◄ آمونیاک سبز؛ سوختی برای آینده

بخش نوزدهم از سلسله مقاله های مربوط به موضوع «انرژی های تجدید پذیر در حمل‌ و‌ نقل» هفته گذشته منتشر شد، بخش بیستم آن در ادامه می آید.

آمونیاک سبز به عنوان سوخت آینده

آمونیاک (NH3)، یکی از محصولات گاز هیدروژن است که در ترکیب با نیتروژن حاصل می شود. این گاز بیرنگ بیشتر برای تهیه کود مورد استفاده قرار می گیرد.

روش کنونی برای ساخت 180 میلیون تن آمونیاک جهان، عمدتا طبق فرایند (Haber-Bosch) صورت می پذیرد:

• آمونیاک مزبور عمدتا برای تولید کود استفاده می شود.
•  تولید آن فقط در مقیاس های بزرگ به صرفه است.
• آمونیاک مورد نیاز کنونی به مقادیر زیادی انرژی (حدود 2 درصد از کل انرژی جهان) نیاز دارد.
•  فرایند مزبور از کلیه واکنش های شیمیایی دیگر، گاز کربنیک بیشتری تولید می کند (قریب یک درصد از گازکربنیک جهان).
• ضمن اینکه نیترات آمونیوم از جمله مواد بسیار خطرناک محسوب می شود (به گونه‌ ای که موجب انفجارهای بزرگی چون بیروت و حادثه نیشابور راه‌آهن ایران شده است).

چگالی انرژی آمونیاک 12.7 میلیون ژول بر هر لیتر است که حتی از هیدروژن مایع با  8.5 میلیون ژول بر هر لیتر بسیار بیشتر است. مقدار انرژی قابل ذخیره ی آن 10 برابر باتری لیتیوم- یونی است .در فشار آتمسفریک، دمای انجماد آن منفی 33 در برابر هیدروژن منفی 253 درجه ی سانتی گراد است. در عین حال به دلیل درجه ی اشتعال بالاتر نسبت به هیدروژن، مخاطرات بسیار کمتری در برابر احتراق دارد. از آنجایی که در حال حاضر 180 میلیون تن آمونیاک برای مصارف کشاورزی در سال تولید می شود، زیرساخت های آن کاملاً مهیاست. به گونه ای که 120 بندر جهان به پایانه های آمونیاک مجهزند. در تصویر زیر برآورد تقاضای بازار تا سال  2030 نشان داده شده است.

اخیراً دانشمندان استرالیایی در زمینه تولید آمونیاک سبز، نوآوری سدشکنانه ای را ارائه داده‌ اند. آنها با استفاده از انرژی خورشیدی یا بادی، به جای تولید هیدروژن، آمونیاک ساخته اند تا به راحتی بتوان آن را به کشورهایی چون ژاپن و آلمان صادر کرد. زیرا آمونیاک به زیرساخت های سنگین برای ذخیره کردن تحت فشار و دمای بالا نیاز ندارد و آن را می توان در دمای منفی 33 درجه سانتی گراد به مایع تبدیل نمود و برای صادرات به سادگی و با ایمنی بالا جابجا کرد. آمونیاک مایع نسبت به هیدروژن مایع مقادیر زیادتری هیدروژن در خود ذخیره می کند. بدین ترتیب در مقصد می توان آن را به راحتی به نیتروژن و هیدروژن تجزیه کرد، یا آن را به عنوان سوخت مصرف نمود.

با استفاده از روشی جدید، آمونیاک در سطح محلی، ارزان و پاک به دست می آید. به همین سبب پس از اقتصادی شدن تولید این نوع آمونیاک، کشاورزان می توانند خود به تولید کود بپردازند و دیگر نیازی به جابجایی آن نیست. مهمترین نوآوری در زمینه بهره گیری از حالت چهارم ماده یعنی پلاسما برای ساخت این نوع آمونیاک سبز، از آب، هوا و انرژی خورشیدی صورت گرفته است.

