مفاعل بلازما-كيميائي كهربائي مستوحى من البرق قد يحل احتياجاتنا من الأمونيا بصفر انبعاثات كربونية

إيجاد الطريق إلى اقتصاد الأمونيا

مع تقدم الطاقة المتجددة، تصبح بعض القيود أوضح. تتطلب تقطعات الطاقة المتجددة تخزينًا للطاقة، والذي قد يكون بطاريات، كما استكشفنا في مقالتنا “مستقبل تخزين الطاقة—تقنية البطاريات على نطاق المرافق.”

مع ذلك، بعض أشكال استهلاك الطاقة تقاوم الكهربة بشدة. على سبيل المثال، الشحن البحري لمسافات طويلة أو الشحن الجوي.

لهذه التطبيقات، يُفضَّل الوقود السائل الكثيف وربما يكون الخيار الأكثر احتمالًا للسفر الجوي. لذا، لاستبدال الوقود الأحفوري، تم النظر في الأمونيا كبديل صلب. الأمونيا أيضًا مركب أساسي في إنتاج الأسمدة والمواد الكيميائية مثل المتفجرات.

حاليًا، تُسهم الأمونيا في 1.8٪ من استهلاك الطاقة العالمي وانبعاثات الكربون، وهذا قبل أن نحاول استخدامها في النقل. تُنتج حاليًا عن طريق حرق الميثان، ما يُنتج ما يُسمى الأمونيا الرمادية. بديل أفضل سيكون ما يُسمى الأمونيا الخضراء، المُنتجة من الطاقة المتجددة.

المشكلة هي أن الأمونيا الخضراء الآن أغلى بكثير من الوقود القائم على النفط أو الأمونيا الرمادية. ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أن إنتاج الأمونيا يعتمد على الهيدروجين، وهو نفسه مكلف الإنتاج عبر التحليل الكهربائي.

بدائل مثل التحفيز المدعوم بالليثيوم قد تكون ممكنة وأرخص، لكن ربما لا تزال غير كافية.

لكن قد يكون هناك بديل للهيدروجين، وفقًا للباحثين في جامعة ولاية بوفالو بنيويورك وجامعة أوكلاند (نيوزيلندا). نشروا مؤخرًا نتائجهم حول كيفية إنتاج الأمونيا باستخدام البلازما في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية تحت عنوان “التحكم في مسارات التفاعل للمواد المتفاعلة المختلطة NOxHy في تخليق الأمونيا البلازما-الكيميائي الكهربائي¹”.

الطرق المتعددة لإنتاج الأمونيا

النيتروجين (N₂) وفير جدًا على الأرض، حيث يشكل 78٪ من الغلاف الجوي. لكن ليكون مفيدًا للنباتات أو ككيميائي، نحتاجه على شكل أمونيا (NH₃) أو نترات (NO₃). إضافة ذرات الهيدروجين إلى ذرة النيتروجين عملية تتطلب طاقة هائلة.

إحدى الطرق هي عبر بكتيريا خاصة تُسمى بكتيريا تثبيت النيتروجين. هذه واحدة من أكبر مصادر النيتروجين الطبيعي (100–300 تيراغرام من النيتروجين سنويًا عالميًا)، لكنها عادةً غير كافية للزراعة المكثفة.

كما ذُكر، طريقة أخرى هي باستخدام الهيدروجين (H₂)، لكن إنتاج الهيدروجين الأخضر مكلف.

هناك، مع ذلك، طريقة ثالثة لإنتاج الأمونيا، تحدث أحيانًا في الطبيعة. عندما يضرب البرق، يكسر التيار الكهربائي القوي جزيء N₂، مكونًا عدة أشكال من أكسيد النيتروجين.

المصدر: Britannica

في الطبيعة، تُحوَّل هذه الأكاسيد النيتروجينية إلى أمونيا بواسطة البكتيريا. هذا يمثل جزءًا صغيرًا فقط من إنتاج الأمونيا الطبيعي، في نطاق 3-10 تيراغرام. يمكن تكرار ذلك صناعيًا، متجاوزًا الحاجة إلى الهيدروجين تمامًا.

البلازما المصنّعة بيد الإنسان تحل محل البرق

قام الباحثون بحقن الهواء في مفاعل بلازما، وهو حاوية تحتوي على قطب وأنبوب زجاجي. تحاكي تفريغات البلازما تأثير البرق، مكوّنة مزيجًا معقدًا من أكسيدات النيتروجين داخل حجرة التفاعل.

المصدر: ACS Publication

تُرسل هذه الغازات المختلطة بعد ذلك إلى مفاعل تحفيزي يحتوي على سبيكة من النحاس والبلاديوم مُهيكلة كالرغوة. يتحمل هذا المحفز أولاً امتصاص أكسيدات النيتروجين من الهواء المتبقي، ثم يحل محل البكتيريا التي كانت في الطبيعة تُحوِّل هذه الأكاسيد إلى أمونيا.

