Lynlignende plasma for at gøre grøn ammoniak overkommelig

Vejen til en grøn ammoniakekonomi

Ammoniak, eller NH₃, har betragtes som en stor potentiel kandidat til at erstatte flydende brændstof fremstillet af olie og andre fossile brændstoffer. Dette skyldes, at det fremstilles ved hjælp af en yderst rigelig ressource, atmosfærisk kvælstof (N₂), og ikke nødvendigvis kræver olie eller metan til produktionen.

Da ammoniak er en vigtig gødning, udgør dets produktion i dag en enorm del af den kemiske industri, hvilket gør det til den næstmest producerede kemikalie i verden.

Ammoniak fremstilles i øjeblikket fortrinsvis gennem Haber-Bosch-processen, hvor nitrogen kombineres med hydrogen for at producere ammoniak under højt tryk og høje temperaturer, hvilket gør processen iboende energikrævende.

Kilde: Angewandte Chemie

Dog påvirker kilden til dette hydrogen, hvor forurenende ammoniakproduktionen kan være. I dag stammer det meste af hydrogenet til ammoniakproduktion fra fossile brændstoffer, hvilket gør ammoniak ansvarlig for 1,3 % af de globale CO₂‑emissioner.

Ideelt set ville en ammoniakekonomi basere sig på såkaldt grøn ammoniak fremstillet af vedvarende energi. Dette adskiller den fra andre typer ammoniak:

• Grå/brun ammoniak: produceret fra fossile brændstoffer.
• Blå ammoniak: produceret fra fossile brændstoffer men med kulstoffangst.
• Lyserød ammoniak (nogle gange også kaldet gul ammoniak): produceret fra nuklear energi.
• Turkis ammoniak: produceret ved pyrolyse af metan. Dette nedbryder metan til hydrogen og fast kulstof, hvor hydrogenen senere omdannes til ammoniak. Det faste kulstof kan lagres eller anvendes i applikationer som kulfiber.

Så længe ammoniak ikke primært er grøn ammoniak, er det ret meningsløst at bruge den til at erstatte fossile brændstoffer i transport og industri, da det blot flytter forbrugsstedet for fossile brændstoffer.

“Industrien har kun øget sin appetit på ammoniak. I det sidste årti har det globale videnskabelige samfund, inklusive vores laboratorium, ønsket at finde en mere bæredygtig måde at producere ammoniak på, som ikke er afhængig af fossile brændstoffer.

Prof. PJ Cullen – Professor ved University of Sydney og Net Zero Institute

Derfor kan nye opdagelser, der fuldstændigt ændrer måden, ammoniak produceres på, væk fra den århundredegamle Haber‑Bosch‑proces, blive en spilskifter.

En sådan innovation kan muligvis være blevet udviklet af forskere ved University of Sydney (Australien) og Zhejiang University (Kina), som bruger plasma til at producere kvælstof fra luft. De offentliggjorde deres resultater i Angewandte Chemie¹ under titlen “Regulating Multifunctional Oxygen Vacancies for Plasma-Driven Air-to-Ammonia Conversion”.

Hvorfor ammoniak?

Hvis ammoniak i bund og grund er omdannet hydrogen, hvorfor så ikke bruge hydrogen direkte?

Forskellen i forhold til hydrogen er, at ammoniak er et meget større molekyle end H₂ og meget mere stabilt. Dette gør transport og lagring langt lettere. Ammoniak har også næsten 50 % højere energitæthed end flydende hydrogen.

Kilde: Kleinman Center For Energy Policy

Denne energitæthed og lettere lagring gør ammoniak til en fremragende kandidat til brug i transport, især energikrævende langdistancerejser som skibsfart, noget vi diskuterede i detaljer i “Decarbonizing Global Shipping Lanes Through Green Ammonia”.

Det ville også gøre ammoniak til en god kandidat til lagring i år eller måneder, et langvarigt problem med at balancere energinet, der er afhængige af grøn energi, hvor for eksempel overskydende solenergi om sommeren eller i perioder med kraftig vind kan bruges til at producere overskydende ammoniak, som så kan forbruges om vinteren eller i perioder med lav vind.

Problemer med ammoniakproduktion

Så længe ammoniakproduktionen er afhængig af Haber‑Bosch, kan overgangen til et grønnere brændstof tage tid.

