بلازما شبيهة بالبرق لجعل الأمونيا الخضراء ميسورة التكلفة

الطريق إلى اقتصاد الأمونيا الخضراء

الأمونيا، أو NH₃، تُعتبر مرشحًا محتملًا كبيرًا لاستبدال الوقود السائل المصنوع من النفط وغيرها من الوقود الأحفوري. ذلك لأنها تُصنع باستخدام مورد وفير للغاية، وهو النيتروجين الجوي (N₂)، ولا تحتاج بالضرورة إلى النفط أو الميثان في إنتاجها.

نظرًا لأن الأمونيا هي سماد مهم، فإن إنتاجها يُشكل حاليًا جزءًا ضخمًا من الصناعة الكيميائية، مما يجعلها ثاني أكثر المواد الكيميائية إنتاجًا في العالم.

حاليًا تُنتج الأمونيا في الغالب عبر عملية هابر-بوش، التي تجمع النيتروجين مع الهيدروجين لإنتاج الأمونيا، باستخدام ضغط مرتفع ودرجات حرارة عالية، مما يجعلها بطبيعتها مستهلكة للطاقة.

المصدر: Angewandte Chemie

ومع ذلك، فإن مصدر هذا الهيدروجين يؤثر على مدى تلوث إنتاج الأمونيا. اليوم، يُستمد معظم الهيدروجين المستخدم في إنتاج الأمونيا من الوقود الأحفوري، مما يجعل الأمونيا مسؤولة عن 1.3٪ من انبعاثات الكربون العالمية.

مثاليًا، يجب أن يعتمد اقتصاد الأمونيا على ما يُسمى بالأمونيا الخضراء المُنتجة من الطاقة المتجددة. وهذا يميزها عن الأنواع الأخرى من الأمونيا:

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

طالما أن الأمونيا ليست في الغالب أمونيا خضراء، فإن استخدامها لاستبدال الوقود الأحفوري في النقل والصناعات يكون غير مجدٍ إلى حد كبير، لأنه يغيّر فقط نقطة استهلاك الوقود الأحفوري.

“شغف الصناعة بالأمونيا يتزايد فقط. خلال العقد الماضي، يسعى المجتمع العلمي العالمي، بما في ذلك مختبرنا، لاكتشاف طريقة أكثر استدامة لإنتاج الأمونيا لا تعتمد على الوقود الأحفوري.

أ. PJ Cullen – أستاذ في جامعة سيدني ومعهد صافي الصفر

لهذا السبب، فإن الاكتشافات الجديدة التي تغير تمامًا طريقة إنتاج الأمونيا بعيدًا عن عملية هابر-بوش التي تعود إلى قرن من الزمان قد تكون محورية.

قد يكون هذا الابتكار قد تم تحقيقه من قبل باحثين في جامعة سيدني (أستراليا) وجامعة تشجيانغ (الصين)، باستخدام البلازما لإنتاج النيتروجين من الهواء. نشروا نتائجهم في Angewandte Chemie¹ تحت عنوان “تنظيم فراغات الأكسجين متعددة الوظائف للتحويل من الهواء إلى الأمونيا باستخدام البلازما”.

لماذا الأمونيا؟

إذا كانت الأمونيا هي في الأساس هيدروجين محول، لماذا لا نستخدم الهيدروجين مباشرةً؟

الفرق مع الهيدروجين هو أن الأمونيا جزيء أكبر بكثير من H₂ وأكثر استقرارًا. هذا يجعل نقلها وتخزينها أسهل بكثير. كما أن الأمونيا أكثر كثافة طاقة بحوالي 50٪ تقريبًا من الهيدروجين السائل.

المصدر: Kleinman Center For Energy Policy

هذه الكثافة الطاقية وسهولة التخزين تجعل الأمونيا مرشحًا رئيسيًا للاستخدام في النقل، خاصةً في الرحلات الطويلة المستهلكة للطاقة مثل الشحن، وهو ما ناقشنا بالتفصيل في “إزالة الكربون من مسارات الشحن العالمية عبر الأمونيا الخضراء“.

كما تجعل الأمونيا مرشحًا جيدًا لتخزين يمتد لسنة أو شهر، وهو مشكلة طويلة الأمد في موازنة شبكات الطاقة التي تعتمد على الطاقات الخضراء، حيث يمكن استخدام فائض الطاقة الشمسية في الصيف أو خلال أسابيع الرياح القوية لإنتاج فائض من الأمونيا يُستهلك خلال الشتاء أو فترات انخفاض الرياح.

مشكلات إنتاج الأمونيا

طالما أن إنتاج الأمونيا يعتمد على هابر-بوش، قد يستغرق التحول إلى وقود أكثر خضرة وقتًا.

السبب الرئيسي هو أن إنتاج الهيدروجين الأخضر معقد ومكلف، غالبًا ما يتطلب معادن نادرة مثل البلاتين، على الرغم من أن هذا من المرجح أن يتغير بفضل التقدم في تكنولوجيا النانو، مثل استخدام أعمدة نانوية من النيكل بدلاً من ذلك.

