Солнечные панели над полями помогут производить «зеленые» азотные удобрения
Руководители российского и индийского коллективов проекта на агривольтаической даче.
© Наталья Семенова / МГТУ имени Н.Э. Баумана
Ученые предложили экологичную технологию производства аммиака — компонента азотных удобрений. Для синтеза этого вещества авторы планируют использовать электричество, вырабатываемое солнечными панелями, установленными прямо над сельскохозяйственными полями. Разработку можно будет применять на фермах и в небольших поселениях, чтобы снизить зависимость от поставок удобрений из крупных городов и уменьшить вред экосистемам, который наносят стандартные технологии производства аммиака. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International Journal of Hydrogen Energy.
В сельском хозяйстве широко используются удобрения, содержащие аммиак — вещество, которое служит для растений источником азота (элемента, необходимого для роста и развития). На производствах аммиак получают из атмосферного азота и водорода. Эти газы нагревают до 350–450°C при высоких давлениях и в присутствии катализатора («ускорителя» реакции). При этом водород, необходимый для реакции, обычно добывают из природного газа, и этот процесс сопровождается выбросами углекислого газа в атмосферу. Поэтому ученые ищут способ сделать производство азотных удобрений более экологичным.
Исследователи из Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана (Москва), Российского транспортного университета (Москва) и Технологического института Веллора (Индия) предложили получать водород для синтеза аммиака не из природного газа, а более экологичным путем — из воды. Для этого воду нужно разложить методом электролиза, то есть с помощью электрического тока. Согласно разработанному авторами подходу, электричество для разложения воды можно генерировать прямо на сельскохозяйственных полях с помощью солнечных панелей.
«Сама концепция использования сельскохозяйственных земель не только для выращивания растений и выпаса скота, но и для установки "зеленых" источников энергии (в том числе солнечных панелей), называется агривольтаикой. Согласно исследованиям, в частности, подготовленному нами обзору, солнечные панели над полями служат своего рода "щитом" для угодий: они защищают растения от перегрева, уменьшают испарение влаги и замедляют эрозию почв из-за ветров. Это позволяет повысить урожайность некоторых культур, например винограда, в 1,7–2,8 раза», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Егор Локтионов, кандидат технических наук, заведующий лабораторией «Зеленая энергетика» МГТУ имени Н.Э. Баумана.
В процессе работы такие солнечные батареи вырабатывают избыточную электроэнергию, которую авторы предложили направлять на полевые установки для разложения воды и получения водорода. Затем этот водород можно объединить с азотом (получаемым проще — прямо из воздуха) и тем самым синтезировать аммиак.
Авторы разработали экономическую модель, которая описывает все финансовые затраты и выгоды от использования предложенной технологии. При этом ученые провели расчеты для двух стран с развитым сельским хозяйством — России и Индии. Кроме того, исследователи оценили экономическую выгоду от производств разных масштабов: получающих от 0,1 до 150 тонн аммиака в год.
Оказалось, что малые установки мощностью до 3 тонн в год себя не окупают: затраты на них слишком высоки, а основным источником дохода становится продажа электроэнергии от солнечных панелей, а не удобрение. Ситуация меняется при увеличении производства до 150 тонн в год. В этом случае себестоимость аммиака приближается к рыночной цене. Для России проект станет выгодным, если государство и инвесторы будут готовы поддержать строительство солнечных станций, например, компенсировать часть затрат или дать кредит под льготный процент. В Индии дополнительная поддержка почти не нужна: там много солнца, панели вырабатывают больше энергии, а значит, и затраты на производство аммиака ниже.
«Важное преимущество новой технологии состоит в том, что она экологична. Поскольку водород производится с помощью электролиза, а электричество для этого процесса поступает от солнечных панелей, выбросы парниковых газов в процессе производства сводятся к нулю. Кроме того, использование предложенного подхода позволяет производить аммиак практически где угодно и не из природного газа, а из воды и воздуха, не зависеть от цен на удобрения и поставок аммиака извне, ведь не в каждой стране есть заводы по его производству. В дальнейшем мы планируем разрабатывать и другие способы использования энергии от солнечных батарей непосредственно в угодьях для интенсификации сельского хозяйства и учитывать их в вариантах внедрения агривольтаики с помощью создаваемого в рамках данного проекта ИИ-сервиса», — подводит итог Егор Локтионов.