ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПЕРЕХОД
Водород, аммиак, метанол: зеленые технологии для России Компания thyssenkrupp разработала процессы, обеспечивающие рентабельность проектов зеленой энергетики в РФ
24
Октябрь 2021 The Chemical Journal
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПЕРЕХОД
Александр Шевченко, менеджер по развитию бизнеса направления «Удобрения» thyssenkrupp Uhde Россия Денис Филимонов, ведущий специалист по коммуникациям thyssenkrupp Uhde Россия
Р
ост населения планеты, увеличение благосостояния и активная хозяйственная деятельность являются ключевыми факторами изменения климата и загрязнения окружающей среды. Для радикального сокращения выбросов CO2 и других парниковых газов необходимо реализовать ряд известных мероприятий — повышение энергоэффективности предприятий, увеличение доли использования возобновляемых источников энергии, улавливание углерода и его утилизация. Далее, для перехода к зеленой экономике одни страны разрабатывают программы стимулирования компаний, другие вводят налоги на выбросы CO2. В частности, Европа создает систему налогообложения CO2, которая будет применяться в том числе к импортируемым товарам. ЕС опубликовал сообщение о Европейской «Зеленой сделке» в декабре 2019 года, затем были опубликованы стратегия и план действий для достижения цели — «стать первым климатически нейтральным континентом» к 2050 году.
Рынки и технологии Законодательство ведущих экономик мира меняется, и введение налога на углерод может стать переломным моментом, в частности, на рынке синтез-газа и продуктов, производимых из него. Однако есть и другие факторы, подталкивающие нас к использованию решений Power-to-X (PtX, преобразование энергии в ценные продукты). Капитальные затраты на системы ветровой и солнечной энергетики, а также на системы электролиза воды, снижаются на протяжении многих лет. Кроме того, доступность электроэнергии на основе возобновляемых источников постоянно растет, а стоимость электроэнергии постоянно снижается. The Chemical Journal Октябрь 2021
Эти факторы делают возобновляемую энергию интересной для применения в решениях Power-to-X.
Россия и водородная энергетика Россия, следуя принятым на себя международным обязательствам, разработала и распоряжением Правительства РФ № 2162-р от 5 августа 2021 года утвердила «Концепцию развития водородной энергетики». В концепции присутствует довольно много неясностей относительно способов производства водорода, однако Российская Федерация подтвердила готовность принимать активное участие в реализа-
на острове целого водородного кластера с возможностью экспорта этого вида топлива на рынки азиатских стран. Сердцем кластера должен стать научнотехнологический центр компетенции по водородной энергетике.
Дорогая российская энергия Стоимость электроэнергии для промышленных потребителей в России по итогам 2020 года была выше аналогичного показателя в США, а также в ряде стран Европейского союза. Об этом говорится в материалах, опубликованных «Сообществом потребителей энергии», которое объединяет более 30 крупнейших промышленных
Стоимость электроэнергии для промышленных потребителей в России по итогам 2020 года была выше аналогичного показателя в США. ции международных программ «Зеленой сделки», и это главный вывод из принятого документа. Концепция определяет цели, стратегию и мероприятия по созданию и развитию водородной отрасли. После реализации пилотных проектов и успешного применения водородных энергоносителей на внутреннем рынке Россия должна стать одним из крупнейших поставщиков водорода и водородных технологий в Европе. Потенциальный объем поставок может составить 200 тысяч тонн к 2024 году, 2–12 миллионов тонн — к 2035-му, 15– 50 миллионов — к 2050 году. Каждый из создаваемых кластеров будет иметь собственные направления работы. Северо-Западный будет работать на экспорт в страны Европы, Восточный кластер — на экспорт в Азию, Арктический — на создание низкоуглеродных систем энергоснабжения арктических территорий и экспорта водорода. Правительство Сахалинской области изучает возможности создания
предприятий из различных отраслей экономики. По данным ассоциации, цена на электроэнергию для российской промышленности в 2020 году находилась на уровне 0,073 $ за кВтч при подключении к региональным распределительным сетям и 0,045 $ для магистральной сети (для сравнения, в США цена равняется 0,067 $). В краткосрочной перспективе высокая внутрироссийская стоимость электроэнергии ставит под вопрос рентабельность зеленых производств, основной смысл которых — замена углеродных источников энергии на электрические.
