Lyninspireret plasma‑elektrokemisk reaktor kan løse vores ammoniabehov med nul CO₂‑aftryk

At finde vejen til en ammoniakekonomi

Efterhånden som vedvarende energier udvikler sig, bliver nogle begrænsninger tydeligere. Vedvarende energiers intermitterende karakter kræver energilagring, som kan være batterier, som vi udforskede i vores artikel “The Future Of Energy Storage—Utility-Scale Batteries Tech.”

Dog er nogle former for energiforbrug meget modstandsdygtige over for elektrificering. For eksempel langdistancetransport til søs eller luftfragt.

Til disse anvendelser er tæt flydende brændstof at foretrække og sandsynligvis det mest sandsynlige valg til luftrejser. Derfor er ammoniak blevet betragtet som et solidt alternativ til fossile brændstoffer. Ammoniak er også en nøgleforbindelse i produktionen af gødning og kemikalier som sprængstoffer.

I øjeblikket står ammoniak for 1,8 % af den globale energiforbrug og CO₂‑udledning, og det er før vi forsøger at bruge den til transport. Den produceres i dag ved forbrænding af metan, hvilket skaber såkaldt grå ammoniak. Et bedre alternativ ville være såkaldt grøn ammoniak, produceret fra vedvarende energi.

Problemet er, at grøn ammoniak i øjeblikket er meget dyrere end oliebaserede brændstoffer eller grå ammoniak. I høj grad skyldes dette, at ammoniak produceres ved brug af hydrogen, som selv er dyrt at fremstille ved elektrolyse.

Alternativer som lithium‑medigieret katalyse kan være mulige og billigere, men måske stadig ikke billige nok.

Men der kan være et alternativ til hydrogen, i hvert fald ifølge forskere ved Buffalo State University of New York og University of Auckland (New Zealand). De offentliggjorde for nylig deres resultater om, hvordan man producerer ammoniak med plasma i Journal of the American Chemical Society under titlen “Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma‑Electrochemical Ammonia Synthesis¹”.

De mange veje til ammoniakproduktion

Kvælstof (N₂) er meget rigeligt på Jorden og udgør 78 % af atmosfæren. Men for at være nyttigt for planter eller som kemikalie, har vi brug for det i form af ammoniak (NH₃) eller nitrat (NO₃). At tilføje disse hydrogenatomer til kvælstofatomet er en meget energikrævende proces.

En måde at gøre det på er gennem specielle bakterier, kaldet kvælstoffikserende bakterier. Dette er en af de største kilder til naturligt kvælstof (100–300 teragram kvælstof pr. år globalt), men generelt utilstrækkelig til intensivt landbrug.

Som nævnt er en anden metode at bruge hydrogen (H₂), men produktion af grøn hydrogen er dyrt.

Der er dog en tredje måde at producere ammoniak på, som forekommer naturligt. Når lynet slår ned, bryder den intense elektriske strøm N₂ op og skaber flere former for kvælstofoxider.

Kilde: Britannica

I naturen omdannes disse kvælstofoxider derefter til ammoniak af bakterier. Dette udgør kun en lille del af den naturlige ammoniakproduktion, i området 3–10 teragram. Dette er noget, der kan replikeres kunstigt, så behovet for hydrogen helt kan omgås.

Menneskeskabt plasma erstatter lyn

Forskerne injicerede luft i en plasmareaktor, en beholder med en elektrode og et glasrør. Plasmaudladningerne efterligner lynets effekt og skaber en kompleks blanding af kvælstofoxider i reaktionskammeret.

Kilde: ACS Publication

Disse blandede gasser sendes derefter til en katalytisk reaktor, der indeholder en kobber‑palladiumlegering struktureret som en skum. Denne katalysator har ansvaret for først at absorbere kvælstofoxiderne fra den resterende luft og derefter erstatte de bakterier, som i naturen ville have omdannet oxiderne til ammoniak.

Finjustering af katalysen

Det andet trin i omdannelsen af kvælstofoxider til ammoniak er alt andet end enkelt.

“Når plasmaenergi eller et lynslag aktiverer kvælstof, genererer du en suppe af kvælstofoxidforbindelser. At konvertere samtidig, i vores tilfælde, op til otte forskellige kemiske forbindelser til ammoniak er utrolig svært.”

Xiaoli Ge – Postdoktoral forsker ved University at Buffalo

Det er også et problem, da kvælstofoxider er noget forurenende, og enhver stor produktion af ammoniak med denne metode skal have så lidt resterende kvælstofoxider som muligt.

Så måtte forskerne skabe en række bimetalliske katalysatorer, som derefter blev finjusteret for at målrette “den optimale adsorption og konversion af den begrænsende mellemprodukt i NOx-til-NH3-stien”.

De brugte en matematisk proces kaldet grafteori til at kortlægge alle de forskellige reaktionsveje. På den måde kunne de fra starten identificere, hvor flaskehalsene var, og hvordan konverteringseffektiviteten kunne forbedres.

Ved at gøre dette opdagede de, at de fleste kvælstofoxidforbindelser skal cykle gennem kvælstofoxid eller amin som et mellemtrin, før de bliver til ammoniak. Så lavede de en katalysator, der binder sig gunstigt til disse to forbindelser.

Skalering op

Det færdige design opnåede en ammoniakproduktionsrate på 81,2 mg/t·cm². Plasma kammeret og kobber‑palladiumkatalysatoren var stabile efter mere end 1.000 timers drift ved en påført strøm på 2 ampere.

Forskningsholdet undersøger nu det næste skridt i skaleringen af deres eksperimentelle reaktor, overvejer både en opstart og licensering af teknologien til industrielle partnere. Buffalo University har også indgivet en patentansøgning for reaktoren.

