Кто из наших дачников не знаком с аммиачной селитрой (она же – нитрат аммония) и мочевиной (она же – карбамид)? Это - самые популярные азотные удобрения, применяемые во всем мире и производимые в огромных количествах. Считается, что они сделали революцию в современном сельском хозяйстве, позволив значительно повысить урожайность важных пищевых культур.
Азот, как мы знаем, играет важную роль в жизни растений. Однако в последнее время он привлекает к себе пристальное внимание не только со стороны биологов-растениеводов, но также и со стороны специалистов по теплофизике, поскольку может сыграть большую роль в энергетике будущего – как сам по себе (в чистом виде), так и в виде определенных соединений (вроде упомянутых выше нитрата аммония и карбамида).
Прежде всего азот рассматривается учеными как «экологически чистый» хранитель энергии, помогающий сократить выбросы парниковых газов. Простейшим примером здесь является двигатель, работающий на жидком азоте. Машины с таким двигателем демонстрировались на Западе еще в самом начале прошлого века. Принцип работы таков: жидкий азот из баков поступал в теплообменник, где он нагревался до температуры окружающей среды и превращался в газ под давлением. В таком состоянии он приводил в движение поршень или ротор двигателя. Совершив работу, азот удалялся в атмосферу. Правда, такие двигатели не получили распространения, поскольку уступали двигателям внутреннего сгорания.
Учитывая, что азот является основным элементом воздуха (примерно 78%), данный источник энергии для двигателя считается возобновляемым. Разработчики, рассуждая в логике «зеленого» энергоперехода, исходили из того, что установки на жидком азоте должны полностью заменить местные дизельные генераторы, являющиеся источником углеродных выбросов. В нашу эпоху, как мы понимаем, это является сильным аргументом.
Интересно, что в последнее время ученые проводят сравнение энергоемкости жидкого азота с энергоемкостью литий-ионного аккумулятора. Направление мысли здесь совершенно понятно: двигатель на жидком азоте рассматривается как еще одна «зеленая» альтернатива двигателю внутреннего сгорания. Мало того, азот начинают сравнивать и с водородом, подчеркивая его неоспоримые преимущества перед последним в качестве источника энергии для двигателей. Учитывая, что и литий-ионные аккумуляторы, и водород (конкретно – водород, получаемый методом электролиза), и азот являются хранителями энергии, открываются три варианта использования избыточных мощностей от солнечных и ветряных установок. То есть всю «лишнюю» энергию от солнца и ветра (а такие периоды, как мы знаем, случаются) можно направлять либо на зарядку литий-ионных аккумуляторов, либо на производство зеленого водорода, либо на производство жидкого азота. Какое направление окажется более востребованным, покажет время.
Впрочем, в контексте «зеленого» энергетического перехода азотная тема легко спрягается с водородной темой. Сейчас достаточно активно проводятся исследования по части создания альтернативных видов топлива, когда на первый план выдвигаются соединения, содержащие в составе своих молекул азот и водород. Многим из нас хорошо известное такое распространенное соединение, как аммиак (NH3). Подавляющие объемы производимого аммиака (до 80%) используются для получения азотных удобрений. В то же время он является довольно интересным кандидатом на роль топлива. Его вполне можно использовать в двигателях внутреннего сгорания и в газовых турбинах. Например, автомобили, работающие не на бензине, а на аммиаке, с точки зрения физики являются вполне реалистичным вариантом. Есть только одна проблема, связанная с безопасностью: аммиак является токсичным веществом, и в случае его утечки это грозит большими неприятностями.
В данном случае весьма интересен контекст, в котором определяется актуальность создания подобных энергетических альтернатив. Как рассуждают исследователи, оба названных вещества являются мировым товаром, производимым в огромных количествах. Главным компонентом для их производства выступает уже упомянутый аммиак. А для производства аммиака, в свою очередь, используется чистый водород.
Логика авторов исследования проста: использовать зеленый водород для производства аммиака, а упомянутые производные последнего применять не только в качестве удобрений, но и в энергетических целях. Данная схема выглядит вполне себе «зеленой», поскольку углеродные выбросы здесь весьма низки. Главное, что этот вариант более удобен, нежели применение в энергетике чистого водорода или чистого аммиака. Водород также создает серьезные технологические сложности, что является большим препятствием на пути к «водородной энергетике». Поэтому целесообразнее, полагают авторы, использовать его в соединениях. Эти соединения, в свою очередь, рассматриваются как способ химического хранения водорода. Способы такого «химического хранения» - еще одна важная научная тема в контексте «зеленого» энергоперехода.
Указанное исследование должно было продемонстрировать физическую возможность использования такого вида альтернативного топлива. Конкретно была составлена следующая композиция: 60 частей аммиачной селитры, 15 частей мочевины и 25 частей воды. Важно, что указанный состав является монотопливом, то есть для его горения не нужен приток кислорода (окислитель уже находится в самой композиции). Правда, для его горения необходим предварительный нагрев смеси, что создает определенные сложности. Тем не менее, под такое топливо можно спроектировать специальные турбины, что фактически станет новым словом в развитии тепловой генерации, где вместо природного газа будет использоваться альтернативное азотное топливо.
Согласно полученным данным, сгорание этого топлива дает очень низкий процент загрязняющих веществ, что делает его приемлемым с точки зрения экологии. При нормальном давлении отходящий газ на 73% состоит из водяного пара, на 21% - из азота и примерно на 5,5% - из углекислого газа. Если давление сгорания увеличить до 25 Мпа, то отходящий газ более чем на 90% будет состоять из азота. Что касается энергоемкости такого топлива, то она примерно соответствует природному газу.
Понятно, что пока речь идет о лабораторные испытания, и здесь еще имеются определенные сложности. Тем не менее, само направление исследований представляется весьма заманчивым. Исследователей воодушевляет уже тот факт, что азота полным-полно в атмосфере. А производство водорода и аммиака – вполне налаженный процесс (аммиак, например, является вторым продуктом по объемам мирового производства).
В чем важность этой работы? Дело в том, что такие соединения являются очень энергоемкими материалами. Причем, содержащие исключительно «чистую» энергию. Как утверждают исследователи, при разложении N6 выделяется энергии в два раза больше, чем при взрыве гексогена и в 2,2 раза больше, чем при взрыве тротила (на единицу массы вещества). Создание такого стабильного аллотропа азота, по мысли исследователей, открывает новые энергетические возможности.
Очевидно, мы стоим сейчас на пороге формирования новой концепции хранения энергии, где азот станет играть первостепенную роль. Если работа в данном направлении будет складываться удачно, мы окажемся свидетелями переключения энергетики с углеродной темы на азотную. Мало того, совсем не исключено, что популярная ныне водородная тема окажется полностью «поглощенной» темой азота.
Андрей Колосов
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии