Ingineri japonezi şi americani lucrează împreună la prima turbină de gaz din lume ce va folosi amoniacul verde drept combustibil

Inginerii japonezi de la compania IHI şi cei americani de la GE Vernova lucrează împreună la crearea primei turbinei de gaz din lume ce va folosi amoniacul verde drept combustibil, în loc de gazul natural obişnuit. Noua turbină va putea echipa termocentrale mari şi medii de producţie a electricităţii şi căldurii pentru oraşe sau pentru fabrici mari, iar marele ei avantaj e că va putea exclude CO2-ul din ciclul său global de emisii.

Nu e un secret că arderea gazului natural, numit şi metan, se lasă cu emisii CO2. În acelaşi timp, foarte multe oraşe din lume sau coloşi industriali, mizează pe termocentrale ce folosesc turbine de gaz, folosind metanul drept combustibil. Mult timp, era considerat că acest combustibil e unul ce dă un bun randament dacă termocentrala captează şi căldura, şi electricitatea produsă în urma mişcării mecanice a turbinei, iar emisiile erau formate din CO2, lipsind alţi produşi nedoriţi, care erau prezenţi la arderea cărbunelui, de exemplu, sau la arderea păcurii, dieselului şi alţi produşi. Iar întrucât gazul a fost mult timp un combustibil ieftin, existau puţine stimulente pentru a folosi alte soluţii de alternativă, deşi ştiinţific vorbind, acestea există şi sunt cunoscute. În ultimul timp, însă, restricţiile de emisii pe de o parte, şi costul mult mai mare al gazului pe de altă parte, au stimulat inginerii să dezvolte soluţii de alternativă. Aşa a apărut, spre exemplu, şi prima turbină de gaz din lume ce foloseşte hidrogen curat pentru ardere în loc de gaz natural, turbină produsă de germanii de la Siemens Energy, care a fost instalată într-o fabrică din Franţa.

Foto: Prima turbină ce foloseşte hidrogen în combustie, instalată în Franţa

Logica acelei turbine e similară — hidrogenul poate fi ars şi poate da un randament util în acea turbină, iar singurele emisii, dacă procesul de combustie are loc corect, sunt vaporii de apă. Desigur, cheia e în a produce hidrogenul prin hidroliză care să folosească doar energie regenerabilă, astfel încât să nu existe emisii de CO2 la acea etapă. Şi am mai menţionat în alte articole că la producţia unui kilogram de hidrogen se consumă între 53 şi 57 kWh de electricitate verde.

Ei bine, turbina despre care vorbim azi nu va folosi hidrogenul în combustie, ci amoniacul verde, noţiunea de verde având aici semnificaţia că e produs tot doar din energie regenerabilă. Despre amoniac folosit drept combustibil am vorbit în ultimul an mai des în raport cu nave şi motoare navale, or, anume acolo, în domeniul maritim, există un consens că acesta ar putea fi una din cele mai viabile opţiuni de a reduce semnificativ emisiile de CO2 din acest domeniu, întrucât combustibilul dă avantaje mari de stocare, faţă de hidrogen. Hidrogenul sotcat gazos la bordul unei nave are nevoie de volum mare, iar în formă lichidă are nevoie de energie considerabilă, pentru a fi menţinut la temperaturi -253 grade Celsius, acolo unde el încă are formă lichidă. Amoniacul, însă, e lichid la -33 drage Celsius şi conţine cu 50% mai mult hidrogen în raport volumetric decât însăşi hidrogenul. Chiar şi gazul natural comprimat e menţinut la -163 grade Celsius pe nave pentru a fi lichid.

Formula amoniacului e NH3, iar atunci când acesta foloseşte oxigenul din atmosferă pentru ardere, el se descompune în apă, H2O, şi azot, N2. Emisiile CO2 nu apar în ecuaţie, pentru că nu există vreun atom de carbon, însă dacă temperatura de combustie nu e corectă, pot apărea compuşi de NOx, sau oxizi de azot nedoriţi. Mai poate apărea şi gazul ilariant N2O ca produs nedorit în aceleaşi condiţii imperfecte de combustie, numit şi protoxid de azot, iar problema nu e că provoacă râsul, ci că e un gaz cu efect de seră de 283 ori mai mare decât CO2. Aşadar, tot ceea ce presupune arderea de amoniac trebuie să aibă un proces de combustie calibrat până la perfecţiune pentru a fi păstrate bunele intenţii de lisă de CO2 şi alte emisii dăunătoare.

Foto: Motor naval care consumă amoniac, lansat de curând de finlandezii de la Warstila

Producţia de amoniac verde, însă, poate fi făcută cu zero CO2, şi există un proces industrial bine perfecţionat deja pentru asta. Iniţial, procesul e similar producţiei de hidrogen, din apă, prin electroliză, obţinându-se hidrogen curat şi oxigen curat şi cheltuindu-se o cantitate similară de electricitate regenerabilă de 53-57 kWh pentru 1 kg de hidrogen. Pe de altă parte, din aerul atmosferic se extrage azotul, printr-o reacţie de separare care necesită de asemenea energie, ca şi electroliza. Iar apoi are loc procesul industria Haber-Bosch, de contopire a azotului cu hidrogen în compusul final NH3, adică amoniacul, un proces care are nevoie de 400 grade Celsius şi o presiune de 150 de bari pentru a avea loc.

Foto: Schema producţiei amoniacului verde, din energie regenerabilă

Paradoxal, însă, pentru producţia finală a unui 1 kg de amoniac verde e nevoie de mai puţină electricitate decât pentru producţia 1 kg de hidrogen, iar asta se explică prin masa molară mare a hidrogenului din componenţa amoniacului. Cu alte cuvinte 1 kg de hidrogen, la care s-au consumat 53 kWh de electricitate iniţial, va ajunge în componenţa mai multor kilograme de amoniac şi va distribui acea cifră de energie. Mai exact, în procesul de producţie a unui kilogram de amoniac verde, enunţat mai sus, se vor conţine 7,76 kWh din producţia iniţială a hidrogenului, 0,24 kWh pentru separarea azotului din aer şi 2,3 kWh pentru reacţia Haber-Bosch. Dacă se foloseşte apă de mare la producţia de hidrogen, se mai adaugă 0,03 kWh pentru filtrarea ei. Deci per total, la 1 kg final de amoniac avem între 10,3 kWh şi 11 kWh de electricitate consumată în producţie. În greutate, va fi nevoie să se ardă cam de două-trei ori mai mult amoniac decât gaz natural comprimat şi chiar mai mult decât hidrogen, însă volumetric vorbind cifrele nu sunt foarte departe, ba chiar mai multe decât la hidrogen în condiţii de presiune standard, iar avantajul efortului şi energiei mai mici necesare pentru stocarea lichefiată a amoniacului justifică cantităţile mai mari necesare de combustibil. Şi apoi, de oarece 1 kg de amoniac necesită doar 10,3 kWh de energie consumată, chiar dacă se arde de 3 ori mai mult amoniac decât hidrogen, pentru care s-au consumat 53-57 kWh, iese oricum un randament final mai bun la ardere, teoretic. Avantajul e similar şi faţă de gaz natural comprimat, cu beneficiul suplimentar uriaş de a scoate CO2 din ecuaţia emisiilor.

Acestea fiind spuse, ceea ce vor să facă acum inginerii japonezi şi americani e să scoată aceste emisii CO2 nu doar din domeniul transporturilor navale, ci şi din domeniul uriaş al termocentralelor din toată lumea. Noua lor turbină ar arde amoniac verde în loc de gaz natural comprimat şi ar emite vapori de apă şi azot în aer, iar azotul e şi aşa un compus majoritar în atmosfera noastră. Şi, practic, termocentralele ar consuma amoniac produs din electricitate, fără a avea nevoie de gaz, şi ar produce în continuare electricitate şi căldură, inclusiv pentru sistemele de încălzire centralizată în oraşe, prin metode foarte apropiate, fără nevoia unor reconstrucţii masive. Practic, doar turbinele cu gaz clasice s-ar înlocui cu cele cu amoniac şi s-ar ajusta procesul de livrare a amoniacului verde către ele, toată reţeaua ulterioară de schimbătoare de căldură şi ţevi din termocentrală şi din oraş rămânând la fel. Şi, teoretic, amoniacul poate fi produs nu foarte departe de locul consumării, şi pot exista şi ţevi prin care acesta să fie livrat fără emisii suplimentare de CO2 de la camioane.

Primul model de turbină, pe care o dezvoltă acum inginerii japonezi şi americani, va avea o putere de 2 MW şi e calibrată să consume drept combustibil amoniac în formă lichidă. Desigur, turbina a fost adaptată din modele deja existente din portofoliul celor două companii, făcându-se adaptări şi ranforsări necesare combustiei diferite, dar păstrându-se fiabilitatea de bază a construcţiei.

După o perioadă de testare a primei turbine de 2 MW în Japonia, la IHI, se va recurge şi la scalări ulterioare şi turbine similare de putere mai mare, care vor fi deja potrivite nu doar pentru fabrici, ci şi pentru centrale termoelectrice mai mari de oraşe, unde se folosesc de obicei turbine de la 20-25 MW în sus, iar în centralele mai mari şi de 100-200 MW şi mai mult.

Foto: Aşa ar putea arăta o centrală termoelectrică a viitorului, construită din start pentru turbine cu amoniac sau hidrogen, cu o mare parte a construcţiei integrată în subteran