Технологии thyssenkrupp Uhde Устойчивое развитие и энергоэффективность являются ключевыми факторами стратегии компании thyssenkrupp Uhde. thyssenkrupp Uhde хорошо известна на рынке синтез-газа как ведущий 25
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПЕРЕХОД
Строительство ветропарка в Мурманской области. Ветряная генерация в России растет, и проблема колебания напряжения и доступности требует создания накопителей энергии и энергоносителей — таких как водород и аммиак.
поставщик процесса производства ам- ячейки, которые демонстрируют высо- быть очищена в установке деминерамиака Uhde. Однако не менее извест- кую эффективность в промышленных лизации, чтобы соответствовать треным является совместное предприя- масштабах производства водорода. буемой чистоте. При производстве водорода в AWE в качестве побочного Совместным предприятием tk-UCE продукта образуется кислород. И водород, и кислород очищаются, киспостроено более 600 электролизных установок лород в дальнейшем не требуется для суммарной мощностью более 10 ГВт. самого процесса, но может быть истие thyssenkrupp и Industrie De Nora Основная конструкция хорошо заре- пользован для последующих процесthyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers комендовала себя в более чем 600 элек- сов. Водород, который производится (tk-UCE), работающее в сфере электро- тролизных установках, включающих с чистотой 99,95 %, охлаждается и сулиза. Более 600 электролизных устано- 300 тыс. электрических элементов. шится; возможно, деоксигенируется вок с суммарной установленной мощ- В результате AWE компании tk-UCE и сжимается. ностью более 10 ГВт подчеркивают может обеспечить работоспособность Возобновляемая энергия, как правиопыт tk-UCE в этом секторе. на уровне 98 % в течение срока служ- ло, недоступна постоянно, что приводит Учитывая технологические возмож- бы более 30 лет. Кроме того, КПД элек- к колебаниям энергоснабжения, и техности компании, а также осознавая от- тролизёра составляет более 82 %. Для нология AWE справляется с этими предветственность за дальнейшее развитие обеспечения простоты монтажа ком- посылками. Запуск AWE может быть процессов повышения устойчивости, Чистая энергия аккумулируется с помощью AWE thyssenkrupp Uhde и tk-UCE (совместно называемые thyssenkrupp) разработаи PtX-процессов thyssenkrupp для получения зеленых ли целостные процессы для энергетики, аммиака, метанола и синтетического газа. транспорта, химической промышленности и сельского хозяйства. В осно- пания thyssenkrupp разработала вы- осуществлен в течение нескольких миве — технология щелочного электроли- сокомодульную сборную конструк- нут, а условия нагрузки могут быть изза воды (AWE), которая обеспечивает цию, состоящую из блоков мощностью менены в течение нескольких секунд. 20 МВт каждый. водородом последующие процессы. Таким образом, AWE обеспечивает гибСырьем дл я AW E при полу че- кость, которая требуется от возобновЗеленый водород нии H 2 являются, в основном, элек- ляемых источников энергии для адаптроэнергия и пресная вода. Элек- тации к колебаниям мощности, а также Основой электролизных технологий троэнергия может быть напрямую для быстрого реагирования на рынках компании tk-UCE являются запатен- направлена через выпрямитель на элек- электроэнергии с целью повышения тованные большие электрохимические тролиз, в то время как вода должна экономичности процесса. 26
Октябрь 2021 The Chemical Journal
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПЕРЕХОД
Перевод судов на аммиак в роли топлива играет значительную роль в снижении спроса на углеводороды. К 2020 году более 80 % объема мировой торговли осуществляется по морю. К 2050 году спрос на грузовые перевозки вырастет в три раза.
Энергия, получаемая из возобнов- компрессора синтез-газа, и часть его 10 МВт-ч/т аммиака, из которых на сжаляемых источников, может быть ак- производится из отходящего тепла тие, синтез и разделение воздуха прихокумулирована с помощью AWE и по- синтеза. На зеленом аммиачном за- дится около одной десятой части затрат, следующих PtX-процессов компании воде компрессор должен приводиться а на электролиз — оставшаяся часть. thyssenkrupp для получения зеленых в действие зеленой электроэнергией Еще одно различие между обычныаммиака, метанола и синтетического (так же, как и воздухоразделительная ми и зелеными аммиачными заводами природного газа (SNG). установка). Это позволит избежать заключается в управлении нагрузкой. выбросов CO2 от котла и связанных В то время как обычная аммиачная Зеленый аммиак с ним капитальных затрат и инфра- установка большую часть времени раструктуры газоснабжения. ботает на максимальной мощности, При соединении зеленого водорода На небольшой зеленой аммиачной производство на основе возобновляес азотом из установки воздухоразделения аммиак может быть получен без исС учетом высокой стоимости транспортировки локальное пользования ископаемого сырья или производство аммиака представляется экономически топлива. Этот аммиак может служить целесообразным. основой для дальнейшей переработки или молекулой-носителем для зелено- установке можно выбрать простой про- мых источников энергии должно в осго водорода. В последнем случае на эта- цесс с низкими капзатратами и вообще новном следовать за подъемами и спапе использования энергии аммиак либо не производить пар из отходящего теп- дами доступной электроэнергии или сжигается напрямую, например, в адап- ла, а только использовать его часть для ее стоимости. тированных газовых турбинах, либо привода абсорбционной холодильной Для электролизного агрегата такие снова разделяется на водород для ис- машины, необходимой для конденса- изменения нагрузки не представляют ции аммиака. пользования в качестве топлива и азот. особой сложности. Однако аммиачНа более крупной установке мож- ная установка должна быть спроектиВ установке зеленого аммиака азот производится путем разделения возду- но пойти по пути более эффективного рована таким образом, чтобы обесха и смешивается с зеленым водородом использования энергии и производить печить быстрые изменения нагрузки, для получения синтез-газа. Установка пар из отходящего тепла, направляя его например, с помощью мер по подсинтеза аммиака мало чем отличается на турбину генератора. Электроэнер- держанию температуры катализатоот установки на ископаемом топливе, гия турбины, в сочетании с импортом ра при реакции и в периоды низкой использующей процесс Хабера-Боша. из возобновляемого источника, приво- доступности электроэнергии, чтобы дит в действие компрессор. Различия в деталях. иметь возможность быстро нарастить Общее потребление электроэнер- производство, как только снова поНа т р а д и ц ион ном п р ои зв одстве пар используется для привода гии на таком заводе составляет менее явится энергия. The Chemical Journal Октябрь 2021
27
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПЕРЕХОД Производство
Renewable Ener gy возобновляемой Productio n
энергии
Электростанции Power Plan t Производство электролитического водорода
Производство с CO-emittin g Industr y выбросами СО2
Синтез
-газ Сети природного газа NaturalGas Grid
H2 CO C 2, O
Consumer Потребители
Интегрированное производство Integrated Hydro gen& водорода и синтез-газа SNG Plan t
Улав л у тил ивани е изац и ия C O
Интегрированное Integrated Hydro gen & производство Methanol Plan t водорода и метанола
Амми 2
Интегрированное Integrated Hydro g производство водорода и аммиака / карбамида
Удобр
Метан
ол
Топли
во
Mobilit y Транспорт
НПЗ
ак
Сталелитейная Steel Indust y промышленность
ения
Химическая Chemical Industr y промышленность
Цепочки создания стоимости водорода от thyssenkrupp. Печь первичного риформинга и система охлаждения технологического газа Uhde.
Хранилище водорода, необходимое для смягчения быстрых изменений и предотвращения прерывистой работы, должно быть таким же небольшим, поскольку это дорогостоящий элемент с вероятным высоким временем простоя. 28
Farms Фермы
Основы зеленого процесса производства существующей установки на более низаммиака могут быть применены в каче- кое соотношение H2/N2 перед точстве модернизации существующих тра- кой смешения. диционных установок путем частичной В некоторых аспектах аммиак станозамены водорода парового риформин- вится промежуточным этапом произга на водород, получаемый при элек- водства, поскольку он является высокотролизе. Это приводит к изменению плотным энергоносителем. Кроме того, Октябрь 2021 The Chemical Journal
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПЕРЕХОД Европа В регионе ожидается высокий спрос. Ограниченный потенциал для использования возобновляемых ресурсов в связи с ограниченностью доступного пространства и неоднородностью графика нагрузки
Япония / Корея Принята стратегия увеличить потребление водородаОграниченная доступность пространства и ресурсов; могут импортировать водород
Китай Масштабные инвестиции в водородную экономикуИмеет потенциал дляводородной независимости
США Благоприятные условиядля использования энергиисолнечных батарей и ветра Ближний Восток Высокий потенциал для гибридного использования энергии солнечных батарей и ветра благодаря природным ресурсам
Чили Благоприятные условия для гибридного использования энергии солнечных батарей и ветра
Электролиз
Изготовлено
> 300 000 элементов* Изготовлено
>1.6 млн м
2
электродов*
Может быть поставлено
> 1000 МВт в год** * д ля установок хлор-щелочного электролиза, производящих водород как со-продукт ** д ля производства электролитического водорода
инфраструктура международных перевозок аммиака хорошо развита и более безопасна по сравнению с водородом. Основными факторами становятся самодостаточность, независимость, замена угля или природного газа на более дешевые источники электроэнергии. The Chemical Journal Октябрь 2021
Австралия Есть потенциал для строительства блоков солнечных батарей в связи с благоприятным профилем нагрузки
Оптимальные условия для использования возобновляемых и низкоуглеродных источников энергии
Посредственные условия для использования низкоуглеродных источников энергии
Оптимальные условия для использования низкоуглеродных источников энергии
Оптимальные условия для использования возобновляемых источников энергии
воды thyssenkrupp
Посредственные условия для использования возобновляемых источников энергии
Диаграмма 1. Ориентировочные точки безубыточности для цены на аммиак при различных уровнях затрат на сырье. Îïåðàöèîííûå çàòðàòû íà òîííó àììèàêà ($/òîííà)
Источник: IEA; McKlnsey
Условия для применения возобновляемой энергетикии технологий улавливания и хранения CO2 по регионам
600
500
400
300
200
100
0 56,64 0,007
84,96 0,011
111,28 0,014
141,6 0,018
169,92 0,022
198,24 0,025
226,56 0,029
254,88 0,032
283,2 0,036
311,52 0,039
119,52 0,043
366,16 0,017
396,48 0,050
Ïðèðîäíûé ãàç ($/ì3) / Ýëåêòðîýíåðãèÿ ($/ÊÂò-÷) Ïðèðîäíûé ãàç
Ýëåêòðîýíåðãèÿ
29
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПЕРЕХОД количеством катализатора для достижения высокой общей степени конверсии. Кинетика также отличается, и это необходимо учитывать при проектировании установок зеленого метанола. Чтобы избежать высоких температур в слое катализатора из-за экзотермической реакции, обычно используется изотермический тип реактора. Возможным типом реактора является водоохлаждаемый реактор с пучком труб, в котором технологический газ со стороны труб охлаждается за счет испарения воды со стороны оболочки реактора. Такой реактор также используется на обычных метанольных заводах. Для управления нагрузкой установки метанола должны быть рассчитаны на быстрые изменения нагрузки, аналогично установкам аммиака. Синтез метанола может покрыть определенный диапазон изменений нагрузки, однако дистилляция реагирует более чувствительно. При наличии хранилища Монтаж электролизных ячеек thyssenkrupp. Электролиз воды — единственная для сырого метанола дистилляция момасштабируемая