Жидкий аммиак в подземной соляной каверне может обеспечить в 300 раз большую энергетическую емкость, чем газообразный аммиак в хранилище того же объема. К такому выводу пришли исследователи из Университета Альберты в Канаде, которые оценили возможность крупномасштабного подземного хранения аммиака как носителя водорода. Согласно их расчетам, в соляной каверне объемом 500 тысяч куб. метров можно разместить запас жидкого аммиака с полезной энергетической емкостью более 1,6 тВт·ч, тогда как при хранении аммиака в газообразном состоянии этот показатель составит лишь около 5,25 ГВт·ч.
Аммиак давно рассматривается как перспективный носитель водорода, поскольку его значительно проще хранить в больших объемах. Для превращения водорода в жидкость его необходимо охлаждать примерно до −253 °C, тогда как аммиак при атмосферном давлении сжижается уже при −33,4 °C. При этом его объемная плотность энергии в жидком состоянии составляет около 3,5 кВт·ч на литр. Поэтому, например, избыток электроэнергии солнечных и ветровых электростанций можно использовать для производства водорода, затем превращать его в аммиак и сохранять на месяцы, а при необходимости использовать аммиак непосредственно как топливо или снова получать из него водород.
Для такого хранения исследователи предлагают использовать соляные каверны – крупные подземные полости, которые создают путем растворения залежей соли водой. Соляные породы практически непроницаемы и уже используются для хранения природного газа и других энергоносителей. Ученые смоделировали работу таких хранилищ на глубине от 500 до 1500 м, учитывая рост температуры примерно на 2,5 °C на каждые 100 м. Расчеты позволили определить диапазон давления и глубины, при котором аммиак остается жидким, а давление внутри каверны одновременно достаточно для ее устойчивости и не настолько велико, чтобы вызвать разрушение породы. Наиболее надежные условия возникают на глубине более 500 м.
Исследователи также сравнили три варианта хранения аммиака. В газообразном состоянии его энергетическая емкость оказалась слишком низкой. Если одновременно хранить жидкий и газообразный аммиак, емкость каверны возрастает примерно до 850 гВт·ч, однако при отборе жидкость начинает закипать и охлаждаться, из-за чего возникают перепады давления и осложняется работа насосов. Наиболее эффективным оказался вариант, при котором аммиак постоянно остается жидким: тогда можно использовать более 95% объема каверны, а ее полезная энергетическая емкость достигает примерно 1615 гВт·ч.
Отдельная задача – поддерживать давление по мере закачки и отбора аммиака. Обычно в соляных хранилищах для вытеснения жидкого продукта можно использовать рассол, однако аммиак очень хорошо растворяется в воде – его содержание в растворе может достигать 36% по массе. Поэтому ученые предлагают использовать в качестве компенсирующей среды азот. Он негорюч, относительно дешев и легче жидкого аммиака, благодаря чему образует над ним газовую подушку и поддерживает давление в каверне. При этом небольшая часть азота растворяется в аммиаке, из-за чего чистота извлеченного продукта может снизиться примерно до 96%. Для газовых турбин и твердооксидных топливных элементов такая примесь допустима, однако при последующем получении особо чистого водорода потребуется дополнительная очистка.
Главной технической проблемой остается рассол, который неизбежно сохраняется на дне каверны после ее создания. По расчетам ученых, при объеме этого слоя 20-50 тыс. куб. метров в нем может раствориться от 3,4 тысяч до 8,5 тысяч тонн аммиака, то есть от 2 до 17 % его запаса в зависимости от размера хранилища. После насыщения рассола дальнейшие потери должны существенно сократиться, однако образовавшийся раствор будет сильнощелочным и способен вызывать коррозию стальных элементов скважины. Одним из возможных решений ученые называют создание дополнительного буферного слоя между аммиаком и рассолом, например, из силиконового или минерального масла. При этом моделирование показало, что сам аммиак сравнительно слабо взаимодействует с солью и другими распространенными минералами каверн.
Таким образом, соляные каверны потенциально могут стать крупными сезонными хранилищами энергии в форме аммиака: избыточную возобновляемую электроэнергию можно использовать для его производства, сохранять полученный энергоноситель под землей в течение нескольких месяцев, а затем использовать для выработки электроэнергии или получения водорода.