علی جلیلی محقق تهیه‌ کننده گزارش علمی استرالیا، روش کار را بدین صورت تشریح می کند که نیتروژن هوا با استفاده از برق، مستقیماً به آمونیاک تبدیل می شود. جدا سازی N2 به دلیل ثبات ذاتی، بسیار سخت است. در حالت پلاسما (با استفاده از شکلی از جرقه طویل در لوله ای خاص) توانسته اند N2 را به ماده ی واسط NO2 و NO3 تبدیل کنند. این موادِ واسط کنار هم، به آب و مواد الکتروشیمیایی دارای کاتالیست در رآکتور پلاسمایی تزریق شده، و محصول آمونیاک به دست آمده است.

دانشگاه نورث وسترن آمریکا نیز بر روی تولید آمونیاک کار کرده است. به سبب برتری آمونیاک نسبت به هیدروژن، در انجام فرایندهای مایع شدن، ذخیره سازی و جابجایی آن، طرفداران زیادی یافته است. بر خلاف هیدروژن لازم نیست در مخازن فشار قوی یا مخازن دوجداره خنک ذخیره شود. آمونیاک قابل جابجایی توسط خط لوله است و به راحتی در محل مصرف به هیدروژن  تبدیل می شود. در فناوری جدید، تبدیل آمونیاک به هیدروژنِ کاملاً خالص (تصویر زیر)، از طریق اعمال انرژی برق تجدیدپذیر و در دمای 250 درجه ی سلسیوس صورت می پذیرد. در همان حال با استفاده از انرژی برق، گاز هیدروژن کاملاً فشرده می گردد. در این فرایند هیچ آلودگی ایجاد نمی گردد. 

با توجه به فناوری های موجود،  تولید آمونیاک سبز نزدیک به 2 تا 4 برابر تولید آمونیاک به روشهای فعلی هزینه‌ دربر دارد. شرکت شیمیایی عظیم یارا در جنوب نروژ در نظر دارد که آمونیاک پاک تولید کند. این شرکت، یک کارخانه ی تولید آمونیاک سبز به ظرفیت 75000 تن را ساخته که با برق  نیروگاه بادی آبهای ساحلی 100 مگاواتی کار می کند.

آمونیاک آبی از گاز طبیعی به دست می آید، ولی بخش بزرگی از کربن آن حذف می شود. آمونیاک سبز بسیار گرانتر از آمونیاک موجود است. ولی تهیه ی آمونیاک آبی به صرفه‌تر است. آمونیاک آبی دارای سه فایده ی امکان حفظ تأسیسات موجود در جهان، ظرفیت تولید انبوه  و همچنین ارزانی آن نسبت به آمونیاک سبز است. بنابراین به نظر می رسد که تا یک دوره ی بلندمدت، آمونیاک آبی یک انرژی واسط (بین آمونیاک خاکستری موجود و آمونیاک سبز آتی) کاربری زیادی داشته باشد. این موضوع به ویژه در آمریکای شمالی که دارای گاز طبیعی فراوانی است، صادق است. گاز کربنیکِ بازمانده از فرایند تولید آمونیاک آبی را می توان تبدیل به اوره کرد یا در اعماق زمین مجبوس نمود یا از محل یارانه های دولتی به کربن و اکسیژن تجزیه کرد. کربن جامد یا سیاه به عنوان فیلتر و ماده پرکننده‌ در صنایع لاستیک و تایر سازی جهان کاربری دارد.  آمونیاک فیروزه ای از تبدیل متان به هیدروژن و کربن خالص به وجود می آید. آمونیاک فیروزه ای به لحاظ سطح آلایندگی بین آمونیاکهای آبی و سبز قرار دارد. شرکت مانولیث (Monolith) یک واحد با ظرفیت تولید 270 هزار تن آمونیاک فیروزه ای و 14 هزار تن کربن سیاه را در دست ساخت دارد. اما این شرکت به جای سوزاندن این محصول، آن را برای تولید کود بدون کربن و مصرف آن در کشاورزی به کار می برد. یک کارخانه ی تولیدِ این نوع آمونیاک، در نبراسکای آمریکا در حال فعالیت است. 