технология получения зеленого водорода. жет медленно подстраиваться под любые изменения. Хранилище водорода необходимо для смягчения быстрых Необходимо также избежать высо- происхождения, применения которых, и больших изменений и во избежание ких логистических затрат, например, как, например, при производстве це- прерывистой работы. из-за соображений безопасности или мента, вряд ли удастся избежать. Важным аспектом производства зехудшей доступности, и других затрат, таких как сборы, таможенные пошПреимущество зеленого метанола — меньший выход лины, налоги на импорт или налоги побочных продуктов: высших спиртов и кетонов. на CO2. Следовательно, может оказаться, что локализованное производство Принципиальная концепция синтеза леного метанола является интеграция небольшой мощности в непосред- метанола на основе углекислого газа секторов, например, транспорта и обраственной близости от потребителя бу- имеет некоторые отличия от обычно- батывающей промышленности, с энердет экономически предпочтительным го синтеза метанола, которые необхо- гогенерирующей промышленностью. вариантом, несмотря на более высокие димо учитывать. Метанол может внести важный инвестиционные затраты. Образованию метанола из диокси- вклад в объединение секторов и спода углерода способствуют низкая тем- собствует повышению общей эффекЗеленый метанол пература и высокое давление. Одним тивности процессов и снижению выиз преимуществ зеленого метанола яв- бросов парниковых газов. Одним из способов получения зелено- ляется меньшее образование побочных го метанола является прямое гидриро- продуктов, таких как высшие спирты Производство цемента вание углекислого газа зеленым водо- или кетоны. Однако больший объем и метанол родом, полученным при электролизе получаемой воды приводит к нескольводы (power-to-methanol). Как и при ко большей деактивации катализатора. Перспективным и интересным припроизводстве обычного метанола, про- Коммерчески доступные катализато- мером явл яется объединение цецесс можно разделить на три основные ры на основе меди в принципе работа- ментной промышленности, одного части: производство сингаза, синтез ют очень хорошо. Однако, поскольку из крупнейших источников выбросов метанола и дистилляция метанола. эти катализаторы оптимизированы для CO2 , с производством возобновляеПо сравнению с производством конверсии обычного сингаза, предпри- мой энергии и химической промышобычного метанола (на основе сме- нимаются определенные усилия по мо- ленностью. Кислород, получаемый си CO/CO2), производство сингаза для дификации и адаптации катализаторов при электролизе, может использозеленого метанола проще и надежнее. к новым требованиям. ваться на цементных заводах для сжиЭлектролиз воды — хорошо известПоскольку равновесная степень гания топлива. ный и простой метод получения во- конверсии диоксида углерода ниже, При использовании кислородного дорода. При этом существуют различ- чем монооксида углерода, установ- сжигания достигается высокое содерные возможные источники углекислого ки по производству зеленого мета- жание углекислого газа в отходящем газа: возобновляемые, такие как био- нола должны работать с большим газе. Этот углекислый газ можно эфгаз, биоэтанол или прямое улавлива- рециркуляционным потоком не- фективно улавливать и использовать ние воздуха, но также и ископаемого конвертированного газа и большим для производства метанола. 30
Октябрь 2021 The Chemical Journal
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПЕРЕХОД Такой возобновляемый метанол можно использовать во многих областях, как в химической промышленности, так и в сфере транспорта. Использование экологически чистого метанола особенно перспективно в транспортном секторе. Метанол может быть использован в качестве сырья для бензина. Это означает, что ископаемый бензин может быть заменен топливом из возобновляемых источников. Помимо использования в сфере транспорта, применение зеленого метанола в морском секторе также представляет значительный интерес. Кроме того, зеленый метанол может быть переработан в зеленый бензин по технологии «метанол в бензин» или даже в зеленый керосин.