ضبط التحفيز بدقة

الخطوة الثانية لتحويل أكسيدات النيتروجين إلى أمونيا ليست بسيطة على الإطلاق.

“عندما تُفعِّل طاقة البلازما أو ضربة البرق النيتروجين، تُنتج حساءً من مركبات أكسيد النيتروجين. تحويل ما يصل إلى ثمانية مركبات كيميائية مختلفة إلى أمونيا في آن واحد أمر صعب للغاية.”
Xiaoli Ge – باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة بوفالو

هذا يعني أن الأمر لا يقتصر على 8 تفاعلات كيميائية لتحويل الأكاسيد إلى أمونيا، بل هناك العديد من الخطوات الوسيطة، كل منها قد يسبب عنق زجاجة ويقلل من كفاءة النظام الكلية.

كما أن أكسيدات النيتروجين تُعد ملوثة إلى حد ما، وأي إنتاج كبير للأمونيا بهذه الطريقة يجب أن يحتوي على أقل قدر ممكن من أكسيدات النيتروجين المتبقية.

لذلك، اضطر الباحثون إلى إنشاء سلسلة من المحفزات الثنائية المعدن تم ضبطها بدقة لاستهداف “الامتصاص والتحويل الأمثل للوسيط المحدود في مسار NOx-to-NH3”.

استخدموا عملية رياضية تُسمى نظرية الرسوم البيانية لرسم جميع مسارات التفاعل المختلفة. بهذه الطريقة، تمكنوا من تحديد عنق الزجاجة من البداية وكيفية تحسين كفاءة التحويل.

وبهذا اكتشفوا أن معظم مركبات أكسيد النيتروجين يجب أن تمر عبر أكسيد النيتريك أو الأمين كخطوة وسيطة قبل أن تتحول إلى أمونيا. لذا، صمموا محفزًا يرتبط بشكل مفضل مع هذين المركبين.

التوسع إلى نطاق صناعي

حقق التصميم النهائي معدل إنتاج أمونيا قدره 81.2 ملغ/ساعة/سم². ظل حجرة البلازما ومحفز النحاس-البلاديوم ثابتين بعد أكثر من 1,000 ساعة من التشغيل بتيار مطبق قدره 2 أمبير.

يفحص فريق البحث الآن الخطوة التالية لتوسيع مفاعلهم التجريبي، مع النظر في إنشاء شركة ناشئة أو ترخيص التقنية لشركاء صناعيين. كما قدمت جامعة بوفالو طلب براءة اختراع للمفاعل.

• بما أنه يُشغَّل بالكامل بالكهرباء لتوليد البلازما، يمكن تشغيله ب100٪ طاقة خضراء.
• يمكن دمجه في حاوية متوسطة الحجم وربطه بألواح شمسية، دون الحاجة إلى النطاق الضخم لمصانع الأمونيا الحالية.
• التقدم المستمر في علم المحفزات قد يساعد على خفض تكاليف النظام، بالإضافة إلى انخفاض تكاليف الطاقة الخضراء باستمرار، خاصة الطاقة الشمسية.

“يمكنكم تخيل مفاعلاتنا داخل حاوية شحن متوسطة الحجم مع ألواح شمسية على السطح. يمكن وضعها في أي مكان في العالم وتوليد الأمونيا حسب الطلب لتلك المنطقة.

هذه ميزة مثيرة جدًا لنظامنا، وستسمح لنا بإنتاج أمونيا للمناطق النامية ذات الوصول المحدود إلى عملية هابر-بوش.”

Chris Li – أستاذ مساعد في الكيمياء

من المحتمل أن يكون استكشاف خيارات أخرى لا تتطلب بلاديومًا مكلفًا، مثل مفاعل حيوي يحتوي على البكتيريا المناسبة، خيارًا للتطوير المستقبلي، لكنه قد يكون صعبًا لتوسيع الحجم إلى المستوى المطلوب لجعل الأمونيا مصدر وقود عالمي.

الاستثمار في الأمونيا

لقد غطينا بالفعل بعض فرص الاستثمار في الأمونيا الخضراء في مقالات سابقة، بالإضافة إلى العلم وراءها، لا سيما “الوقود الهيدروجيني الآخر – أفضل 5 أسهم أمونيا خضراء” و “تحييد انبعاثات خطوط الشحن العالمية عبر الأمونيا الخضراء”.

مع ذلك، فيما يتعلق بظهور عملية إنتاج الأمونيا القائمة على البلازما الجديدة، قد يكون السهم الأكثر صلة للاستثمار هو سهم شركة تعدين البلاديوم، حيث سيتطلب أي توسيع للإنتاج حجمًا هائلًا من المحفز المستخدم من قبل الباحثين.

