Забудьте о массивных стальных резервуарах — некоторые ученые предлагают производить химические вещества, используя горные породы, залегающие глубоко под поверхностью Земли.
Новое исследование показало, что аммиак, критически важный компонент для производства удобрений, может быть получен из горных пород при температурах и давлениях, обычных для недр планеты. Результаты исследования опубликованы в журнале Joule. Мы эксклюзивно сообщаем, что для коммерциализации этого процесса была основана новая компания под названием Addis Energy.
Аммиак используется в большинстве удобрений и является неотъемлемой частью современной продовольственной системы. Кроме того, его рассматривают как перспективное «зеленое» топливо для таких отраслей, как трансокеанские перевозки. Проблема в том, что текущие методы его производства требуют колоссального количества энергии и выбрасывают огромные объемы парниковых газов, вызывающих изменение климата — на них приходится более 1% мировых выбросов. Новое исследование доказывает, что внутренние условия планеты могут быть использованы для производства аммиака гораздо более чистым способом.
«Земля может служить заводом для химического производства», — заявляет Ивнетим Абате, профессор Массачусетского технологического института (MIT) и автор нового исследования.
Эта идея может радикально изменить химическую промышленность, которая сегодня полагается на гигантские комплексы, работающие при экстремально высоких температурах и давлении для синтеза аммиака.
Ключевыми ингредиентами для получения аммиака являются источники азота и водорода. По словам Патрика Моллоя, ведущего специалиста некоммерческого исследовательского агентства Rocky Mountain Institute, большая часть усилий по разработке более чистых методов сосредоточена на поиске новых способов получения водорода, поскольку именно этот газ составляет основную долю климатического следа аммиака.
Недавно исследователи и компании обнаружили залежи природного водорода под землей. Богатые железом породы, как правило, инициируют реакции, производящие этот газ, и такие естественные месторождения могут обеспечить источник водорода с низкой стоимостью и минимальными выбросами.
Хотя геолого-гидрогенная отрасль пока находится в зачаточном состоянии, некоторые исследователи надеются ускорить процесс, стимулируя подземное производство водорода. Используя подходящие породы, тепло и катализатор, можно получать водород дешево и без значительного загрязнения климата.
Однако водород сложно транспортировать, поэтому профессор Абате заинтересовался шагом дальше: позволить подземным условиям выполнять основную работу, питая химические реакции, превращающие водород и азот в аммиак. «Когда вы бурите, вы бесплатно получаете тепло и давление», — отмечает он.
Чтобы проверить эту концепцию, Абате и его команда измельчили железосодержащие минералы, добавили нитраты (источник азота), воду (источник водорода) и катализатор для ускорения реакций в небольшом лабораторном реакторе. Они обнаружили, что даже при относительно низких температурах и давлении удается синтезировать аммиак в течение нескольких часов. По оценкам исследователей, при масштабировании процесса одна скважина могла бы производить 40 000 килограммов аммиака в сутки.
Хотя реакции идут быстрее при высокой температуре и давлении, ученые пришли к выводу, что производство аммиака может быть экономически целесообразным даже при 130 °C (266 °F) и давлении чуть выше двух атмосфер — условий, достижимых на глубинах, доступных с помощью существующих технологий бурения.
Несмотря на то что реакции успешно протекают в лаборатории, предстоит большая работа, чтобы определить, смогут ли они работать в полевых условиях и как именно. Команде необходимо будет выяснить, как поддерживать непрерывность реакции, поскольку в процессе образования аммиака поверхность железосодержащей породы окисляется, переходя в состояние, неспособное к дальнейшему взаимодействию. Однако Абате утверждает, что команда работает над контролем толщины этого непригодного для реакции слоя и его состава, чтобы химические процессы могли продолжаться.
Для коммерциализации этой работы Абате стал соучредителем компании Addis Energy, привлекшей 4,25 миллиона долларов на предпосевной стадии от инвесторов, включая Engine Ventures. Среди его соучредителей — Майкл Александр и Чарли Митчелл (оба имеют опыт работы в нефтегазовой отрасли), а также Йет-Минг Чианг, профессор MIT и серийный предприниматель. Компания займется масштабированием исследований, включая поиск потенциальных участков с геологическими условиями, подходящими для подземного производства аммиака.
По словам генерального директора Addis Александра, хорошая новость для масштабирования заключается в том, что большая часть необходимого оборудования уже существует в нефтегазовых операциях. Полевая система будет включать бурение, закачку жидкости под землю и извлечение других флюидов с недр — все это обычные операции для данной отрасли. «Здесь мы имеем дело с новой химией, завернутой в нефтегазовую упаковку», — поясняет он.
Команда также займется уточнением сметы затрат на процесс и более глубоким изучением вопросов безопасности и устойчивости, считает Абате. Моллой из RMI отмечает, что аммиак является токсичным промышленным химикатом, но его широкое применение уже породило устоявшиеся процедуры для безопасного обращения, хранения и транспортировки.
Судя по предварительным оценкам исследователей, аммиак, полученный этим методом, мог бы стоить до $0,55 за килограмм. Это дороже, чем аммиак, производимый сегодня с использованием ископаемого топлива ($0,40/кг), но, вероятно, этот метод окажется дешевле других низкоэмиссионных способов получения вещества. Усовершенствование процесса, например, использование азота из воздуха вместо нитратов, может помочь снизить затраты до $0,20/кг.
Новые подходы к производству аммиака могут стать решающими для климатических целей. «Это химическое вещество, необходимое для нашего образа жизни», — говорит Картиш Мантирам, профессор Калифорнийского технологического института, специализирующийся на электрохимии и альтернативных методах производства аммиака.
Исследование команды явно изначально разрабатывалось с учетом масштабируемости, и использование самой Земли в качестве реактора — это именно то мышление, которое необходимо для ускорения долгосрочного перехода к устойчивому химическому производству, добавляет Мантирам.
Пока компания сосредоточена на масштабировании, Абате и другие лаборатории продолжат фундаментальную работу по изучению процессов, происходящих на атомном уровне, особенно на границе раздела между породами и реагирующей жидкостью.
Лабораторные исследования увлекательны, но это лишь первый шаг, подытоживает Абате. Следующий — убедиться, что это действительно работает в полевых условиях.
Исправление: Из-за опечатки в единицах измерения в журнальной статье в предыдущей версии этого материала была некорректно указана теоретически возможная выработка аммиака на одну скважину. Оценка составляет 40 000 килограммов аммиака в сутки, а не 40 000 тонн.