هم اکنون برنامه ی تولید آمونیاک سبز در کشورهای نروژ، نیوزیلند، استرالیا در حال انجام است. ولی مقادیر آن در حد ناچیز یعنی دهها هزار تن در سال است. قرار است به زودی یک پروژه 5 میلیارد دلاری توسط عربستان و با مشارکت یک شرکت آمریکایی (Air product) برای شهر نئوم انجام پذیرد. روزها از سلولهای خورشیدی و شبها از توربینهای بادی به میزان 4 گیگاوات برق به سیستم الکترولیز منتقل شده و هیدروژن حاصله به 1.2 میلیون تن آمونیاک تبدیل می شود. شرکت (Air product) مبلغ 2 میلیارد دلار نیز بر روی سیستم توزیع آمونیاک سرمایه‌گذاری می کند تا در راستای عرضه ی آن در دپوهای اتوبوس و کامیونهای سوخت هیدروژنی چندکشور منتخب برای فعالیت 15 هزار دستگاه از این گونه خودروهای جاده‌ای، مورد استفاده قرار گیرد.

برآورد مقدار مصرف انواع سوخت در صنعت کشتیرانی جهانی طی 25 سال آتی در تصویر زیر نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه می شود میزان سوخت دیزل در سال 2050 به کمتر از نصف تقلیل خواهد یافت و در این رابطه مصرف سوختهای آمونیاک و هیدروژن دست بالا را خواهند داشت. پیش بینی می شود که از سال 2044 کلیه ی کشتی های جدید بر اساس سوخت آمونیاک ساخته شوند.

طی این مدت چند مانع بزرگ فناوری و مسائل ایمنی بر سر راه دستیابی به اهداف مزبور است که مقدمتاً باید مرتفع شوند:

• تجهیز کشتی به سیستم تهویه و جذب سریع گاز آمونیاک (که برای ریه ها خطرناک است).
•  طراحی موتورها و پیلهای سوختی قدرتمند.
•  احداث زیرساختهای وسیع ذخیره‌سازی توسط متصدیان بنادر و تأمین کنندگان سوخت در راستای  تسهیل در سوختگیری کشتیهای پهلوگرفته در کنار اسکله‌ها.
•  سرمایه‌گذاریهای سنگین برای ایجاد ظرفیت تولید آمونیاک سبز از انرژیهای تجدیدپذیر برای هزاران کشتی پرمصرف.

موارد یاد شده ی بالا جملگی قابل دستیابی هستند. اما گاز آمونیاک باعث تولید دی اکسید نیتروژن (عامل ایجاد بارانهای اسیدی و مضر برای سیستم تنفسی) و همچنین اکسید نیترو (زیانبارتر از گازکربنیک و متان برای جو زمین) می شود. لذا برای رهایی از آنها باید یک نوع کاتالیست سرامیکی (zirconia) بر روی خروجی موتورها نصب شود. راهکار دیگر اینست که آمونیاک برای مصرف در پیل سوختی استفاده شود. ولی هنوز تا دسترسی به فناوری ساخت پیل سوختی بسیار بزرگ (60 مگاواتی) فاصله ی زیادیست.     

وزارت اقتصاد ژاپن در نظر دارد تا سال 2050 ، راهبرد استفاده از 30 میلیون تن آمونیاک برای مصارف داخلی و صنعت کشتیرانی را پایه ریزی کند. هدف میان مدت اینست که مصرف آمونیاک را در دهه 20 میلادی تجاری سازی کند و قیمت این سوخت را به نصف تقلیل دهد. در حال حاضر این کشور یک میلیون تن آمونیاک را در سال مصرف می کند که یک پنجم آن وارداتی است.