تم إنتاج معظم البلاديوم في عام 2023 من قبل روسيا وجنوب أفريقيا، تلتها كندا وزيمبابوي.

المصدر: Statista

وبالطبع، يمكن أيضًا الاستثمار المباشر في البلاديوم، سواءً على شكل عملات أو سبائك معدنية، من خلال بائعي السبائك الثمينة.

المصدر: US State Mint

كانت أسعار البلاديوم متقلبة جدًا في السنوات الأخيرة، مع ارتفاع هائل في الأسعار نتيجة لحرب أوكرانيا وأهمية إمداد روسيا في هذا السوق. وقد انخفضت الأسعار منذ ذلك الحين.

المصدر: Investing.com

1. Sibanye Stillwater Limited

تُعد شركة سِباني ستيل ووتر المحدودة، التي تركز على البلاديوم والبلاتين، الأكبر على الإطلاق في هذا المجال، وتُعد رائدة في صناعتها. كما أنها أكبر منتج للروثيوم في العالم.

بالإضافة إلى هذه المعادن، تُنتج أيضًا معادن أخرى من مجموعة البلاتين مثل الإريديوم والروثينيوم. يعود ذلك إلى أن معادن مجموعة البلاتين (PGM) عادةً ما تُوجد وتُستخرج معًا في نفس الخامات.

Stillwater

في سبتمبر 2024، أعلنت سِباني ستيل ووتر أنها ستعيد هيكلة منجم مونتانا ستيل ووتر، مخفضةً إنتاج هذا المنجم بنسبة 45٪ لتقليل التكاليف. يعاني المنجم، الذي يحتوي على بلاديوم أكثر من البلاتين، من انخفاض أسعار البلاديوم.

أدى ذلك إلى تحميل الشركة خسارة إهلاك قدرها 435 مليون دولار، مما تسبب في تسجيل خسارة في النصف الأول من عام 2024.

سيجعل ذلك أيضًا من الشركة أصلًا خاملاً قيمًا في حال أصبح البلاديوم “معدن طاقة” مهم لإنتاج الأمونيا على نطاق واسع باستخدام البلازما.

ومن الجدير بالذكر أن الأسعار الحالية بالكاد تغطي تكاليف الإنتاج لمعظم المناطق الغنية بالبلاتين، مما يجعلها نقطة ارتكاز سفلية للصناعة قبل إغلاق المناجم.

المصدر: Sibanye Stillwater

تعمل سِباني ستيل ووتر حاليًا على التنويع من شركة تعدين PGM بحتة إلى دخول أسواق الذهب ومعادن البطاريات، لا سيما مشروع تعدين الليثيوم في فنلندا.

المصدر: Sibanye Stillwater

كما أن الشركة لها حضور في تعدين اليورانيوم من خلال مشروع بيسا لليورانيوم في جنوب أفريقيا. قامت مؤخرًا ببيعه لشركة نيو إنرجي مقابل حصة 40٪ في نيو إنرجي، بالإضافة إلى عوائد على جميع اليورانيوم المباع، مع حد أقصى للدفعات يبلغ 5 دولارات للباوند، حسب سعر اليورانيوم الفوري.

“بيع منجم بيتركس 4 ومشروع بيسا لليورانيوم يتماشى مع استراتيجية سِباني ستيل ووتر لإطلاق القيمة من أصولنا اليورانية.”
Neal Froneman – الرئيس التنفيذي لشركة سِباني ستيل ووتر

بشكل عام، سِباني ستيل ووتر هي أكبر شركة تعدين PGM دولية في العالم، وسيستفيد مساهموها بشكل كبير من تحول قطاع الطاقة إلى إما الهيدروجين أو الأمونيا كوقود للنقل. ذلك لأن معظم التقنيات المحتملة في هذا المجال تتطلب إما البلاتين أو البلاديوم أو الروثيوم لتحليل الماء الكهربائي، إنتاج الأمونيا، أو خلايا الوقود، نظرًا للفيزياء الأساسية لتفاعلات التحفيز التي تحتاج هذه المعادن الخاصة.

كما أنها تتوسع في مجال الطاقة منخفضة الكربون، من الليثيوم إلى اليورانيوم، مما يجعلها واحدة من أكثر شركات التعدين احتمالًا للاستفادة من التحول نحو اقتصاد أخضر مدعوم بالطاقات المتجددة والهيدروجين/الأمونيا.

مرجع الدراسة:

^{1. Ge, X., Zhang, C., Janpandit, M., Prakash, S., Gogoi, P., Zhang, D., Cook, T. R., Waterhouse, G. I. N., Yin, L., Wang, Z., & Li, Y. C. (2024). التحكم في مسارات التفاعل للمواد المتفاعلة المختلطة NOxHy في تخليق الأمونيا البلازما-الكيميائي الكهربائي. Journal of the American Chemical Society, 146(51), 35305–35314. https://doi.org/10.1021/jacs.4c12858}