Кратко и по существу — сравнение по экологии и экономике.
Короткая стехиометрия и энергетика (важно для оценки):
- Реакция: $N_2+3H_2\to 2N{H}_3$.
- На $1\mathrm{t}$ аммиака требуется $\frac{10^6}{17}\cdot 1.5\approx 88235\text{моль}{H}_2$ → масса $m_{H_2}\approx 176.5\mathrm{kg}$.
- Водный расход при электролизе: $m_{H_2}\times 9\mathrm{g}{\mathrm{H}}_2/g{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\approx 1.6{\mathrm{m}}^3/t\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$.
- Электроэнергия для производства H${}_2$ электрохимически: типично $\sim 50\text{–}55kWh/kg{\mathrm{H}}_2$ → энергоёмкость для H${}_2$ на 1 т NH${}_3$: $\sim 8,8\text{–}9,7MWh/t$. Полная энергоёмкость промышл. Haber–Bosch обычно оценивается как $\sim 8\text{–}12MWh/t$.
Экологическая устойчивость
- Традиционный Haber–Bosch на водороде из SMR (паровой риформинг метана):
- Прямые выбросы CO${}_2$ обычно $\sim 1.6\text{–}2.0\mathrm{t}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2/t\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ (зависит от эффективности и топлива).
- Если используется уголь — существенно выше.
- При CCS («blue ammonia») можно снизить выбросы примерно на $\sim 60\%\text{–}90\%$ в зависимости от эффективности улавливания.
- Электролитические/каталитические (green ammonia / прямое электрохимическое восстановление N${}_2$):
- При использовании возобновляемой электроэнергии потенциально почти нулевые прямые выбросы: $\approx 0\mathrm{t}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2/t$ (плюс эмиссии, связанные с производством оборудования и сетью).
- «Зелёный» путь требует много электроэнергии; эмиссии зависят от углеродной интенсивности электричества.
- Прямое электрохимическое восстановление N${}_2$ (eNRR) сегодня имеет низкие Faradaic‑эффективности и низкие плотности тока → практические выходы и реальные выбросы на коммерч. масштабе пока неопределены.
Экономическая устойчивость (CAPEX/OPEX, чувствительность к цене электроэнергии)
- Haber–Bosch (SMR‑H${}_2$):
- Низкая себестоимость при дешёвом природном газе; типичные рыночные цены «серого» аммиака до недавнего времени были примерно $\$200\text{–}300/\mathrm{t}$ (зависит от региона и цен на газ).
- Низкий CAPEX на тонну производительности по сравнению с электролитическими схемами; выгоден крупным централизованным заводам.
- Уязвим к цене газа и углеродным налогам/ценам на CO${}_2$.
- «Зелёный» аммиак (электролиз H${}_2$ + HB или электрохимич. синтез):
- Основной операционный расход — электроэнергия: $Cos{t}_{elec}=E\cdot p_{elec}$, где $E$ — энергоёмкость ($\sim 8,8\text{–}9,7MWh/t$), $p_{elec}$ — цена электроэнергии. Например, при $E=9,000kWh/t$ и $p_{elec}=\$0.03/\mathrm{kWh}$ получаем $Cos{t}_{elec}\approx \$270/\mathrm{t}$.
- При этом добавляются амортизация электролизёров и O&M → текущая оценка уровня стоимости зелёного аммиака часто в диапазоне $\$500\text{–}1000/\mathrm{t}$ (зависит от стоимости капитала и электричества). При низких ценах на электроэнергию ($\sim \$0.02\text{–}0.03/\mathrm{kWh}$) и снижении CAPEX возможно сравнение с «серым» аммиаком — LCOA может опуститься к $\sim \$300\text{–}400/\mathrm{t}$.
- Прямой электрохимический синтез (eNRR, каталитические низкотемпературные процессы) потенциально уменьшит количество энергоёмких стадий (без выделенного H${}_2$), но на сегодня: высокая CAPEX/пока низкая энергетическая эффективность → экономически не конкурентен в коммерции.
Практические факторы и масштабирование
- Масштаб и инфраструктура: Haber–Bosch эффективен при больших масштабах, требует стационарной непрерывной работы; электролизаторы и модульные установки легче масштабировать по точкам и ставить рядом с источником возобновляемой энергии или потребителем.
- Гибкость: электролитические процессы более гибки к колебаниям генерации ВИЭ; Haber–Bosch менее приспособлен к частым циклам пуска/остановки.
- Зависимость от материалов: электролиз требует критичных материалов (электролитические мембраны, катализаторы), что влияет на CAPEX и устойчивость цепочек поставок.
- Технологические риски: прямые каталитические/электрохимические методы находятся на стадиях НИОКР; коммерческая надёжность и долговечность ещё не подтверждены.
Вывод (сводка)
- Экология: при использовании возобновляемой электроэнергии электролитические/каталитические подходы принципиально лучше (практически нулевые прямые CO${}_2$). Haber–Bosch на SMR — высокие выбросы, CCS может сильно снизить, но не полностью устранить эмиссии.
- Экономика: сегодня Haber–Bosch с SMR обычно дешевле; «зелёный» NH${}_3$ дороже при текущих ценах на электроэнергию и CAPEX, но при дешёвой ВИЭ и снижении стоимости электролизёров сценарии конкурентоспособности реалистичны в горизонте нескольких лет–десятилетий. Прямые электрохимические каталитические маршруты перспективны, но требуют прорывов по эффективности и долговечности для коммерции.
- Практическая рекомендация: в переходный период — сочетание мер: повышение энергоэффективности HB, применение CCS («blue»), локальное «зелёное» производство в местах дешёвой ВИЭ и ускоренная демонстрация новых электрокаталитических технологий.
Если нужно, приведу более точные численные расчёты LCOA при заданных параметрах: $E$, $p_{elec}$, CAPEX\) и др.