Hovedårsagen er, at produktion af grøn hydrogen er kompleks og dyr, ofte kræver sjældne metaller som platin, selvom dette sandsynligvis vil ændre sig takket være fremskridt inden for nanoteknologi, såsom brug af nikkel‑nanorods i stedet.

Den anden grund er, at produktion af ammoniak med hydrogen betyder, at det er en flertrinsproces, hvor hvert trin kræver kapitalinvestering og reducerer den samlede energiydelse af hele produktionsprocessen:

• Grøn energi skal først produceres med sol‑, vind‑ eller vandkraftteknologier.
• Den elektricitet transporteres derefter til en elektrolyseur, der producerer hydrogen.
• Hydrogenet anvendes derefter til ammoniakproduktion.

Da grøn energi generelt er mere intermitterende og decentraliseret, medfører dette ekstra omkostninger ved at kræve centraliseret produktion af hydrogen og ammoniak.

“I øjeblikket kræver fremstilling af ammoniak centraliseret produktion og langdistancetransport af produktet. Vi har brug for en omkostningseffektiv, decentraliseret og skalerbar ‘grøn ammoniak’”

Prof. PJ Cullen – Professor ved University of Sydney og Net Zero Institute

Hvordan ikke‑termisk plasma kan revolutionere grøn ammoniak

Hvad er ikke‑termisk plasma?

Andre metoder end Haber‑Bosch findes til at producere ammoniak. Den generelle idé er at bruge elektricitet til at oxidere kvælstof og derefter tilføje hydrogenatomer (nitrogenreduceringsreaktion – eNRR).

Disse metoder er dog begrænset af kvælstofs lave opløselighed og uønskede andre reaktioner i vandholdige opløsninger. Derfor overvejes i stedet ikke‑termisk plasma (NTP), da NTP er bedre egnet til oxidationsreaktioner end kemisk reduktion.

Kilde: Angewandte Chemie

Det resulterende nitrat (NO₃⁻) og nitrit (NO₂⁻) har en opløselighed i vand, der er næsten 40.000 gange højere end N₂.

Disse metoder er lovende, men kræver at kvælstof og ilt udvindes fra luft og renses, hvilket øger omkostningerne.

Derfor er tilgange, hvor luft direkte aktiveres til at producere NOx, og de resulterende NOx‑intermediater reduceres til NH₄⁺ via elektrokemisk konversion, attraktive.

Kobber‑jern katalysator

Forskerne brugte et nanogitter af kobber (P‑Cu), hvor en ilt‑plasmaatmosfære blev anvendt til at skabe defekter (CuₓO/Cu) og meget reaktive arter som O⁻‑ioner, O‑atomer og O₃‑ (ozon) molekyler. Disse reaktive iltarter interagerer med Cu og fører til overfladeoxidation.

Derefter skabte tilsætning af jernatomer stabile Fe–O–Cu brobindinger på overfladen.

Kilde: Angewandte Chemie

Ved hjælp af energidispersiv røntgen‑spektroskopi (EDS) kunne forskerne studere de meget komplekse krystallinske strukturer, der dannes i denne proces. De meget små stænger og komplekse strukturer øgede materialets overflade, hvilket gjorde det til en bedre katalysator.

Kilde: Angewandte Chemie

Elektrokatalyse af ammoniak

Fe₂O₃ NPs/Cu blev brugt som katode til produktion af ammoniak fra kvælstof og vand, hvor både oxidation af kvælstof og elektrolyse af vand til hydrogen blev kontrolleret direkte.

Tests viste, at tilsætning af Fe₂O₃ på kobber effektivt forbedrer den elektrokatalytiske aktivitet.

Kilde: Angewandte Chemie

De analyserede i detaljer, hvordan ammoniakproduktionen fungerer, og bekræftede, at det faktisk er en kompleks, lagdelt kemisk reaktion, der foregår meget hurtigt, hvor NO₂ omdannes til NH₃.

Kilde: Angewandte Chemie

Endnu vigtigere havde reaktionen en næsten 100 % faradisk effektivitet ved 300 mA, hvilket betyder, at størstedelen af den anvendte elektricitet omdannes til kemisk energi, hvilket gør den en størrelsesorden mere effektiv end de flere trin i klassisk vand‑elektrolyse (til hydrogenproduktion) og derefter nitrogen‑til‑ammoniak‑konversion.