Экономическая оценка Ключевыми факторами жизнеспособности производства зеленого аммиака в основном являются капитальные затраты, доступность и стоимость электроэнергии, ограничения и стоимость транспортировки аммиака, ограничения на выбросы CO2 и налоги на CO2. С точки зрения капитальных вложений маломасштабные производства зеленого аммиака уже сегодня могут конкурировать с традиционными маломасштабными установками аммиака. Однако традиционный процесс экономичнее при крупнотоннажном производстве. С уменьшением затрат на электролиз ситуация может измениться. Доступность и стоимость электроэнергии являются вторым ключевым фактором. Операционные расходы в основном обусловлены стоимостью
Производство зеленого водорода будет интегрировано на установку аммиака CF Industries в Дональдсонвилле, США, для получения 20 000 т в год зеленого аммиака.
транспортировку довольно дорогостоя- и энергоносителям. Сегодня технощей. Учитывая высокую стоимость транс- логии для решения этой проблемы портировки, локальное производство уже доступны. В настоящее время рыночные услоаммиака значительно повысит экономивия служат ограничителем распроческую целесообразность проекта. Наконец, необходимо рассмотреть странения этих технологий, поскольвопрос о налогах, а также ограничениях ку ископаемые источники доступны на выбросы CO2. По данным Комиссии по более низким ценам. в области ценообразования на углерод Отсутствие ясности в законодаВсемирного банка, цены на углерод дол- тельстве и рыночных условиях прижны быть, по крайней мере, в диапазоне водит к неопределенности в отноше50–100 $ за т СО2е к 2030 году для соот- нии разработки возможных проектов ветствия Парижским целевым соглаше- и сдерживает инвестиции. Тем не мениям, достигнутым в 2015 году. При уров- нее, thyssenkrupp готова предложить опне выбросов от 1,2 т до 1,6 т CO2e/т NH3 тимальные решения и приступить к строительству заводов PtX. Портфель thyssenkrupp включает осЦены на углерод ожидаются в диапазоне новные технологии PtX. От электро50–100 $ за т СО2е к 2030 году. лиза воды и рекуперации CO2 до проэлектроэнергии. При затратах на элек- такой налог на CO2 является веским ар- изводства зеленого аммиака, зеленого троэнергию 20 $ на МВтч операцион- гументом для старта производства зеле- метанола и зеленого синтетического природного газа (SNG) – все процесные затраты достигают 200 $ на т, что ного аммиака. Все эти вопросы должны быть учте- сы цепочки создания стоимости могут также может быть достигнуто примерно за 170 $ на м3 для установки на основе ны и рассмотрены на самых ранних быть обеспечены из одного источника. природного газа. На диаграмме 1 указа- этапах, при разработке концепции или thyssenkrupp Uhde, компания ны операционные расходы при исполь- Технико-экономического обоснова- со 100-летним опытом разработки технозовании разных затрат на сырье. Уже ния проекта. логий и их внедрения в промышленное сегодня стоимость электроэнергии допроизводство, имеет портфель техностигает 15 $ на МВтч и ниже, что делает Выводы логий и решений, которые вписываютпроизводство зеленого аммиака крайся в концепцию зеленого производства Поскольку одной из главных проблем и обеспечивают не только углеродную не привлекательным. В отдельных регионах транспор- возобновляемых источников энергии нейтральность производств, но и потировка аммиака ограничена, кро- являются колебания их доступности, зволяют перейти на полностью безуглеме того, некоторые потребители ам- поставщики возобновляемых источ- родные технологии. Основой таких промиака расположены на территориях, ников энергии уделяют все больше цессов является получение зеленого не имеющих выхода к морю, что делает вн и ма н и я на коп лен и ю энерг и и водорода путем электролиза воды. The Chemical Journal Октябрь 2021
31