Непосредственным поводом к этой статье стало известие о том, что ученые снова присматриваются к Мезенской губе Белого моря. Губа эта отличается очень высокими приливами, почти 10 метров, с очень большим гидроэнергетическим потенциалом порядка 19-20 ГВт. Для сравнения, установленная мощность всех электростанций в России составляла в конце 2021 года 246,5 ГВт. Впрочем, присматриваются они не для укрепления отечественной энергосистемы, а для того, чтобы производить «зеленый» водород и экспортировать его. В общем, ради модной ныне темы.
На мой взгляд, тема водорода будет модной и прогрессивной до тех пор, пока водород не покажет свой скверный нрав и не бахнет. Хотя, в некоторых видах транспорта, таких как крупные суда или железнодорожные локомотивы, где можно обеспечить надлежащий контроль над водородом, это вполне может прижиться и использоваться. Водород в больших количествах также был бы очень полезен для металлургии, в особенности черной, поскольку водород — отличный восстановитель металлов из оксидов, к примеру, железа из железной руды, лучше чем кокс.
Впрочем, речь сейчас не о водороде. Вообще, трудно понять, почему все так уперлись в этот «зеленый» водород. Есть ведь и другие варианты использования возобновляемых источников энергии, и среди них производство азотной кислоты.
Электродуговой, или вернее электрогазовый метод получения диоксида азота, который, растворяясь в воде, обращался в азотную кислоту, довольно широко использовался в первой трети ХХ века, но потом был вытеснен аммиачным методом. Причина состояла в довольно высокой энергоемкости электрогазового способа получения, доходившей до 70 тысяч квтч на тонну. Синтез аммиака, несмотря на применение больших колонн синтеза, высокого давления и высокой температуры, в части расхода энергии был экономичнее. Электрогазовый способ применялся в основном в Норвегии, где была развита гидроэлектроэнергетика. Но даже в таких условиях производство азотной кислоты было столь энергозатратным, что стоило подумать, не пустить ли электроэнергию, например, на выплавку алюминия.
С тех пор в специальной литературе прочно укрепилось мнение, что электрогазовый способ невыгоден. Это стало догмой. Исследователи с тех пор попробовали много всяких методов, включая плазму и окисление азота в атомном реакторе, но побить аммиачный способ не смогли.
Кроме высокого расхода электроэнергии старый электрогазовый способ был сложен в аппаратном оформлении. Он требовал мощных печей, с футеровкой, поскольку печь сильно нагревалась дугой, охлаждаемых электродов, электромагнитов, сложного регулирования растягиваемой электромагнитным полем дуги, мощных воздуходувок. Этот способ не был ни простым, ни легким.
Однако, мой интерес к этой теме подстегнуло одно видео. В нашей стране самодельщики с тягой ко всяким экспериментам, однажды сделали такой фокус. В перевернутую стеклянную банку устанавливались электроды, подключенные к сварочному конвертеру. Зажигалась дуга и через буквально пару минут в банке возникал характерный рыжий дым — образовывался диоксид азота. От этого возникла мысль, что установка по получению диоксида азота вовсе не обязательно должна быть большой. Наоборот, она может быть маленькой, миниатюрной, что-то вроде колбы с электродами внутри. Таких колб может быть десятки, сотни и тысячи, процесс в них идет одновременно, диоксид азота из колб откачивается и барботируется в воду. Постепенно вода превращается в раствор азотной кислоты, которую затем можно обогатить. Источник тока — ветряк, солнечная панель или небольшая ГЭС.
В старых публикациях обнаружились еще более интересные сведения. Оказывается, еще в 1936 году советские химики делали эксперименты с получением диоксида азота в тлеющем разряде, как в газоразрядных лампах дневного света. Через газ под низким давлением в 0,2 атмосферы, пропускался электрический разряд. Азот окислялся и превращался в диоксид. Мощность установок была ничтожной, самая маленькая была всего 70 ватт — как у лампочки. На киловатт час израсходованной электроэнергии образовывалось порядка 15 грамм диоксида азота. Правда, чтобы сжечь столько электроэнергии, требовалось 14 часов работы.
Получился интересный результат, который до промышленности так и не дошел. Вакуумная техника тогда только зарождалась, явно не хватало автоматики для управления процессом, а с ручным контролем все это получалось экономически невыгодным. Но теперь это становится технически достижимым, поскольку появились компактные вакуум-насосы, электроклапаны, датчики, появилась возможность управлять процессом компьютером, то есть полностью его автоматизировать.
Можно создать синтез-колбу, в которой поддерживается низкое давление, и в которую подается порция воздуха. Потом подается ток, возникает тлеющий разряд. Образовавшийся диоксид азота оседает в нижней части колбы, откуда его можно откачать в емкость для сжижения или в емкость с водой. Колба получается периодического действия. Несколько сотен таких колб объединяется, смотря по мощности, в установку, которая подключается к ветряку или гидроагрегату. В основном установка работает автоматически, нужно лишь периодически выгружать образовавшуюся азотную кислоту и отвозить ее на обогащение.
Арифметически получается расход энергии порядка 66 тысяч квтч на тонну диоксида азота. Однако, при такой конструкции используется источник тока, который вообще не имеет никакого промышленного значения. Такие установки могут быть полностью автономными и работать тогда, когда есть выработка, если используется ветряк или солнечная панель.
Себестоимость возобновляемых источников энергии невысока, для ГЭС она составляет около 0,2 рублей за квтч, для ветровых электростанций — 0,6-0,8 рублей за квтч. Тонна азотной кислоты требует 650 кг диоксида азота, то есть из тонны диоксида азота получается 1,5 тонны кислоты. Стоимость кислоты колеблется от 55 тысяч рублей за тонну оптом до 188 тысяч рублей в розницу. Себестоимость продукции по диоксиду азота — 13,2 тысяч рублей для гидроэнергии и 52,8 тысяч рублей для ветровой. В принципе, при должной отладке технологии процесс получается экономически выгодным, даже при арифметически большом расходе электроэнергии.
Для Сибири можно предложить бизнес такого рода: мини-ГЭС на многочисленных реках и установка по производству азотной кислоты при нем. Несколько десятков таких объектов объединяются заводом по окончательной обработке раствора азотной кислоты и получению готовой продукции.
Не скрою, что этот проект вырабатывался в первую очередь для военно-хозяйственных нужд и адаптировался к условиям, когда производство азотной кислоты по аммиачному способу невозможно. Тогда подобного рода установки решают проблему, что имеет очень большое значение, поскольку ни пороха, ни взрывчатку без азотной кислоты произвести нельзя. При этом, конечно, у нее есть обширная сфера мирного применения, которую трудно даже обозреть. Была бы кислота по сходной цене, а уж на что ее применить — это всегда можно придумать.
