Η Παραγωγή Αμμωνίας Είναι Πολλή Αρνητική για το Περιβάλλον – Οι Μηχανικοί Μόλις Ανέπτυξαν Μια Πιο Καθαρή Μέθοδο

Αμμωνία: Από Ρύπο έως Πράσινη Εναλλακτική

Η αμμωνία έχει συζητηθεί ως εναλλακτική λύση στα ορυκτά καύσιμα για εφαρμογές που είναι δύσκολο να ηλεκτριστούν, όπως η ναυτιλία, οι μεταφορές φορτίων και η μακροπρόθεσμη αποθήκευση ενέργειας. Έχει επίσης προταθεί ως ενδιάμεσο βήμα για τη ασφαλή μεταφορά υδρογόνου που μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί σε κυψέλες καυσίμου.

Συνήθως, η παραγωγή αμμωνίας βασίζεται στη συνένωση υδρογόνου με αέριο αζώτου υπό υψηλή πίεση και θερμοκρασίες, μια διαδικασία που ονομάζεται Διαδικασία Haber‑Bosch. Δυστυχώς, αυτή η μέθοδος είναι ρυπογόνα και δεν είναι πολύ ενεργειακά αποδοτική.

Πηγή: Research Gate

Αντίθετα, ερευνητές του the University of Illinois, Texas Tech University, και General Ammonia Company έχουν βελτιστοποιήσει μια νέα μέθοδο παραγωγής αμμωνίας που αξιοποιεί το αιθανόλη με ένα φορτισμένο ηλεκτρόδιο λιθίου.

Αυτή δεν είναι η πρώτη τους επιτυχία, με προηγούμενες εργασίες σε electrocatalytic screens (ένα πλέγμα χαλκού) για την παραγωγή αμμωνίας, καθώς και σε “solar-to-fuel“ ammonia generators.

«Συμφωνία» Λιθίου για την Πράσινη Παραγωγή Αμμωνίας

Η νέα μέθοδος παραγωγής αμμωνίας λειτουργεί συνδυάζοντας αέριο αζώτου και ένα υγρό που δίνει υδρογόνο, όπως το αιθανόλη, με ένα φορτισμένο ηλεκτρόδιο λιθίου.

Αυτή η «σύνθεση αμμωνίας με μεσολάβηση λιθίου» (LiMAS) λειτουργεί σε 3 διαδοχικά βήματα:

1. Πρώτα, ένα βήμα που ονομάζεται εναπόθεση Li+. Αυτό γίνεται με ταλαντώσεις ρεύματος για να εξασφαλιστεί μια υψηλής ποιότητας στερεά-ηλεκτρολύτης διεπαφή (SEI) και σταθερότητα τάσης.
2. Δεύτερον, το μόριο αζώτου προσκολλάται στο λίθιο σε μια διαδικασία που ονομάζεται νιτριδισμός Li.
3. Τρίτον, η πρωτολυτική αντίδραση Li3N προσθέτει τα άτομα υδρογόνου στο άζωτο, δημιουργώντας αμμωνία (NH3).

Πηγή: ACS Publications

Οι ερευνητές περιγράφουν τη διαδικασία ως «συμφωνία», καθώς κάθε βήμα ρυθμίζεται με τέτοιο τρόπο ώστε η διαδικασία να παραμένει αποδοτική και να διατηρεί την κυκλοφορία του υλικού για τον επόμενο κύκλο χημικών αντιδράσεων.

«Υπάρχουν δύο βρόχοι που συμβαίνουν. Ο ένας είναι η αναγέννηση της πηγής υδρογόνου και ο δεύτερος η αναγέννηση του λιθίου. Υπάρχει μια συμφωνία σε αυτήν την αντίδραση, λόγω της κυκλικής διαδικασίας.

Αυτό που κάναμε ήταν να κατανοήσουμε αυτήν τη συμφωνία καλύτερα και να προσπαθήσουμε να τη ρυθμίσουμε με πολύ αποδοτικό τρόπο, ώστε να δημιουργήσουμε μια αντήχηση και να την κάνουμε να κινείται πιο γρήγορα.» – Singh, associate professor of chemical engineering at UIC.

Το βήμα της εναπόθεσης είναι η πιο σημαντική καινοτομία σε αυτήν την έρευνα, καθώς βελτιώνει σημαντικά την επιλεκτικότητα του NH3.

