إنتاج الأمونيا ضار للغاية بالبيئة – المهندسون طوروا للتو طريقة أنظف

الأمونيا: من ملوث إلى بديل أخضر

تم مناقشة الأمونيا كبديل للوقود الأحفوري للتطبيقات التي يصعب كهرباؤها، مثل الشحن، النقل بالشاحنات، أو تخزين الطاقة على المدى الطويل. كما تم اقتراحها كخطوة وسيطة لنقل الهيدروجين بأمان يمكن بعد ذلك استخدامه في خلايا الوقود.

عادةً، يعتمد إنتاج الأمونيا على دمج الهيدروجين مع غاز النيتروجين تحت ضغط ودرجات حرارة مرتفعة، وهي عملية تُسمى عملية هابر-بوش. للأسف، هذه الطريقة ملوثة وغير فعّالة طاقةً.

المصدر: Research Gate

بدلاً من ذلك، قام الباحثون في جامعة إلينوي، وجامعة تكساس التقنية، وشركة General Ammonia Company بتحسين طريقة جديدة لإنتاج الأمونيا تستفيد من الإيثانول مع قطب ليثيوم مشحون.

هذه ليست أول اختراق لهم، فقد قاموا بأعمال سابقة على شاشات التحفيز الكهربي (شبكة من النحاس) لإنتاج الأمونيا، وكذلك مولدات الأمونيا “من الشمس إلى الوقود“.

“سيمفونية” الليثيوم لإنتاج الأمونيا الخضراء

تعمل طريقة إنتاج الأمونيا الجديدة عن طريق دمج غاز النيتروجين وسائل مانح للهيدروجين مثل الإيثانول مع قطب ليثيوم مشحون.

تعمل “تخليق الأمونيا بوساطة الليثيوم” (LiMAS) في 3 خطوات متتالية:

1. أولاً، خطوة تسمى ترسيب أيون الليثيوم (Li+). يتم ذلك باستخدام تذبذبات التيار لضمان واجهة صلبة-إلكتروليت عالية الجودة (SEI) واستقرار الجهد.
2. ثانياً، يلتصق جزيء النيتروجين بالليثيوم في عملية تُسمى نيتريد الليثيوم.
3. ثالثاً، يضيف تحلل Li3N البروتوليتي ذرات الهيدروجين إلى النيتروجين، مكوناً الأمونيا (NH3).

المصدر: ACS Publications

وصف الباحثون العملية بأنها “سيمفونية”، حيث يتم تنظيم كل خطوة بطريقة تجعل العملية تبقى فعّالة وتستمر المادة في الدورة للخطوة التالية من التفاعلات الكيميائية.

“هناك حلقتان تحدثان. الأولى هي تجديد مصدر الهيدروجين والثانية هي تجديد الليثيوم. هناك سيمفونية في هذه التفاعل بسبب العملية الدورية.

ما فعلناه هو فهم هذه السيمفونية بطريقة أفضل ومحاولة تعديلها بطريقة فعّالة جداً، حتى نتمكن من خلق رنين وجعلها تتحرك أسرع.” – سينغ، أستاذ مشارك في الهندسة الكيميائية بجامعة إلينوي شيكاغو (UIC).

خطوة الترسيب الكهربائي هي أهم ابتكار تم في هذا البحث، حيث تحسن بشكل كبير انتقائية NH3.

كما وجدوا عاملين آخرين يعززان إنتاجية توليد الأمونيا:

• زيادة ضغط غاز النيتروجين حتى 20 بار.
• استخدام الكحول كمصدر للهيدروجين.
  • 1-بوتانول كمانح للهيدروجين حقق أعلى عائد.
  • الماء هو مانح هيدروجين أقل كفاءة بكثير، على عكس ما كان يعتقده المجتمع العلمي حتى الآن.

بشكل إجمالي، تجعل هذه الأفكار LiMAS عالي الضغط (“تخليق الأمونيا بوساطة الليثيوم”) أكثر إنتاجية من كل من LiMAS منخفض الضغط وتفاعل هابر-بوش.

المصدر: UIC Today

المشكلات الناتجة عن إنتاج الأمونيا

الأمونيا الخضراء

ذكرنا كيف أن إنتاج الأمونيا من المحتمل أن يكون خطوة حاسمة في خفض الكربون للقطاع بأكمله من الاقتصاد وإنشاء اقتصاد هيدروجيني. ناقشنا ذلك في مقالتنا “خفض الكربون لممرات الشحن العالمية عبر الأمونيا الخضراء”.

هذا صحيح بشكل خاص إذا تم تشغيل العملية بالطاقة الخضراء (بما في ذلك استخدام الهيدروجين الأخضر)، حيث أن أشكال الأمونيا الأخرى أقل صداقة للبيئة.

