Ammoniak som brintbærer — Fem aktier inden for grøn ammoniak

Jagten på at erstatte flydende brændstoffer

Når vind- og solenergi vokser, øger den svingende produktion behovet for energilagring og fleksibilitet. Batterier er én mulighed, som vi gennemgik i artiklen »Fremtidens energilagring – batteriteknologi i stor skala«.

Nogle anvendelser er særlig vanskelige at elektrificere, eksempelvis langdistanceskibsfart og luftfragt.

Ved vejgodstransport er batterivægt, ladeinfrastruktur og produktionskapacitet udfordringer, især over lange afstande. Elektrificeringen var dog allerede begyndt i 2023: de første Tesla (TSLA ) Semi-lastbiler blev leveret i december 2022.

Benzin, diesel og flybrændstof indeholder meget kemisk energi pr. kilogram, mere end batterier. En samlet sammenligning skal også inddrage drivlinjens virkningsgrad.

Derfor er flydende alternativer til olieprodukter interessante. Biobrændstoffer fremstilles af vedvarende biomasse og kan ligne fossile brændstoffer, men sammensætning og miljøpåvirkning varierer. Vi behandlede emnet i »Biobrændstof fra alger: den næste energirevolution?«.

En anden idé er at bruge brint som energibærer. Det er universets mest udbredte grundstof, men billig produktion, kondensering, transport og lagring er udfordringer.

Brint kan lagres i kemiske forbindelser og behøver ikke kun at være H2-gas. Kvælstof, der udgør cirka 78 % af luften, kan forbindes med brint til ammoniak.

Ammoniak som energibærer

Enkel kemi

Ammoniak, NH3, bruges til fremstilling af gødning og kan afgive energi ved forbrænding eller oxidation. Den ideelle fuldstændige forbrænding til kvælstof og vand er:

4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O

Ved denne ideelle reaktion dannes ingen direkte CO2, ligesom ved forbrænding af ren brint. Virkelig forbrænding kan dog danne skadelige stoffer, og ammoniak er i sig selv giftig og kræver sikker håndtering.

Flydende ammoniak kan lagres ved langt mindre ekstreme temperaturer og tryk end flydende brint. Den citerede analyse angiver 3,83 MWh/m³ for ammoniak mod 2,64 MWh/m³ for flydende brint: cirka 45 % mere energi pr. volumenenhed, ikke pr. kilogram.

Kilde: Kleinman Center For Energy Policy

I den citerede analyse fra Kleinman Center beregnes energiforbruget til at gøre brint flydende til 44,7 % af den lagrede energi ved −253 °C (−423°F). Med modellens antagelser kunne tabene ved sæsonlagring nå 79 %. Resultaterne afhænger af lagringstid og teknik; aktiv køling kan begrænse fordampning.

Ifølge samme analyse kan ammoniak gøres flydende ved afkøling under −33 °C ved atmosfærisk tryk eller ved tryk over 7,5 bar ved 20 °C. Den nævnte effektivitet på næsten 99 % gælder kun dette trin, ikke hele kæden fra elektricitet til brændstof og tilbage.

Kilde: Kleinman Center For Energy Policy

Eksisterende infrastruktur

Ammoniak produceres allerede i stor skala, især til gødning og desuden til blandt andet plast og sprængstoffer. Der findes derfor industrielle processer og forsyningskæder. Konventionel produktion er dog stærkt afhængig af fossile råvarer og energi. Ammoniak er blandt verdens mest producerede industrikemikalier.

En ammoniakøkonomi med lave udledninger ville især anvende grøn ammoniak fremstillet med vedvarende energi. Det adskiller sig fra følgende andre produktionsveje:

• Grå eller brun ammoniak: fossile råvarer uden CO2-fangst.
• Blå ammoniak: fossil produktion med CO2-fangst. Klimapåvirkningen afhænger blandt andet af fangstgrad og metanlækager.
• Lyserød ammoniak: produktion med atomenergi. Farvebetegnelser bruges ikke ens overalt; gul kan også betyde andre produktionsformer.
• Turkis ammoniak: brint fra metanpyrolyse omdannes til ammoniak. Det faste kulstof, som samtidig dannes, kan lagres eller bruges i egnede produkter.

Analysen nævner cirka 5.000 km ammoniakledninger i USA mod 490.000 km højtryksledninger til naturgas. Eksisterende infrastruktur er nyttig, men udbygning kræver egnede materialer og sikkerhedsforanstaltninger. Ammoniak kan ikke generelt kaldes ikke-korrosiv: materialekompatibilitet og spændingskorrosion spiller også en rolle, selv om problemerne adskiller sig fra brintskørhed.