امسال یک خط کشتیرانی منظم برای حمل هیدروژن مایع (در دمای بسیار پایین) از کشور استرالیا را به راه انداخته شده است. چند شرکت ژاپنی موضوع تجاری‌ سازی امر استفاده از آمونیاک برای کشتی های حمل آمونیاک را پیگیری می کنند. ضمن اینکه در نظر است که از دوبه ها برای ذخیره‌سازی آمونیاک (به عنوان مخازن شناور) استفاده شود. علاوه بر آن سرمایه‌ گذاری برای ساخت تأسیسات آمونیاک سازی در مالزی با استفاده از انرژی هیدروالکتریک و سپس صدور آن به امارات متحده عربی نیز در حال انجام است.

بیوسوخت مصنوعی برقی (E-Fuel)

دولت ها و شرکت های بزرگ در سراسر جهان همواره به دنبال یک سوخت جایگزین مناسب می گردند. در این بین یک نوع بیوسوخت مصنوعی برقی (Electro-Fuel) یا به اختصار (E-Fuel ) وجود دارد که بر اثر به کارگیری برق گران (حاصل از انرژی تجدیدپذیر) برای تولید هیدروژن وسپس طی فرایندی دیگر در ترکیب با گازکربنیک هوا، سوخت مایعی شبیه به بنزین یا نفت‌گاز ایجاد می گردد که مستقیماً قابل مصرف در موتورهای احتراق داخلی است. روش های دیگری نیز وجود دارد که به کمک آن سوخت مصنوعی برقی از زباله ها تولید می شود.

استفاده از متانول در خودرو و تبدیل آن به هیدروژن در خودروهای هیبریدی برقی و پیل سوختی، ایده‌ایست که اخیراً دو شرکت آمریکایی و دانمارکی (Karma & Blue World Tech.) بر روی آن کار می کنند. این طرح برای رفع موانع فناوری سیستم هیدروژنی و حل مشکلات مربوط به حجم بزرگ مخازن هیدروژن و ساخت شاسی، مطرح شده است.

سوخت مورد نظر آنها متانول (معروف به الکل چوب) است که در هوای آزاد به صورت مایع وجود دارد، و در همه ی جهان یافت می شود. متانول را می توان از بیوتوده، بیوگاز و زباله های شهرداری ها به دست آورد. پس از پُرکردن مخزن 75 لیتری خودرو از متانول، این سوخت در یک دستگاه به هیدروژن تبدیل می شود و بدین وسیله  خودرو می تواند تا 900 کیلومتر را به پیماید.

 اما این نوع خودرو به یک فناوری ویژه برای دمای بالا نیاز دارد تا متانول را به هیدروژن تبدیل کند. مشکل متانول، فرّار و خطرناک بودن مایع است. اگرچه سوخت متانول نسبت به بنزین بهتر است، ولی در مقایسه با خودروبرقی و هیدروژنی در مرتبه ی پایین تری قرار دارد. قرار بود که این ایده در پایان سال 2021 آزمایش شود. قبلا چنین خودروهایی توسط شرکت های دیگر امتحان شده‌ اند. شرکت های بزرگ ب.ام.و. ، تویوتا و هیوندایی در حال سرمایه‌گذاری های میلیون دلاری بابت ساخت خودروهای هیدروژنی هستند، ولی بهره گیری از متانول را به کلی کنار گذاشته‌ اند. قریب 10 سال پیش ولوو به جای بنزین از متانول در خودرو برقی استفاده کرد و سپس به خاطر مقادیر گازکربنیک منتشره، آن را رها کرد. نیسان نیز از اتانول بهره گرفت ولی آن را فقط برای وسایل نقلیه ی بزرگ مناسب تشخیص داد.

در ماه دسامبر سال 2020 شرکت انرژی زیمنس اعلام کرد قصد دارد با شراکت غول صنعت خودروسازی پورشه و چندین شرکت نفتی همچون شرکت انرژی (AME) و (Enel) ایتالیایی و (ENAP) شیلیایی برای اجرای پروژه ی پایلوت در مقیاس صنعتی، نسبت به تولید سوخت  مصنوعی (E-Fuel) اقدام کند. اصولاً انرژی تجدیدپذیر فقط در جاهایی که مورد نیاز است تولید نمی شود، بلکه در مناطقی که منابع طبیعی در مقیاس عظیم وجود دارد، تولید می گردد.  محل اجرای پروژه استان ماژلان در کشور شیلی انتخاب شده که دارای بادهای بسیار قوی برای تولید انبوه برق سبز مورد نیاز این پروژه است. تولید سوخت مصنوعی برقی (E-Fuel) به میزان 130 هزار لیتر تا سال 2022 و 55 میلیون لیتر تا سال 2024 و 550 میلیون لیتر تا سال 2026 برنامه‌ریزی شده است. 