السبب الآخر هو أن إنتاج الأمونيا باستخدام الهيدروجين يعني أنه عملية متعددة الخطوات، كل خطوة تتطلب استثمارًا رأسماليًا وتقلل من إجمالي عائد الطاقة للعملية بأكملها:

• يجب أولاً إنتاج الطاقة الخضراء باستخدام تقنيات الشمس أو الرياح أو الطاقة المائية.
• ثم تُنقل تلك الكهرباء إلى محلل كهربائي ينتج الهيدروجين.
• يُستخدم الهيدروجين بعد ذلك في إنتاج الأمونيا.

نظرًا لأن الطاقة الخضراء عادةً ما تكون أكثر تقطعًا ولا مركزية، فإن ذلك يخلق تكاليف إضافية تتطلب إنتاجًا مركزيًا للهيدروجين والأمونيا.

“حاليًا، يتطلب توليد الأمونيا إنتاجًا مركزيًا ونقلًا لمسافات طويلة للمنتج. نحتاج إلى أمونيا خضراء منخفضة التكلفة، لامركزية وقابلة للتوسع”.

أ. PJ Cullen – أستاذ في جامعة سيدني ومعهد صافي الصفر

كيف يمكن للبلازما غير الحرارية أن تُحدث ثورة في الأمونيا الخضراء

ما هي البلازما غير الحرارية؟

توجد طرق أخرى غير هابر-بوش لإنتاج الأمونيا. الفكرة العامة هي استخدام الكهرباء لأكسدة النيتروجين، ثم إضافة ذرات الهيدروجين (تفاعل اختزال النيتروجين – eNRR).

ومع ذلك، تُقيد هذه الطرق ذوبانية النيتروجين المنخفضة، وتفاعلات غير مرغوبة أخرى في محاليل تحتوي على ماء. لهذا تُعتبر البلازما غير الحرارية (NTP) بديلاً، حيث إن NTP أكثر ملاءمة لتفاعلات الأكسدة من الاختزال الكيميائي.

المصدر: Angewandte Chemie

النترات (NO₃⁻) والنيتريت (NO₂⁻) الناتجة لها ذوبانية في الماء تقارب 40,000 مرة ذوبانية N₂.

هذه الطرق واعدة، لكنها تتطلب استخراج النيتروجين والأكسجين من الهواء وتنقيتهما، مما يزيد التكاليف.

لهذا السبب تُعد الأساليب التي يُفعَّل فيها الهواء مباشرةً لإنتاج NOx ثم تُختزل وسائط NOx الناتجة إلى NH₄⁺ عبر التحويل الكهروكيميائي جذابة.

محفز النحاس-الحديد

استخدم الباحثون شبكة نانوية من النحاس (P-Cu)، حيث استُخدم جو بلازما أكسجين لإنشاء عيوب (CuxO/Cu) وأنواع تفاعلية عالية مثل أيونات O⁻، ذرات O، وجزيئات O₃ (الأوزون). تتفاعل هذه الأنواع التفاعلية مع النحاس، مما يؤدي إلى أكسدة السطح.

ثم أدخلت ذرات الحديد لتكوين روابط جسرية ثابتة Fe–O–Cu على السطح.

المصدر: Angewandte Chemie

باستخدام مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS)، تمكن الباحثون من دراسة البُنى البلورية المعقدة التي تشكلت بفضل هذه العملية. الزوائد الصغيرة والهياكل المعقدة زادت من مساحة سطح المادة، مما جعلها محفزًا أفضل.

المصدر: Angewandte Chemie

التحفيز الكهربائي للأمونيا

اُستخدم Fe₂O₃ NPs/Cu كقطب سالب لإنتاج الأمونيا من النيتروجين والماء، مع التحكم مباشرةً في كل من أكسدة النيتروجين وتحليل الماء إلى هيدروجين.

أثبتت الاختبارات أن إضافة Fe₂O₃ إلى النحاس تعزز النشاط التحفيزي الكهربائي بفعالية.

المصدر: Angewandte Chemie

حللوا بتفصيل كيفية عمل إنتاج الأمونيا، وأكدوا أنه في الواقع تفاعل كيميائي معقد ومتعدد الطبقات يحدث بسرعة كبيرة، حيث يتحول NO₂ إلى NH₃.

المصدر: Angewandte Chemie

الأهم من ذلك، أن التفاعل حقق كفاءة فاراداي تقريبًا 100٪ عند 300 mA، مما يعني أن معظم الكهرباء المستخدمة تُحول إلى طاقة كيميائية، وهو ما يجعله أكثر كفاءة بمرتبة من الخطوات المتعددة للتحليل الكهربي التقليدي للماء (لإنتاج الهيدروجين) ثم تحويل النيتروجين إلى أمونيا.

