Учёные и инженеры из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW Sydney), которые ранее разработали метод получения экологичного аммиака, обратились к искусственному интеллекту и машинному обучению, чтобы сделать процесс ещё более эффективным.
Аммиак и его производство
Аммиак — это вещество, богатое азотом, которое используется в качестве удобрения. Благодаря ему в XX веке удалось спасти от голода значительную часть мира. Однако производство аммиака сопряжено с высокими выбросами углекислого газа.
Для его получения на промышленных предприятиях требуются температуры более 400 °C и чрезвычайно высокое давление — более чем в 200 раз превышающее атмосферное. Такие энергозатратные условия сделали производство аммиака одним из основных источников выбросов парниковых газов в мире, на долю которого приходится 2 %.
Новый метод производства аммиака
В 2021 году команда UNSW обнаружила способ получения аммиака из воздуха и воды с использованием возобновляемой энергии при температуре, примерно равной температуре тёплого летнего дня.
Доктор Али Джалили из Школы химии UNSW говорит, что хотя первоначальная концепция доказала возможность создания аммиака исключительно из возобновляемой энергии при низких температурах и без выбросов углерода, всё же есть возможности для улучшения. Например, можно ли производить аммиак более эффективно, используя меньше энергии, сокращая потери и увеличивая выход аммиака?
Для ответа на эти вопросы команде нужно было найти правильный катализатор — вещество, которое ускоряет химическую реакцию, не расходуясь при этом.
Использование искусственного интеллекта для выбора катализатора
Команда начала с составления короткого списка перспективных кандидатов в катализаторы. Они выбрали 13 металлов, которые, по данным прошлых исследований, обладали необходимыми свойствами. Например, один металл хорошо поглощает азот, другой — водород и так далее.
Однако для поиска лучшего катализатора потребовался бы анализ более чем 8000 различных комбинаций этих металлов.
Исследователи ввели в систему машинного обучения информацию о поведении каждого металла и обучили её выявлять лучшие комбинации. Таким образом, вместо того чтобы проводить более 8000 экспериментов в лаборатории, им потребовалось провести всего 28.
«ИИ значительно сократил время и ресурсы, необходимые для открытия, заменив тысячи экспериментов методом проб и ошибок», — говорит доктор Джалили.
Результаты
Победителем стала смесь из железа, висмута, никеля, олова и цинка. Новый пятикомпонентный катализатор превзошёл даже самые оптимистичные ожидания исследователей.
Команда добилась семикратного улучшения скорости производства аммиака, при этом процесс был близок к 100 % эффективности. Это означает, что почти вся электрическая энергия, необходимая для запуска реакции, использовалась для производства аммиака — очень мало энергии было потрачено впустую.
Такой высокий показатель эффективности Фарадея означает, что процесс более устойчив, экономически эффективен и масштабируем, что имеет решающее значение для того, чтобы сделать экологичный аммиак жизнеспособной альтернативой методам, основанным на ископаемом топливе.
Доктор Джалили говорит, что его команда смогла получить аммиак таким способом при температуре окружающей среды 25 °C, что составляет менее 10 % от температуры, необходимой для производства аммиака традиционным способом — методом Габера-Боша.
Перспективы
Доктор Джалили и его исследовательская группа надеются, что новое улучшение в производстве экологичного аммиака приведёт к реальным результатам. Цель состоит в том, чтобы однажды фермеры могли производить аммиак для удобрений на месте, с низкими затратами и низким энергопотреблением, устраняя необходимость в доставке по транспортным маршрутам и дополнительно снижая углеродный след производства аммиака.
Фактически производство аммиака на местах уже началось, хотя всё ещё находится на стадии испытаний. Фермеры могут купить или арендовать аммиачные модули — компактные системы заводского изготовления размером с транспортный контейнер. Каждый модуль объединяет оптимизированный с помощью ИИ катализатор, плазменный генератор и электролизер в единый готовый к использованию пакет.
«В течение столетия производство аммиака основывалось на массивных централизованных заводах, которые сокращали расходы за счёт работы в огромных масштабах, но на строительство таких проектов уходят годы, они требуют миллиарды долларов капитала и не могут быстро адаптироваться по мере изменения энергетических рынков», — говорит доктор Джалили.
«Наш подход уходит от эпохи централизованных гигамасштабных заводов и открывает двери для более мелких децентрализованных установок, которые требуют гораздо меньших первоначальных инвестиций».
Ещё одним преимуществом низкозатратного и низкоэнергетического производства аммиака является его роль в переходе мира к водородной экономике. Жидкий аммиак хранит больше водородной энергии, чем жидкий водород, что делает его более подходящим для хранения и транспортировки возобновляемой энергии.
«Эта же система также служит безуглеродным носителем водорода, создавая новые экономические возможности, которые соответствуют глобальному переходу к чистой водородной экономике», — говорит доктор Джалили.
Команда доктора Джалили внедряет свой катализатор, обнаруженный с помощью ИИ, в распределённые аммиачные модули, чтобы сократить расходы, повысить конкурентоспособность экологичного аммиака и ускорить его внедрение на мировом рынке.