شرکت زیمنس در رابطه با راهبرد آلمان برای تولید هیدروژن، با وزارت امور اقتصادی و انرژی کشور همکاری کرده و در این راه مبلغ 8 میلیون یورو سرمایه‌ گذاری نموده است. پورشه نیز طی یک دهه گذشته بر ساخت خودروهای برقی متمرکز بوده است. اما مدیر شرکت بر این عقیده است که سوخت مصنوعی برقی (E-Fuel)  دارای این مزیت است که اولا استفاده از آن آسان می باشد. ثانیا جایگزین مناسبی برای موتورهای درون سوز است و در خودروهای هیبریدی سوختی- برقی کاربری خوبی دارد. ثالثاً سوخت مصنوعی برقی (E-Fuel) را می توان در پمپ بنزین های متعارف مورد استفاده قرار داد. البته سوخت مصنوعی برقی (E-Fuel) برای همه موتورهای بنزینی قابل استفاده نیست  و باید اصلاح شود، کاری که هم اکنون پورشه در حال انجام آن است.

در سال 2019، صنعت خودروسازی برقی 162.34 میلیارد دلار ارزش گذاری شد. برآورد می شود که با احتساب نرخ رشد سالانه مرکب به میزان 22.6 درصد، ارزش آن در سال 2027 به مبلغ 802.81 میلیارد دلار بالغ گردد. اما ممکن است که شکل صنعت با عرضه ی این نوع سوخت کم کربن به کلی دگرگون شود. استفاده از سوخت مصنوعی برقی (E-Fuel) برای خورروهای مسافری به توان تولید کنندگان سوخت مزبور و سازندگان خودروها برای مجاب کردن تنظیم‌ گرهای ملی در مورد ایمنی و بازدهی آن بستگی دارد. بسیاری از متخصصان این رشته بر این باورند که به دلیل تبدیل چند مرحله ای در جریان تهیه ی بیوسوخت مصنوعی برقی (E-Fuel) ، بازدهی آن نسبت به رقیب برقی کمتر خواهد بود. با عنایت به منشأ برق سبز، میزان کربن موجود در سوخت مصنوعی برقی (E-Fuel)، 90 درصد کمتر از سوخت فسیلی است. زیمنس و پورشه در رقابت با خودرو برقی تا یک دهه دیگر بر روی سوخت مصنوعی برقی (E-Fuel) سرمایه‌ گذاری سنگینی می کنند و فقط زمان می تواند برنده این مسابقه را نشان دهد.

مرسک یکی از برزگترین شرکت های کشتیرانی جهان در نظر دارد که پیشران های 8 فروند از کشتی های عظیم کانتینری خود را به صورت دوگانه سوز ( متانول ونفت گاز کم سولفور) بسازد. این کشتی ها که هر یک به سرمایه‌ گذاری 175 میلیون دلاری نیاز دارند، تا سال 2024 توسط صنایع سنگین هیوندایی ساخته خواهند شد.

اخیراً یک شرکت دانمارکی سازنده پره های بزرگ توربین بادی در انگلیس با استفاده از علف و جو روئیده در سواحل جنوبی کشور، بیوگازی تولید می کند که برای انرژی مصرفی ساخت توربین ها، مورد استفاده قرار می گیرد. علف و جو توسط آنزیم هایی به بیوکود و بیوگاز تبدیل می شود. محصول بیوکود در همان مناطق برداشت علف و جو پاشیده می شود و محصول بیوگاز بابت تولید حرارت در واحدهای تولید برق به کار برده می شود. تأسیسات تولید بیوگاز برای تولید 80 درصد برق مصرفی کارخانه و 1200 منزل اطراف آن کفایت می کند. بدین ترتیب یک چرخه ی اقتصادی مؤثر پاک در منطقه ایجاد می شود.