“Denne nye tilgang er en to‑trins proces, nemlig kombination af plasma og elektrolyse. Vi har allerede gjort plasma‑komponenten levedygtig med hensyn til energieffektivitet og skalerbarhed.”

Prof. PJ Cullen – Professor ved University of Sydney og Net Zero Institute

Fremtiden

Samlet set viser denne metode, at der findes andre veje til ammoniakproduktion, som potentielt kan omgå Haber‑Bosch‑processen fuldstændigt, og behovet for først at producere grøn hydrogen separat.

Dette udgør også en forbedring i forhold til en tidligere version af denne teknologi, som måtte bruge en kobber‑palladium‑katalysator i stedet for jern, hvor palladium er et dyrt metal.

Denne undersøgelse fokuserede primært på udviklingen af en effektiv katalysator til oxidation af kvælstof direkte fra ufiltreret og raffineret luft.

For at gøre den økonomisk levedygtig, skal elektrolyse‑komponenten, der producerer hydrogen, stadig forbedres. Heldigvis sker der fremskridt inden for hydrogenproduktion ved brug af hidtil ikke‑anvendte katalysatorer eller endda selv‑optimerende katalysatorer.

Så sandsynligvis vil vi på mellemlang sigt se en kombination af forskellige teknologier i en kommerciel ammoniakproduktionsmaskine, såsom direkte kvælstofoxidation med plasma ved brug af kobber og jern samt vand‑elektrolyse med lige så billige metaller.

Disse enheder kan installeres direkte på steder for produktion af grøn energi, og den resulterende ammoniak kan lagres i en relativt billig tank (sammenlignet med hydrogen) for derefter at blive transporteret via rørledninger, lastbiler eller tankskibe.

Det vil sandsynligvis være virksomheder, der kan integrere vertikalt grøn energiproduktion, ammoniakproduktion og transport af ammoniak, som vil få mest udbytte af sådanne designs.

Ammoniakvirksomhed

Aker Horizons ASA (AKH.OL)

Aker Horizon er et datterselskab af Aker‑gruppen med fokus på grøn energi. Gruppen er et stort norsk konglomerat med fokus på vedvarende energi samt marine/offshore‑virksomheder.

Kilde: Aker

Aker Horizon er holdingselskabet for flere datterselskaber, herunder grøn hydrogen, on‑shore og offshore‑vindmølleparker samt solparker. Dette inkluderer Mainstream Renewable Power, et forsyningsselskab med 20,4 GW vedvarende energi under udvikling i Sydafrika (12,3 GW) og andre lande (Asien, Sydamerika, Europa).

Virksomheden er særligt aktiv inden for produktion af hydrogen og grøn ammoniak med mål om at dekarbonisere arktisk skibsfart samt med interesse fra datacentre.

Kilde: Aker

Aker er ikke udelukkende en grøn ammoniak‑virksomhed, men kan håndtere hele den vertikale integration af grøn ammoniak, fra offshore‑vindmøller til hydrogenproduktion (indtil videre) til produktion af grøn ammoniak. De arbejder også på projekter som affald‑til‑energi i Frankrig, et biomasseanlæg i Tyskland og kulstoffangst i Mellemøsten (Saudi-Arabien og De Forenede Arabiske Emirater).

I maj 2025 har Aker overvejet en omstrukturering på grund af lave priser i den grønne energisektor, primært med henblik på fuldt at genkøbe sine kulstoffangst‑operationer og reintegrere AKH Holding (Mainstream Renewable Power og Narvik‑projekterne for grøn ammoniak) i Aker Horizon efter en separat notering af nogle af dets aktier.

Kilde: Aker

Dette gør den til en god aktie for investorer, der søger langsigtet eksponering mod den brede grønne energisektor, med en stærk position inden for grøn ammoniak, men også andre grønne energier, samt en vis geografisk diversificering væk fra nordamerikanske aktier.

Studie refereret

^{1. Wanping Xu, Jiaqian Wang, Tianqi Zhang, Jungmi Hong, Qiang Song, Zhongkang Han, Patrick Cullen. (2025) Regulating Multifunctional Oxygen Vacancies for Plasma-Driven Air-to-Ammonia Conversion. Angewandte Chemie. 22 april 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202508240}