Det kræver store investeringer i produktion og infrastruktur. I det citerede scenarie ville erstatning af halvdelen af verdens naturgasforbrug kræve omkring tyve gange så stor ammoniakproduktion. Det illustrerer scenariets størrelsesorden, ikke en produktionsprognose.

Kleinman Centers tabel sammenligner forskellige lagringskæder. For ammoniak angiver den cirka 42,5–52,3 % genvundet energi efter syv dage og 41,8–51 % efter 182 dage. Den øvre grænse på 84 % gælder komprimeret brint, ikke ammoniak. Tallene beskriver den modellerede kæde frem til genvundet brintenergi, ikke nødvendigvis elektricitet leveret tilbage til nettet.

Kilde: Kleinman Center For Energy Policy

Begrænsningerne ved ammoniak

Ved virkelig ammoniakforbrænding kan der dannes kvælstofoxider (NOx), uforbrændt ammoniak og lattergas (N2O). NOx skader luftkvaliteten. N2O er en anden gas med cirka 273 gange CO2’s opvarmningspotentiale pr. kilogram over hundrede år ifølge EPA’s anvendte værdi. Det tal gælder ikke alle NOx. Mulige tekniske tiltag omfatter:

• At brænde grøn ammoniak sammen med fossilt brændstof. Det fjerner ikke automatisk alle udledninger.
• At blande ammoniak med brint for at understøtte forbrændingen.
• At spalte ammoniak til kvælstof og brint efter behov på brugsstedet, eksempelvis ved en tankstation. Processen kaldes krakning.
• At anvende egnede brændselscellesystemer til at producere elektricitet til en elmotor, direkte fra ammoniak eller efter omdannelse til brint.
• At reducere NOx med efterbehandling af udstødningsgas. Et eksempel er NOx-lagringskatalyse med platin, palladium eller rhodium. Ikke alle løsninger kræver disse metaller: kobberzeolitter og vanadiumholdige SCR-katalysatorer anvendes også. Omkostninger og materialebehov afhænger af systemet.

En klimagevinst kræver derfor kontrol med produktionsudledninger samt NOx, N2O og ammoniaktab under brugen. Det er forkert at behandle alle NOx som én drivhusgas med samme opvarmningspotentiale.

Ammoniak som brintbærer

Ammoniak kan spaltes tilbage til kvælstof og brint. Derfor kan den fungere som brintbærer, også hvor direkte forbrænding ikke egner sig til anvendelsen.

I denne kæde anvendes ammoniak til lagring og transport samt visse direkte formål. Efter krakning kan brinten renses og eventuelt komprimeres til en brændselscelle eller egnet motor. Disse trin kræver også energi. Mulige fordele afhænger af udformning og anvendelse:

• Mindre ekstreme betingelser for at gøre brændstoffet flydende end for brint, samtidig med at produktionen kan bruge vedvarende energi.
• Billig vedvarende energi i perioder med overproduktion (stærk sol & vind) kan bruges til at reducere de samlede brændstofproduktionsomkostninger.
• Lagring af brændstof i flere måneder kan øge energisystemets og transportens robusthed. Et lager kan ved strømsvigt støtte blandt andet ambulancer og forsyningskæder, hvis brændstofanlæg og distribution også fungerer.
  • At gemme overskud fra solrige eller blæsende måneder til perioder med mindre vedvarende produktion.

En skarp modsætning mellem en ammoniakøkonomi og en brintøkonomi kan derfor være misvisende.

Et muligt scenarie er en kombination af ammoniak og brint, hvor hver energibærer bruges, hvor dens egenskaber passer bedst:

• Ammoniak til transport af energibæreren, langtidslagring og udnyttelse af midlertidige eloverskud.
• Brint til direkte brug, kortere lagring og visse industriprocesser såsom stålproduktion. Anvendelse i flymotorer kræver yderligere teknisk udvikling.

Atomkraftværker kunne også bidrage til lavere udledninger ved at levere kulstoffattig energi til lyserød ammoniak, sideløbende med elektrificering af transporten.

Vejen til en ammoniakøkonomi

Tidspunktet for bred anvendelse er usikkert. De undersøgelser, som blev omtalt i 2023, beskrev storstilet grøn produktion som anden generation, muligvis fra 2030 og frem. Det var et udviklingsscenarie, ikke en fast dato for et kommercielt gennembrud.

Mere effektiv produktion via direkte elektrokemisk reduktion blev i scenariet beskrevet som tredje generation i slutningen af 2030’erne. Teknikken og egnede elektrokatalysatorer var stadig under udvikling.

Kilde: Science Direct

Forventningerne til grøn ammoniak var dengang store. En markedsprognose fra 2023 forudså vækst fra cirka 300 millioner dollar i 2023 til 17,9 milliarder dollar i 2030, svarende til cirka 72,9 % sammensat årlig vækst. Det var et historisk skøn, ikke realiseret vækst eller en garanti.