اخیراً کشور انگلیس راه میانه ای را برگزیده است. با افزودن 10 درصد اتانول به سوخت بنزینی E5 استاندارد اروپایی و تبدیل آن به E10 ، به سبزترین سوخت اروپا دست یافته است. اتانول از تخمیر میکروارگانیزمهای قندی و نشاسته ای گیاهان تولید می شود. در انگلیس جلبک های دریایی فراوانی برای این منظور وجود دارند.

اما این سوخت مخالفان سرسختی هم دارد. آنها بر این باورند که اولاً در اروپا میزان فروش خودروهای برقی دارای پیشران باتری در سال 2021 به صورت انفجاری رشد داشته و اکثر خودروسازان در نظر دارند که از سال 2030 فقط خودروهای برقی تولید کنند. بنابراین جایی برای مصرف بیوسوخت مصنوعی برقی باقی نمی ماند. اولین سئوال اینست که چرا به جای کربن‌زدایی از موتورها، از سوخت کربن‌ زدایی می شود؟ دعوی اصلی طرفداران این نوع سوخت اینست که هیدروژن حاصل از برق تجدیدپذیر همراه با جذب گازکربنیک به سوختی مبدل می شود که به لحاظ آلایندگی خنثی یا حتی مثبت است. زیرا میزان آلایندگی آن به لحاظ اکسیدهای نیتروژن (NOx) همتراز با موتورهای احتراق داخلی است. اما در یک آزمایش مستقل نتایج نه چندان امیدوارکننده ای از کاربری این نوع سوخت حاصل گردیده است.

 در یک آزمایش ویژه، سطح آلایندگی سه نوع سوخت مصنوعی برقی که سازگار با موتورهای احتراق داخلی بودند، بر روی خودرو بنز کلاس A180 امتحان شد. میزان آلایندگی اکسیدهای نیتروژن شبیه سوختهای فسیلی و فراتر از استاندارد استاندارد اروپایی E10 گردید. ولی میزان "ذرات" آلاینده به طرز فاحشی کمتر از مشابه سوخت فسیلی بود. تعداد ذرات آلاینده بزرگتر از 10 نانومتر به میزان 80-85 درصد و سطح آلاینده های ریزتر از آن کمتر بود. منواکسیدکربن 1.2 تا 1.5 برابر سوخت فسیلی گردید.

بالاترین میزان تولید آلایندگی درست پس از روشن کردن خودرو (و معمولاً در مناطق مسکونی) رخ می دهد. میزان هیدروکربن بین 23 تا 40 درصد کمتر بود. میزان انتشار گازکربنیک در شروع به کار خودرو به خصوص در هوای سرد دوبرابر شد. بدین ترتیب نتیجه گرفته شده که در مقایسه با سوختهای فسیلی، به جز ذرات آلاینده، در بعضی موارد شبیه و در برخی دیگر حتی ضعیف‌تر بوده است. البته بسیاری تفسیر این نتایج را بسیار بدبینانه تلقی می کنند. زیرا پس از گرم شدن خودرو، میزان آلایندگی ها ملاک سنجش است.

در این حالت گازکربنیک ایجاد شده شبیه به سوختهای فسیلی است. با این تفاوت که در تولید این نوع سوخت، ابتدا حجم بزرگی از گازکربنیک جذب می گردد و در نتیجه سرجمع تولید گازهای گلخانه ای آن، حدود 90 درصد کمتر از سوخت های فسیلی است که هدف اصلی کنونی معاهدات بین المللی بابت کاهش گازهای گلخانه‌ ای است.     

* مشاور انجمن صنفی شرکت‌های حمل و نقل ریلی و خدمات وابسته

(این نوشتار ادامه دارد)