Amoniak – czy ma szansę stać się paliwem przyszłości?

W wakacje napotkałem informację o testach silników okrętowych napędzanych amoniakiem ¹. Sprawa mnie zaintrygowała, ponieważ o wykorzystaniu amoniaku do produkcji nawozów czy jako czynnika odprowadzającego ciepło w chłodziarkach słyszałem, ale jako o paliwie pierwszy raz. Dziś, kiedy wakacje już dawno za nami, chciałbym na krótko wrócić do tego tematu.

Kandydatów na paliwo przyszłości jest wielu, przy czym zdecydowanie prym wiodą wodór oraz biopaliwa – biodiesel (estry kwasów tłuszczowych), biogaz (głównie metanu), czy (bio)alkohole. Czasem wspomina się o odmianie helu, tzw. helu-3, ale w tym wypadku to raczej domena literatury science fiction. Problem z paliwami przyszłości jest taki, że czas mija, a one wciąż do tej przyszłości należą. Nie chcę przez to powiedzieć, że zajmowanie się nimi jest bez sensu, ale chciałbym podkreślić, że pomimo szeregu entuzjastycznych doniesień ze świata nauki i techniki, wciąż nie stanowią istotnej konkurencji dla paliw kopalnych. Dotyczy to zarówno kwestii ekonomicznych (krótko mówiąc ich ceny), jak i wyzwań technologicznych związanych z ich wykorzystaniem.

Zastanówmy się przez chwilę nad amoniakiem, o którym, przynajmniej na razie, nie jest zbyt głośno. Amoniak jest związkiem chemicznym, którego cząsteczki zbudowane są z azotu i wodoru (NH₃). Jako paliwo może on być wykorzystywany analogicznie jak np. metan, czyli spalany. Drugą opcją jest potraktowanie go jako źródła wodoru do ogniw paliwowych. Tę opcję ciekawie opisał Robert F. Service na stronie czasopisma Science ², a my zajmijmy się teraz pierwszą z wymienionych możliwości.

Konstrukcja silnika na amoniak w swej istocie nie różni się od silników spalinowych zasilanych gazem ziemnym (tzw. naturalnym, czyli zasadniczo metanem, CH₄). Oba te związki są w temperaturze pokojowej gazami. Skroplenie amoniaku nie jest specjalnie trudne, wystarczy (przy ciśnieniu atmosferycznym) obniżenie temperatury do ‑33⁰C. W porównaniu do metanu, który skrapla się poniżej ‑162⁰C, jest to zdecydowanie wyższa temperatura. Podobnie, chcąc skroplić amoniak poprzez jego sprężenie potrzebujemy niższych ciśnień niż w przypadku metanu. Wyższa temperatura skraplania i niższe ciśnienie robocze to niewątpliwe zalety amoniaku, który, jak każdy gaz, najkorzystniej jest transportować i przechowywać w postaci skroplonej. Pod tym względem przesyłanie i magazynowanie amoniaku jest tańsze niż metanu. W świetle obecnych trendów w energetyce niemniej ważne jest, że spalanie amoniaku prowadzi do powstania azotu i wody, a nie dwutlenku węgla.

Porównajmy teraz efektywność i ekonomiczność obu wymienionych gazów. Z danych zawartych w publikacji Julii Hansson i współautorów ³ można wywnioskować, że koszty uzyskania tej samej ilości energii są porównywalne dla silników napędzanych amoniakiem i gazem ziemnym. Autorzy artykułu przedstawiają również szacunkowe dane, że w 2030 roku amoniak będzie nawet pięciokrotnie tańszy od metanu. Nie jest to jednak, moim skromnym zdaniem, tak pewne, ponieważ ceny amoniaku silnie zależą od cen energii, amoniak bowiem nie występuje praktycznie w przyrodzie jak gaz ziemny w złożach kopalnych, tylko musi zostać zsyntezowany z azotu i wodoru. Co więcej, na chwilę obecną, większość instalacji przemysłowych produkujących amoniak wykorzystuje jako paliwo gaz ziemny, a więc ceny obu gazów są po części skorelowane. Ponadto w najbliższych latach raczej nie pojawią się tańsze alternatywy dla gazu ziemnego, jako paliwa przemysłowego. Niemniej należy pamiętać, że rosnące koszty dodatkowe związane z ograniczeniami w emisji CO₂ (m.in. cen uprawnień do jego emisji), może sprawić, że w ogólnej kalkulacji amoniak stanie się opłacalny.

Weźmy jeszcze pod uwagę właściwości chemiczne obu paliw. Metan jest zdecydowanie bardziej bierny chemicznie od amoniaku. Ten ostatni, szczególnie w wysokich temperaturach, wykazuje silne właściwości redukujące, co może sprzyjać relatywnie szybszej degradacji silników (w szczególności stosowanych w nich smarów, uszczelek itp.). Na koniec należy także podkreślić względnie wysoką toksyczność amoniaku oraz jego drażniące działanie na skórę i błony śluzowe. Pod tym względem metan, który jest praktycznie nietoksyczny, jest o wiele bezpieczniejszym paliwem.

W tej krótkiej analizie poruszyliśmy tylko kilka aspektów związanych z wykorzystaniem amoniaku, jako paliwa. Czy stanie się on powszechnie stosowanym paliwem, zależy przede wszystkim od konkurencyjności jego cen względem gazu ziemnego oraz znalezieniem rozwiązań pozwalających na ograniczenie jego toksycznego działania na ludzi. Z pewnością jednak jego niewątpliwe zalety sprawią, że zainteresowanie nim nie będzie przez najbliższe lata słabnąć.

Wojciech Smułek