“هذا النهج الجديد هو عملية من خطوتين، تجمع بين البلازما والتحليل الكهربائي. لقد جعلنا مكوّن البلازما قابلًا للتطبيق من حيث كفاءة الطاقة وقابلية التوسع”.

أ. PJ Cullen – أستاذ في جامعة سيدني ومعهد صافي الصفر

المضي قدمًا

بشكل عام، تُظهر هذه الطريقة أن هناك مسارات أخرى نحو إنتاج الأمونيا قد تتجاوز تمامًا عملية هابر-بوش، وتلغي الحاجة إلى إنتاج الهيدروجين الأخضر بشكل منفصل في المقام الأول.

هذا يمثل أيضًا تحسينًا مقارنةً نسخة سابقة من هذه التقنية التي اضطرت لاستخدام محفز نحاسي-بلاديوم بدلًا من الحديد، حيث يُعد البلاديوم معدنًا مكلفًا.

ركزت هذه الدراسة في المقام الأول على تطوير محفز فعال لأكسدة النيتروجين مباشرةً من الهواء غير المصفى والمُنقّى.

لكي تكون اقتصادية، سيظل مكوّن المحلل الكهربائي الذي ينتج الهيدروجين بحاجة إلى تحسين. لحسن الحظ، يتم إحراز تقدم في إنتاج الهيدروجين باستخدام محفزات غير نبيلة أو حتى محفزات ذاتية التحسين.

لذلك من المرجح، على المدى المتوسط، أن نرى دمج تقنيات مختلفة في آلة تجارية لإنتاج الأمونيا، مثل أكسدة النيتروجين المباشرة بالبلازما باستخدام النحاس والحديد، وتحليل الماء باستخدام معادن رخيصة مماثلة.

يمكن تثبيت هذه الوحدات مباشرةً في مواقع إنتاج الطاقة الخضراء، وتُخزن الأمونيا الناتجة في خزان رخيص نسبيًا (مقارنةً بالهيدروجين)، لتُنقل عبر الأنابيب أو الشاحنات أو الناقلات.

من المرجح أن تكون الشركات القادرة على دمج توليد الطاقة الخضراء، وإنتاج الأمونيا، وشحن الأمونيا عموديًا هي الأكثر استفادة من هذه التصاميم.

شركة الأمونيا

أكر هورايزنز ASA (AKH.OL)

أكر هورايزن هي شركة فرعية لمجموعة أكر التي تركز على الطاقة الخضراء. المجموعة هي تكتل نرويجي كبير يركز على الطاقات المتجددة وأعمال البحرية/البحرية.

المصدر: Aker

أكر هورايزن هي الشركة القابضة لعدة فروع، بما في ذلك الهيدروجين الأخضر، ومزارع الرياح البرية والبحرية، ومزارع الطاقة الشمسية. وتشمل ذلك Mainstream Renewable Power، شركة مرافق لديها 20.4 GW من الطاقة المتجددة قيد التطوير في جنوب أفريقيا (12.3 GW) ودول أخرى (آسيا، أمريكا الجنوبية، أوروبا).

تُعد الشركة نشطة جدًا في توليد الهيدروجين والأمونيا الخضراء، مع هدف لتقليل انبعاثات شحن القطب الشمالي، بالإضافة إلى اهتمام من مراكز البيانات.

المصدر: Aker

أكر ليست شركة أمونيا خضراء بحتة لكنها تستطيع التعامل مع التكامل الرأسي الكامل للأمونيا الخضراء، من توربينات الرياح البحرية إلى توليد الهيدروجين (حالياً) إلى إنتاج الأمونيا الخضراء. كما تعمل على مشاريع مثل تحويل النفايات إلى طاقة في فرنسا، ومصنع كتل حيوية في ألمانيا، واحتجاز الكربون في الشرق الأوسط (السعودية والإمارات).

في مايو 2025، نظرت أكر إلى بعض إعادة الهيكلة بسبب انخفاض الأسعار في قطاع الطاقة الخضراء، بهدف استعادة عمليات احتجاز الكربون بالكامل، وإعادة دمج AKH Holding (Mainstream Renewable Power ومشاريع أمونيا نارفيك الخضراء) في أكر هورايزن بعد إدراج منفصل لبعض أسهمها.

المصدر: Aker

هذا يجعلها سهمًا جيدًا للمستثمرين الباحثين عن تعرض طويل الأجل لقطاع الطاقة الخضراء بشكل عام، مع تموضع قوي في الأمونيا الخضراء، بالإضافة إلى طاقات خضراء أخرى، وتنوع جغرافي بعيدًا عن الأسهم الأمريكية.

الدراسة المشار إليها

^{1. Wanping Xu, Jiaqian Wang, Tianqi Zhang, Jungmi Hong, Qiang Song, Zhongkang Han, Patrick Cullen. (2025) تنظيم فراغات الأكسجين متعددة الوظائف للتحويل من الهواء إلى الأمونيا باستخدام البلازما. Angewandte Chemie. 22 أبريل 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202508240}