Fem selskaber med eksponering mod grøn ammoniak og brint

Denne liste fokuserer på grønne ammoniak- eller grønne brintvirksomheder. Men nuværende ledere inden for ammoniakproduktion, som for eksempel CF Industries Holdings, Inc. (CF ) (CF) eller Yara International ASA (YAR.OL) kan med tiden omlægge produktion til grøn ammoniak og dermed også være relevante.

1. Aker Horizons ASA (AKH.OL)

Aker Horizons var i 2023 et grønt energiselskab i den norske Aker-koncern. Koncernen havde aktiviteter inden for blandt andet vedvarende energi, skibsfart og offshorevirksomhed.

Kilde: Aker

Aker Horizons var et holdingselskab med investeringer i vedvarende energi, CO2-fangst og udvikling af brintprojekter.

Kilde: Aker

Selskabet udviklede brint- og grønne ammoniakprojekter med blandt andet det mål at sænke udledninger fra arktisk skibsfart. Projektudvikling betød ikke, at alle planlagte anlæg allerede producerede.

Kilde: Aker

Det var ikke et rent ammoniakselskab. Porteføljen omfattede forskellige led fra vedvarende elproduktion til brint og planlagt ammoniakproduktion. Artiklen nævnte også affaldsenergi i Frankrig, biomasse i Tyskland og CO2-fangst i Saudi-Arabien og De Forenede Arabiske Emirater.

Investeringsidéen i artiklen fra 2023 var, at bredden gav eksponering mod flere energiteknikker og geografiske områder. Projekternes gennemførelse og finansiering var fortsat afgørende.

2. Plug Power Inc. (PLUG)

Plug Power (PLUG ) arbejder med brændselsceller og grøn brint. Artiklen nævnte historisk over 40.000 gaffeltrucks med selskabets brændselsceller og en omsætning otte gange niveauet fra 2013. Det udviklede også brintproduktion, logistik, leverancer og strømforsyning i stor skala.

Kilde: Plug Power

I oktober 2023 forventede Plug, at opskalering kunne sænke de gennemsnitlige omkostninger ved leveret brint fra cirka 10 til 4 dollar pr. kilogram frem mod 2027. Artiklen beskrev den store forventede volumenvækst som omtrent fjorten gange. Det var mål, ikke opnåede resultater.

Kilde: Plug Power

Plug havde underskud og investerede i udbygning. Præsentationen nævnte 1.900 % større kapacitet til fremstilling af udstyr siden 2020, ikke nitten gange så stor faktisk brintproduktion. Omsætningsprognosen for andet halvår 2023 var cirka 730 millioner dollar mod cirka 470 millioner i første halvår; det var ikke en allerede realiseret fordobling. Nordamerika var en vigtig del af aktiviteter og planer.

Plug præsenterede brint som transportbrændstof og mulig supplering af elbiler. Produktion på passende tidspunkter og brug i brændselsceller kan give fleksibilitet, men medfører også ekstra energitab.

Kilde: Plug Power

Vækst i brint- og ammoniakanvendelser kunne øge efterspørgslen efter Plugs produkter. Selskabet fokuserede især på brint og brændselsceller, men præsentationen omfattede også et projekt under udvikling i Finland med ammoniakproduktion. Direkte forbindelse til ammoniak kunne derfor ikke helt udelukkes.

Artiklen så selskabet som en mulig investering i brint, med eller uden ammoniak som transportbærer. Resultatet afhænger blandt andet af produktionsomkostninger, logistik, lagring, efterspørgsel og finansiering.

3. Ballard Power Systems Inc. (BLDP)

Ballard er en anden producent af brændselsceller og en pioner inden for teknologien med deres første brændselscellebus i 1993.

I juni 2023 fokuserede Ballard på busser, lastbiler, tog og sporvogne, skibe, mine- og entreprenørmaskiner samt elproduktion. Det forventede et større bidrag fra lastbiler frem mod 2025 og cirka 50–60 % af omsætningen fra Europa, efterfulgt af Nordamerika med cirka 25 %. Det var datidens forventede fordeling af aktiviteterne.

Ballard anslog for 2030 et potentielt marked på cirka 7,5 milliarder dollar for brændselsceller til lastbiler inden for et samlet lastbilmarked på cirka 195 milliarder. Brændselscelleskønnet var næsten lige så stort som de øvrige anvendelser i den pågældende tabel tilsammen, ikke alle verdens brintanvendelser.

