Двигатели на аммиаке – уже делают

В минувшем году в масс-медиа проскочило сообщение о разработке и постройке китайскими специалистами из GAC автомобильного двигателя, работающего на аммиаке. Был продемонстрирован агрегат объемом 2 л, развивающий 163 л. с. Представитель компании заявил, что проблема, связанная с трудным сгоранием аммиака «преодолена» и данное вещество может быть «ценным» для «коммерческого использования».


Однако о комплектовании такими ДВС продукции концерна ничего сказано не было. Видимо, на то есть серьезные причины. И все же тема применения аммиака в роли топлива нет-нет, да и поднимается. Стоит подробнее разобраться с этим соединением, содержащим «популярный» на планете азот и водород.

История использования

Самая распространенная сфера применения вещества – сельское хозяйство. Когда в мире стали иссякать природные запасы удобрений в виде натуральных нитратов, гуано, резко возникла необходимость в дешевом катализаторе хороших урожаев. «Джина из бутылки» выпустили химики Габер и Бош, предложившие недорогой метод получения нужного вещества путем соединения азота и водорода под давлением. За что им и вручили Нобелевскую премию.


В быту это вещество мы видим в роли отбеливающих составов, нашатырного спирта, удобрения для огорода. Ну а как же насчет топлива? Идея не нова: еще в 1943-м году, в самый разгар Второй мировой войны бельгийцы из-за отсутствия дизельного горючего заливали в баки автобусов смесь аммиака и газификаторов. На гибридном топливе общественный транспорт наездил 10 тыс. км.


Другую попытку применения этого вещества в качестве одного из компонентов горючего предприняли в Южной Корее уже в наше время: в 2013-м году. Тогда не было цели сделать полностью «аммиачный» автомобиль. Просто решили его переделать так, чтобы роль горючего играла смесь из 30% бензина и 70% описываемого соединения. Это позволяло сохранить существующую топливную аппаратуру – доработки были минимальными. Но здесь корейцы тоже не были первыми.


По заявлению разработчиков выбросы углекислого газа наружу уменьшились на 70%. Если подобной смесью заправлять хотя бы пятую часть автомобилей в Южной Корее, засорение атмосферы парниковыми газами (аммиак их не выделяет) сократилось бы на 15% за год. Однако на этом все затихло. Создатели нового ДВС мотивировали это тем, что данное соединение слишком дорого, но они «работают над этим». Чем же привлекателен аммиак для автомобильной отрасли?

Преимущества

Их достаточно много и первое кому-то покажется неожиданным. Аммиак может служить идеальным хранилищем для водорода, который играет роль топлива. Перед использованием он должен находиться в резервуарах при температуре в -253°С под давлением. В то время, как аммиак хранится при -33°С.


Последний уже сто лет применяется в мировом сельском хозяйстве, поэтому инфраструктура, связанная с выпуском и транспортировкой продукта, благополучно существует. Объем производства на планете составляет 180 млн т. В 120-ти портах есть соответствующие терминалы.


Второй плюс – энергетическая плотность. У сжиженного водорода данный показатель находится на уровне 8,5 МДж/л. А у натрий-азотного соединения эта цифра составляет 12,7 МДж/л. Если сравнивать с литий-ионными аккумуляторами, которые стоят в электрокарах, то этот параметр у аммиака выше девятикратно. Он хуже воспламеняется, чем бензин или авиационный керосин, но сравнительно экономичнее. Если говорить о ДВС, здесь тоже есть интересная особенность аммиака – его детонационная устойчивость. Октановое число равно 130 (исследовательский метод).


И главное достоинство этого химического соединения заключается в его экологической безопасности. Применение аммиака в ДВС позволит сократить вредные выбросы углекислоты, которые «обеспечивают» более миллиарда автомобилей, колесящих сегодня по планете. А как же насчет недостатков?

Отрицательные стороны

К ним относится хорошо всем известный резкий запах соединения. Он может раздражать слизистую рта и носа, дыхательных путей, вызывать кашель. С другой стороны, это помогает моментально обнаружить утечки аммиака даже без всяких приборов. Если же говорить о вреде здоровью, он «лучше», чем метанол в четыре раза. И все же для людей и окружающей среды аммиак токсичен. Если предстоит его использовать в ДВС, герметизация должна быть идеальной.


Другой минус заключается в агрессивности вещества, т. к. оно обладает щелочными свойствами. Аммиак попросту уничтожит все медные, бронзовые, резиновые детали в двигателе. Еще одна проблема – плохое воспламенение. Это решается путем добавления в соединение ацетилена или водорода. Если аммиак будет применяться в дизелях, то степень сжатия придется увеличивать до 35-ти, а температуру во впускном коллекторе – до +150°.


Впрочем, можно сохранить и привычные параметры. Но тогда придется добавлять присадки (диметилгидразин, амилнитрат), которые понизят степень сжатия до 12-14. Еще одна проблема заключается в том, что аммиак не сгорает полностью: в выхлопных газах могут содержаться токсичные вещества. Поэтому понадобится система доочистки.


Лучший вариант – найти дешевый катализатор, который поможет соединению (оно будет играть роль носителя) разложиться на азот и водород, а уже потом использовать последний в качестве топлива. Это возможно уже сегодня. Но роль помощника для расщепления играют соединения иридия, а это очень дорого.

Перспективы

На нынешний момент производство аммиака достигло внушительных масштабов. Если в деньгах, то мировой рынок этого продукта к 2025-му году оценивается в 81,42 млрд долларов. Массово строить авто с ДВС, работающими на аммиаке, пока никто не хочет. Главное препятствие – опасность вещества для людей и природы из-за ограниченного пространства в городах. Другое дело – корабли: океанские и морские просторы помогут улетучиться вредным соединениям. В практическом плане MAN Energy Solutions совместно со специалистами из Южной Кореи уже строят танкер, силовая установка которого будет работать на аммиаке. От них не отстает Норвегия: компания Equinor переводит на это топливо судно Viking Energy. Работы должны быть завершены в этом году.


Япония «смотрит туда же»: в 2020-м компания NYK Line заявила, что в ее планах – постройка корабля, двигатель которого будет работать на аммиаке. Что касается использования соединения в авиации, то идея пока находится на исследовательском этапе, хотя в 1960-е, как уже говорилось, попытки были, причем небезуспешные.


Широкомасштабное использование в ДВС чистого аммиака пока не представляется возможным. Соединение может применяться, как носитель другого вида топлива – водорода или в виде дополнения к бензину, солярке. Исследования на тему использования аммиака в автомобильных ДВС продолжаются во всем мире – остается ждать результатов.