Азотное топливо как альтернативное, возобновляемое и экологически чистое моторное топливо

В мире нарастает напряженность в части использования углеводородного топлива для транспорта. Углеводородное топливо является не возобновляемым природным ресурсом. Эксперты оценивают максимальный пик производства природных углеводородов в районе2025 г, а через 40-45 лет резкое падение добычи нефти, через 60 лет – падение добычи природного газа. При этом эра дешевой нефти уже закончилась, добыча нефти из глубоких пластов, необходимость извлечения высоковязкой нефти, добыча на шельфе морей и океанов, применение технологий глубокой переработки, все это приводит к росту стоимости углеводородного топлива. Стремительный рост мирового парка автомобилей без качественного изменения конструкции двигателей приводит к росту загрязнения атмосферы городов токсичными газами. Большая доля углерода в углеводородном топливе обуславливает большие выбросы диоксида углерода как парникового газа с негативным проявлением этого процесса на изменение климата Земли.

В настоящее время ведутся активные работы по получению альтернативных видов энергии. Причем, наиболее остро стоит вопрос получения альтернативных моторных топлив для транспорта. Развивается производство биоэтанола как заменителя бензина (в чистом виде или в смеси) для искровых двигателей. Биоэтанол получают методом дрожжевого сбраживания сахаросодержащего или крахмалосодержащего растительного сырья. Заменителем дизельного топлива являются растительные масла (рапсовое, арахисовое, пальмовое и т.п.), или производные продукты переработки растительных масел (метиловый или этиловый эфир). Как биоэтанол, так и биодизель получают из пищевого сырья. Производства биотоплив уже сегодня достигло 35 млр. л в год и планируется его постоянное увеличение. При этом возникает конфликт «топливо или продукты питания» за счет использования пищевых продуктов для производства биотоплива и изъятия пахотных площадей для их выращивания. В Бразилии под сахарный тростник отведено 1,7 млн. га плодородных земель. В США, где биоэтанол производят из кукурузы, цены на кормовые культуры уже поднялись в два раза, что тянет за собой повышение цен на мясные продукты, причем в США прогнозируется в ближайшее время на производство биоэтанола использовать 50% выращенной кукурузы. В Европе растет производство биодизеля из рапса, что соответственно влечет отвод земель под эту культуру, вытесняя производство пищевого сырья. В настоящее время производство биодизеля достигло 3,5 млр. л в год, при этом только в странах Европы годовое производство биодизеля превышает 2 млн. т.

В ряде стран перспективным направлением альтернативного топлива считается водород. Уже создается водородная инфраструктура, введены в действие серия водородных заправок, ряд автомобильных фирм выполнили серию водородных автомобилей и проводят их дорожные испытания, предоставляя их для эксплуатации, в основном, государственным муниципальным службам, благодаря чему накапливают опыт эксплуатации водородных автомобилей.

Водород получают электролизом воды, что требует большого расхода электроэнергии. В вопросе получения и использования водорода, кроме большого расхода электроэнергии на технологию получения водорода электролизом воды, имеется ряд проблем. Это в основном сложность и высокая цена систем хранения водорода на транспортных средствах, применяются системы высокого давления хранения сжатого водорода, криогенные системы хранения сжиженного водорода, металлогидратные системы, основанные на адсорбции водорода гидратами некоторых металлов. Все эти системы сложные, дорогие. Другой проблемой использования водорода является высокая текучесть газообразного водорода и его взрывоопасность в смеси с кислородом воздуха.

В ракетно-космической технике используются системы, в которых горючий компонент (чаще всего водород) и окислитель находятся в связанной форме в виде отдельных компонентов (горючего и окислителя – двухкомпонентные топлива, оба компонента в жидком виде), либо как монотопливо или унитарное топливо в виде твердого смесевого состава (твердотопливные энергоносители или пороха).

Такие энергоносители обладают высокой способностью энерговыделения за счет быстрого газораспада при иницировании реакции (искрой, детонацией или т.п.), выделения водорода и кислорода в свободном виде и последующего их окисления с получением потенциальной (давление вновь полученных газов) и тепловой (высокая температура газов) энергии. Однако известные бинарные или унитарные энергоносителя, используемые в ракетно-космической технике, пожароопасны, взрывоопасны, токсичны.

Исследованиями установлено, что некоторые крупнотоннажные продукты азотной промышленности могут быть с успехом использованы как компоненты новых видов унитарных топлив. В частности, такими веществами могут быть аммиачная селитра (NH₄NO₃ – окислитель) и карбамид (или мочевина CO(NH₂)₂ – малокалорийное горючее вещество), которые производят заводы азотной отрасли промышленности десятками миллионов тонн в год для использования, в основном, как удобрений в сельском хозяйстве. Эти вещества образуют легкоплавкие смеси, легкорастворимые в воде и спиртах, что увеличивает технологичность их использования. Более того, промышленность производит водный раствор смесей этих вещества, так называемый раствор КАС. Водный раствор КАС непожароопасен, невзрывоопасен, не токсичен (4-й класс опасности – малотоксичное вещество). Но концентрированные растворы вблизи стехиометрической пропорции (80% аммиачной селитры и 20% карбамида) в условиях повышенной температуры (более 300^оС) под давлением в присутствии катализаторов реагируют экзотермически с высоким газообразованием по реакции   3NH₄NO₃ + CO(NH₂)₂ = 8H₂O + 4N₂ + CO₂ .

По энерго- и газовыделению отмеченная композиция веществ, представляющая собой азотное топливо, близка к пироксилиновому пороху. Продукты газораспада содержат в основном водяной пар, молекулярный азот и диоксид углерода, т.е. представляют собой нетоксичные газы. Причем диоксида углерода выделяется во много раз меньше, чем при сгорании углеводородного нефтяного топлива.

Азотное топливо обосновано теоретически, исследовано в лабораторных условиях и испытано на макетном образце промышленной установки с положительными результатами.

По действующим мировым ценам на продукты азотного синтеза азотное топливо будет в 2-3 раза дешевле аналогичного по энергоемкости углеводородного топлива нефтяного происхождения.

В настоящее время синтез азотных компонентов для производства азотного топлива производится и с использованием в качестве сырья природного газа. Природный газ – ископаемый не возобновляемый ресурс. При применении технологии получения водорода электролизом воды при использовании возобновляемых источников электрической энергии от ГЭС, ВЭС, ФЭС, а также получении первичной фиксации азота в виде его оксидов при использовании электрохимических технологии (плазменная технология «сжигания воздуха», а также получении диоксида углерода за счет сжигания возобновляемой биомассы - соломы злаковых культур) технология производства азотного топлива становится полностью возобновляемой как по сырьевым материалам (воздух, вода, возобновляемая биомасса), так и по потребляемой энергии от возобновляемых источников энергии (ГЭС, ВЭС, ФЭС). Производство и потребление азотного топлива в таком случае полностью соответствует природному круговороту азота, водорода, кислорода.