произведено 150 миллионов тонн. Возможная производственная мощность гораздо выше и оценивается в 240 млн тонн.Аммиак образуется в слоях горных пород, богатых железом
Для этой цели используются большие объемы ископаемого топлива. По данным Международного энергетического агентства, ежегодно в мире вырабатывается 450 миллионов тонн CO2.
В распространенном в настоящее время процессе Габера-Боша 20 процентов выбросов генерируется за счет ископаемого топлива. Оставшиеся 80 процентов генерируются при производстве водорода.
Химический синтез аммиака был разработан в 1910 году немецкой компанией BASF. Этот процесс Габера-Боша используется и по сей день и практически не изменился. Аммиак производится из водорода и азота с использованием большого количества энергии при температуре до 500 °C и высоком давлении.
Поскольку для этого часто используется ископаемое топливо, в основном природный газ, на его долю приходится 1,2 процента мировых выбросов CO2. Он также потребляет 2 процента мировых энергетических ресурсов. Несмотря на попытки электрифицировать процесс, 90 процентов аммиака в настоящее время производится старым методом.
Вот почему исследователи ищут решения, позволяющие получать аммиак другими способами. Новый подход — превратить саму Землю в своего рода химическую фабрику.
Предыдущие эксперименты показали, что природный водород можно производить под землей. Для этого в землю, где находятся залежи богатых железом пород (например, оливина), закачивают воду. Вода обогащена катализаторами из частиц меди и никеля, которые вступают в реакцию с железом в почве. При этом выделяется природный водород.
Исследователи хотят переработать его в аммиак на месте, то есть прямо под землей. Преимущество этого способа в том, что не нужно трудоемко извлекать водород из недр Земли. Вместо этого весь процесс Габера-Боша будет перемещен под землю.
Поэтому в воду, закачиваемую в почву, добавляется источник азота, такой как нитрат или газообразный азот. Теоретически для этой цели можно также очищать сельскохозяйственные сточные воды, уже содержащие азот. Как только водород образуется под землей, он соединяется с атомами азота.Раствор нитрата закачивается в почву. Там производится аммиак, который затем перекачивается. Изображение: Gao, Abate
Автор исследования Айвнетим Абате из Массачусетского технологического института (MIT) называет полученный продукт геологическим аммиаком.
«Мы используем температуру, давление, химический состав и геологические породы в недрах для непосредственного производства аммиака», — поясняет учёный.
Затем вторая скважина выводит воду на поверхность, как из колодца, где она хранится в резервуарах. Эта технология имеет преимущества с точки зрения транспортировки. Транспортировка водорода обходится дорого; на аммиак требуется всего лишь около одной шестой от стоимости. Его также можно транспортировать по существующим трубопроводам. Для водорода сначала необходимо создать соответствующую инфраструктуру в достаточных масштабах.Японская электростанция JERA успешно испытала сжигание аммиака на угольной электростанции для сокращения выбросов CO2. Фото: REUTERS
В настоящее время аммиак чаще всего используется в сельском хозяйстве для производства удобрений. Однако он также приобретает все большее значение в других областях, например, в качестве топлива для кораблей, источника энергии для топливных элементов или для выработки электроэнергии на электростанциях.
Пока что новая технология была опробована только в лабораторных условиях. Следующим шагом станет демонстрация метода в реальных условиях.
«Мы ожидаем, что этот эксперимент можно будет провести в течение ближайших 1–2 лет», — говорит Абате.
Результаты исследования опубликованы в журнале Joule.