هذا يميز الأمونيا الخضراء عن الأنواع الأخرى من الأمونيا:

• الأمونيا الرمادية/البنية: تُنتج من الوقود الأحفوري.
• الأمونيا الزرقاء تُنتج من الوقود الأحفوري ولكن مع احتجاز الكربون.
• الأمونيا الوردية (تُسمى أحياناً الأمونيا الصفراء): تُنتج من الطاقة النووية.
• الأمونيا الفيروزية: تُنتج من التحلل الحراري للميثان. يُكسر الميثان إلى هيدروجين وكربون صلب، ثم يُحوَّل الهيدروجين إلى أمونيا. يمكن تخزين الكربون الصلب أو استخدامه في تطبيقات مثل ألياف الكربون.

اليوم، يُنتج معظم الأمونيا لتطبيقات مثل إنتاج الأسمدة والصناعة الكيميائية (الأصباغ، المتفجرات، إلخ). يتم إنتاجه أساساً باستخدام الوقود الأحفوري، خاصة الغاز الطبيعي.

ونتيجة لذلك، تحتل الأمونيا المرتبة الثانية بعد الأسمنت بين العمليات الصناعية من حيث انبعاثات الكربون، حيث تمثل 1.5٪ من إجمالي الانبعاثات الكربونية.

الدرجات الحرارة العالية المطلوبة لعملية هابر-بوش لا تساعد أيضاً في خفض تكلفة الطاقة لإنتاج الأمونيا، حيث أن هذه الطاقة غالباً ما تأتي من الوقود الأحفوري، بما في ذلك الفحم عالي الانبعاثات الكربونية.

تصنيع LiMAs على نطاق صناعي

على الرغم من أن الليثيوم ليس المادة الأرخص، إلا أنه ليس غالياً بشكل استثنائي ولا يُستهلك أثناء توليد الأمونيا باستخدام LiMAS عالي الضغط.

لذا، مع الجمع بين الكفاءة العالية للطاقة، تُعد هذه الطريقة مصدرًا منخفض التكلفة للأمونيا.

يقدّر باحثو جامعة إلينوي أنه إذا تم توسيع النطاق، ستكون هذه الطريقة مجدية اقتصاديًا

“ستنتج العملية أمونيا بسعر 456 دولارًا للطن، وهو أقل بنسبة 60٪ مقارنةً بالطرق القائمة على الليثيوم السابقة والطرق الخضراء المقترحة الأخرى”. سينغ، أستاذ مشارك في الهندسة الكيميائية بجامعة إلينوي شيكاغو (UIC).

سيجعل ذلك طريقة الإنتاج في نفس نطاق البدائل الخضراء الأخرى التي لا تزال قيد التطوير، مثل نظام توليد الأمونيا المعبأ في حاويات من Fuel Positive، الذي يهدف إلى 560 دولار كندي للطن، أو نظام الأمونيا المعياري من AmmPower بتكلفة 360 دولار للطن لتكلفة الكهرباء فقط (دون احتساب الصيانة والنفقات الرأسمالية).

(نناقش هاتين الشركتين وغيرها في مقالتنا “الوقود الهيدروجيني الآخر – أفضل 5 أسهم للأمونيا الخضراء”)

سعر 456 دولارًا للطن سيتماشى أيضًا مع معظم الأسعار الإقليمية للأمونيا حول العالم، والتي تُحدد حالياً بفضل الإنتاج القائم على الوقود الأحفوري.

تتعرض أسعار الأمونيا لتقلبات شديدة عندما ترتفع أسعار الغاز الطبيعي، كما حدث في عام 2022 في بداية الحرب في أوكرانيا.

المصدر: BusinessAnalitIQ

العلماء يتعاونون بالفعل مع شركة General Ammonia Co. لتجربة وتوسيع نطاق عملية تخليق الأمونيا بوساطة الليثيوم. سيتم بناء مصنع تجريبي في منطقة شيكاغو وقد قدم مكتب إدارة التكنولوجيا بجامعة إلينوي طلب براءة اختراع لهذه العملية.

شركات الأمونيا الخضراء

1. شركة General Ammonia Company

الشركة التي تتعاون مع باحثي جامعة إلينوي غير مدرجة في البورصة، لكنها “تسعى بنشاط للحصول على استثمارات”.

قد يكون المستثمرون المعتمدون مهتمين بالتواصل مباشرةً معهم ومناقشة الشروط المحتملة للاستثمار في الشركة ومصنعها التجريبي عالي الضغط LiMAS.

2. NitroVolt

NitroVolt هي شركة أخرى تسعى لإنتاج الأمونيا باستخدام LiMAS، وتملك طلب براءة اختراع قيد الانتظار لتقنية تخليق الأمونيا بوساطة الليثيوم.

المصدر: NitroVolt

تجمع الشركة الدنماركية عملية LiMAS مع نظام خلية التدفق المملوك لها، مما يتيح تفاعلًا مستمرًا وعالي الكفاءة.