Kilde: Ballard

Lang rækkevidde og hurtig tankning kan gøre brændselsceller interessante i visse tunge transportopgaver. På ikke-elektrificerede jernbaner kan de mindske behovet for køreledninger. Egnetheden afhænger af ruten og brintinfrastrukturen; der er tale om tankning, ikke hurtig batteriopladning.

Kilde: Ballard

Et konkret eksempel var aftalen af 8. december 2022 med Amogy om indledningsvis tre maritime FCwave-brændselsceller på hver 200 kW. Amogys system spalter ammoniak til brint; PEM-brændselscellerne tilføres ikke ammoniak direkte.

Artiklen så tung transport som en potentiel vækstmulighed for Ballard ved en voksende brintøkonomi. Udviklingen afhænger af infrastruktur, omkostninger og ordrer og følger ikke automatisk af politisk støtte.

4. FuelPositive Corporation (NHHHF)

FuelPositive udviklede det modulære, containerbaserede FP300 til lokal produktion af grøn ammoniak, først til landbruget. De nævnte specifikationer var op til 300 kg dagligt eller cirka 100 metriske ton årligt med en indledende basispris på 950.000 canadiske dollar. Den endelige pris afhang af tilpasningen.

Kilde: Fuel Positive

Selskabet brugte en gård på 1.800 acres, cirka 728 hektar, som eksempel. I præsentationen optog et solcelleanlæg på cirka 1 MW med lagring vejledende 1,5 acre, cirka 0,61 hektar. Det var et virksomhedseksempel, ikke en garanti for, at samme areal dækker energibehovet i ethvert klima.

Kilde: Fuel Positive

FuelPositive anslog driftsomkostninger på cirka 560 canadiske dollar pr. ton, afhængigt af elprisen. Det var ikke de fulde omkostninger inklusive køb af anlægget. Lokal produktion kunne reducere påvirkningen fra markedsudsving, men ikke fjerne alle risici. Artiklen nævnte en historisk ammoniakpris på op til 1.350 dollar pr. ton i en bestemt periode.

Kilde: BusinessAnalitIQ

Selskabet var i en tidlig fase i 2023. På generalforsamlingen var formalisering af de første 30 systemordrer og drift af en ny fabrik i begyndelsen af 2025 mål. Det dokumenterede ikke 30 allerede bekræftede ordrer. Første levering i marts eller foråret 2024 var dengang planlagt, ikke gennemført.

Artiklen fremhævede det modulære design, som kunne støtte decentral produktion og standardiseret fremstilling af udstyr.

FuelPositive udviklede et partnerskab med Cipher Neutron, som udviklede elektrolysatorer med anionbyttermembran uden metaller fra platingruppen.

Gødning var det første målmarked. Brug af ammoniak som brændstof til landbrugsmaskiner ville kræve egnede motorer eller brintsystemer og den nødvendige infrastruktur.

Den decentrale, modulære tilgang kunne senere også betjene ammoniak som energibærer. Gødningsmarkedet var det første område for kommerciel udvikling før bredere energianvendelser.

5. AmmPower Corp. (AMMPF)

AmmPower udviklede også modulære anlæg med en planlagt IAMM-kapacitet på fire metriske ton ammoniak dagligt. Målgruppen var gårde på over 10.000 acres, cirka 4.047 hektar, og industri som tekstiler, køling, minedrift, lægemidler og halvledere. Den nominelle kapacitet betød ikke, at en stor bestand af anlæg allerede var installeret.

Kilde: AmmPower

Artiklen nævnte dengang potentielle kortsigtede ordrer på 30 millioner dollar og salgsmuligheder for 690 systemer i 52 lande. Det var kommercielle muligheder, ikke bekræftede kontrakter eller realiseret omsætning.

Skønnet på 360 dollar pr. ton gjaldt kun elektricitet, ikke samlede produktions-, vedligeholdelses- og kapitalomkostninger.

Den modulære tilgang sigtede mod levering på under et år mod tre eller fire år for visse konventionelle projekter. Det var et udviklingsmål; den faktiske tid afhang også af projekt og tilladelser.

Den 15. juni 2023 annoncerede AmmPower en joint venture-aftale med CTEC Energy Sales USA om udnyttelse af affald til ammoniakproduktion. Den foreslåede kæde brugte brint og elektricitet fra affald til at drive IAMM-synteseanlæg.

Artiklen nævnte også en plan om et særskilt datterselskab til krakning af ammoniak til brint med separat finansiering. Teknikken var under udvikling, ikke dokumenteret i kommerciel skala.

AmmPower rettede sig mod industrikunder og store landbrug med forholdsvis god adgang til kapital. Ammoniaksyntese og krakning kunne skabe muligheder i et brintmarked, men udbygning afhang af finansiering, teknisk udvikling og faktiske ordrer.