I modsætning til den nuværende fossile brændstofbaserede produktion, vil denne plasma‑baserede ammoniakproduktion give nogle få nøglefordele:

• Da den er fuldstændig drevet af elektricitet til plasma‑generering, kan den drives af 100 % grøn energi.
• Den kunne indarbejdes i en mellemstor container og tilsluttes solpaneler, uden at kræve den massive skala af nuværende ammoniak‑anlæg.
• Yderligere fremskridt inden for katalysescience kan hjælpe med at forbedre systemets omkostninger, samt de løbende faldende omkostninger ved grøn energi, især solenergi.

“Du kan forestille dig vores reaktorer i noget som en mellemstor shippingcontainer med solpaneler på taget. Dette kan så placeres hvor som helst i verden og generere ammoniak på efterspørgsel for den region.

Det er en meget spændende fordel ved vores system, og det vil gøre det muligt for os at producere ammoniak til underudviklede regioner med begrænset adgang til Haber‑Bosch processen.

Chris Li – Assisterende professor i kemi

Potentielt kan undersøgelse af andre muligheder, der ikke kræver dyrt palladium, såsom en bioreaktor indeholdende de rette bakterier, også være en mulighed for videre udvikling, men det kan være svært at skalere op til den volumen, der er nødvendig for at ammoniak kan blive en global brændstofkilde.

Investering i ammoniak

Vi har allerede dækket nogle få investeringsmuligheder i grøn ammoniak i tidligere artikler, samt videnskaben bag, især “Den anden brintbrændstof – Top 5 grønne ammoniakaktier” og “Dekarbonisering af globale shippingruter gennem grøn ammoniak”.

Men i forhold til fremkomsten af denne nye plasma‑baserede ammoniakproduktionsproces, kunne en mere relevant aktie at investere i være en palladiumminer, da enhver opskalering af produktionen vil kræve en enorm mængde af den katalysator, som forskerne bruger.

Palladium blev primært produceret i 2023 af Rusland og Sydafrika, efterfulgt af Canada og Zimbabwe.

Kilde: Statista

Og naturligvis er direkte investering i palladium, i form af mønter eller metalstænger, også mulig fra forhandlere af ædelmetal.

Kilde: US State Mint

Palladiumpriser har været meget volatile i de seneste år, med et enormt prisstød som følge af Ukraine‑krigen og Ruslands betydning for forsyningen på dette marked. De er siden faldet tilbage.

Kilde: Investing.com

1. Sibanye Stillwater Limited

Ved langt at være den største palladium- og platinfokuserede virksomhed er Sibanye Stillwater (SBSW ) en leder i sin branche. Den er også verdens største producent af rhodium.

Udover disse metaller er den også producent af andre platingruppe‑metaller, såsom iridium og ruthenium. I høj grad skyldes dette, at metallerne i Platinum Metal Group (PGM) typisk findes og udvindes sammen i de samme malme.

Stillwater

I september 2024 Sibanye Stillwater meddelte, at de ville omstrukturere deres Montana Stillwater‑mine, hvilket reducerer minedriftens produktion med 45 % for at sænke omkostningerne. Minen, som indeholder mere palladium end platin, har lidt under lave palladiumpriser.

Dette førte til en enorm nedskrivningsomkostning på 435 millioner dollars, hvilket fik virksomheden til at registrere et tab i første halvår 2024.

Dette ville også gøre den til en værdifuld inaktiv aktiv, hvis palladium bliver et vigtigt “energi‑metal” til masseproduktion af ammoniak med plasma.

Det er også værd at bemærke, at de nuværende priser knapt dækker produktionsomkostningerne for de fleste platinrige regioner, hvilket gør det til et bunniveau for industrien før minedriftens lukning.

Kilde: Sibanye Stillwater

Sibanye Stillwater diversificerer i øjeblikket fra en ren PGM‑miner til at gå ind på guld‑ og batterimetalmarkedet, især med et litiumminerprojekt i Finland.

Kilde: Sibanye Stillwater

Virksomheden har også en tilstedeværelse inden for uranminedrift med Beisa‑uranprojektet i Sydafrika. Den solgte det for nylig til Neo Energy i bytte for en 40 % ejerandel i Neo Energy, samt royalties på al solgt uran, med betalinger begrænset til 5 dollar per pund, afhængig af spotprisen på uran.

“Salget af Beatrix 4‑skakten og Beisa‑uranprojektet er i overensstemmelse med Sibanye‑Stillwaters strategi om at frigøre værdi fra vores uranaktiver.”

Neal Froneman – Sibanye‑Stillwater administrerende direktør

Samlet set er Sibanye‑Stillwater verdens største internationale PGM‑mineringsvirksomhed, og dens aktionærer vil drage stor fordel af, at energisektoren skifter til enten hydrogen eller ammoniak som transportbrændstof. Dette skyldes, at næsten alle mulige teknologier i dette segment kræver enten platin, palladium eller rhodium til hydrogenelektrolyse, ammoniakproduktion eller brændselsceller, på grund af den grundlæggende fysik i katalyse af hydrogenreaktioner, der har brug for disse specielle metaller.

Den udvider også inden for lavkulstofenergi, fra litium til uran, hvilket gør den til en af de minedriftsselskaber, der mest sandsynligt vil drage fordel af overgangen til en grøn økonomi drevet af vedvarende energi og hydrogen/ammoniak.

Studierreference:

^{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). Controlling the reaction pathways of mixed NOxHy reactants in plasma‑electrochemical ammonia synthesis. Journal of the American Chemical Society, 146(51), 35305–35314. https://doi.org/10.1021/jacs.4c12858}