نُشرت أبحاث الشركة في منشورات علمية مرموقة، ولا سيما:

• Science:
  • التخليق الكهربي المستمر للأمونيا عبر اختزال النيتروجين وأكسدة الهيدروجين
  • تحسين تخليق الأمونيا بوساطة الليثيوم بإضافة الأكسجين
• Nature: بروتوكول صارم لتخليق الأمونيا الكهروكيميائي مع قياسات كمية النظائر

المصدر: NitroVolt

تلقت الشركة أول استثمار لها في 6 مارس 2024 من شركة رأس المال المخاطر BackingMinds.

3. شركة FuelPositive (NHHHF)

قامت FuelPositive بإنشاء نظام توليد أمونيا خضراء معياري/معبأ في حاوية. هدفها الأول هو القطاع الزراعي، مما يتيح إنتاج الأمونيا في الموقع باستخدام الطاقة المنتجة محليًا. يمكن للنظام توليد ما يصل إلى 300 كغ/يوم، أي 100 طن سنويًا من الأمونيا مقابل 950,000 دولار كندي.

المصدر: Fuel Positive

يجعل ذلك النظام مناسبًا للمزارع التي تصل مساحتها إلى 1,800 فدان. فقط 1.5 فدان من الأرض مغطاة بألواح شمسية يكفي لتشغيل توليد الأمونيا.

المصدر: Fuel Positive

تدعي FuelPositive أن نظامها يمكنه إنتاج الأمونيا بسعر 560 دولار كندي للطن،

الشركة الناشئة في مرحلة مبكرة، ومن المقرر أن يبدأ الإنتاج الكامل في عام 2025، وقد تم تأكيد 30 طلبًا حتى الآن، مع جدولة أول تسليم في مارس 2024.

القوة الرئيسية لـ FuelPositive هي قابلية نظامها للتجزئة، مما يتيح نهجًا أكثر توزيعًا وإنتاجًا موحدًا على نطاق واسع لوحدة توليد الأمونيا.

الشركة تبني شراكة مع Cipher Neutron، التي يمكنها إنتاج الهيدروجين دون أي معدن من مجموعة البلاتين.

يمكن إنشاء شراكة مماثلة لاستخدام/ترخيص طريقة LiMAS لإنتاج الأمونيا، حيث تكمن قوة الشركة في تصميمها المعياري، أكثر من كونها تقنية توليد أمونيا مملوكة.

بينما يتركز التركيز الأساسي على إنتاج الأسمدة، يمكن استخدام الأمونيا لتشغيل محركات المزارع بالطاقة المنتجة في الموقع، اعتمادًا على سرعة تبني أدوات الزراعة التي تعمل بالأمونيا/الهيدروجين.

يمكن للطبيعة اللامركزية والموحدة لأنظمة FuelPositive أن تجعلها عنصرًا أساسيًا في اقتصاد أمونيا مستقبلي. يمكن لسوق الأسمدة أن يوفر الفجوة التي تسمح للشركة بالنمو حتى يصبح استخدام الهيدروجين والأمونيا أكثر انتشارًا.

4. شركة AmmPower (AMMPF)

تُشبه AmmPower شركة FuelPositive في تقديمها أنظمة توليد أمونيا معيارية، ولكن على نطاق أوسع، حيث يمكن لوحدتها الأساسية إنتاج 4 أطنان/يوم. يضع ذلك الشركة في مجال المزارع الضخمة (أكثر من 10,000 فدان) أو العمليات الصناعية مثل النسيج، التبريد، التعدين، الصيدلة، أو أشباه الموصلات.

المصدر: AmmPower

الشركة في طور بناء سجل طلباتها، مع تقدير إمكانات الحجز القريبة بنحو 30 مليون دولار، وآفاق مبيعات لـ 690 وحدة من 52 دولة.

تقدّر الشركة تكلفة الكهرباء بحوالي 360 دولار للطن من الأمونيا.

تتيح قابلية النظام للتجزئة تسليمًا سريعًا، بأقل من عام مقارنةً بـ 3-4 سنوات للمشاريع المماثلة دون النهج المعياري.

كما تعمل على تقنية لتحويل النفايات إلى أمونيا، في مشروع مشترك مع CTEC Energy Sales USA.

هنا أيضًا، يمكن إقامة شراكات أخرى لدمج عملية أمونيا LiMAS في التصميم المعياري.

لتعزيز تقدم الأمونيا نحو اقتصاد هيدروجين-أمونيا، تقوم الشركة بإنشاء شركة فرعية مخصصة لتفكيك الأمونيا إلى هيدروجين، والتي ستسعى للحصول على تمويل إضافي بشكل منفصل.

من خلال تحقيق الحجم الذي قد يناسب معظم الاستخدامات الصناعية، بالإضافة إلى المزارع الضخمة، تستهدف AmmPower العملاء والشركات ذات القدرة المالية الأعمق مقارنةً بالأغلبية.

مع دمج تقنية تفكيك الأمونيا، قد يسمح ذلك لها بالتوسع بسرعة استجابةً للسياسات التي تدفع لتطوير الهيدروجين كحامل للطاقة.