Βρήκαν επίσης δύο άλλους παράγοντες που ενισχύουν την παραγωγικότητα της παραγωγής αμμωνίας:

• Αύξηση της πίεσης του αερίου αζώτου έως 20 bar.
• Χρήση αλκοόλ ως πηγή υδρογόνου.
  • Το 1-βουτανόλη ως δότη υδρογόνου πέτυχε τη μεγαλύτερη απόδοση
  • Το νερό είναι πολύ λιγότερο αποδοτικό δότη υδρογόνου, αντίθετα με ό,τι πίστευε μέχρι τώρα η επιστημονική κοινότητα.

Συνολικά, αυτές οι γνώσεις κάνουν τη συνθετική αμμωνία με μεσολάβηση λιθίου υπό υψηλή πίεση (LiMAS) πιο παραγωγική από τόσο τη LiMAS χαμηλής πίεσης όσο και τη διαδικασία Haber‑Bosch.

Πηγή: UIC Today

Τα Προβλήματα της Παραγωγής Αμμωνίας

Πράσινη Αμμωνία

Αναφέραμε πώς η παραγωγή αμμωνίας είναι πιθανώς ένα κρίσιμο βήμα στην αποανθρακοποίηση ολόκληρου του τομέα της οικονομίας και στη δημιουργία μιας οικονομίας υδρογόνου. Συζητήσαμε αυτό στο άρθρο μας «Αποανθρακοποίηση των Παγκόσμιων Θαλασσίων Διαδρομών μέσω Πράσινης Αμμωνίας».

Αυτό ισχύει ιδιαίτερα εάν η διαδικασία τροφοδοτείται από πράσινη ενέργεια (συμπεριλαμβανομένου του πράσινου υδρογόνου), καθώς άλλες μορφές αμμωνίας είναι λιγότερο φιλικές προς το περιβάλλον.

Αυτό διακρίνει την πράσινη αμμωνία από άλλους τύπους αμμωνίας:

• Γκρι/καφέ αμμωνία: παράγεται από ορυκτά καύσιμα.
• Μπλε αμμωνία παράγεται από ορυκτά καύσιμα αλλά με σύλληψη άνθρακα.
• Ροζ αμμωνία (μερικές φορές αποκαλείται και κίτρινη αμμωνία): παράγεται από πυρηνική ενέργεια.
• Τυρκουάζ αμμωνία: παράγεται από την πυρόλυση του μεθανίου. Αυτό διασπά το μεθάνιο σε υδρογόνο και στερεό άνθρακα, με το υδρογόνο να μετατρέπεται αργότερα σε αμμωνία. Ο στερεός άνθρακας μπορεί να αποθηκευτεί ή να χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές όπως οι ανθρακικές ίνες.

Σήμερα, η πλειονότητα της αμμωνίας παράγεται για εφαρμογές όπως η παραγωγή λιπασμάτων και η χημική βιομηχανία (χρώματα, εκρηκτικά κ.λπ.). Κατασκευάζεται κυρίως με τη χρήση ορυκτών καυσίμων, ιδιαίτερα φυσικού αερίου.

Ως αποτέλεσμα, η αμμωνία κατατάσσεται δεύτερη μόνο μετά το τσιμέντο μεταξύ των βιομηχανικών διεργασιών ως προς τις εκπομπές άνθρακα, αποτελώντας το 1,5 % των συνολικών εκπομπών άνθρακα.

Οι υψηλές θερμοκρασίες που απαιτούνται από τη διαδικασία Haber‑Bosch δεν βοηθούν επίσης στη μείωση του ενεργειακού κόστους της παραγωγής αμμωνίας, καθώς η ενέργεια αυτή συχνά προέρχεται από ορυκτά καύσιμα, συμπεριλαμβανομένου του άνθρακα με υψηλές εκπομπές.

Βιομηχανοποίηση των LiMAs

Ενώ το λίθιο δεν είναι το φθηνότερο υλικό, δεν είναι επίσης εξαιρετικά ακριβό και δεν καταναλώνεται κατά τη δημιουργία αμμωνίας με τη χρήση LiMAS υπό υψηλή πίεση.

Έτσι, σε συνδυασμό με την υψηλή ενεργειακή απόδοση, αυτή η μέθοδος αποτελεί μια χαμηλού κόστους πηγή αμμωνίας.

Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου του Ιλινόις εκτιμούν ότι εάν κλιμακωθεί, θα είναι οικονομικά βιώσιμη

«η διαδικασία θα παρήγαγε αμμωνία στα 456 $ ανά τόνο, κάτι που είναι 60 % φθηνότερο από τις προηγούμενες προσεγγίσεις βασισμένες σε λίθιο και άλλες προτεινόμενες πράσινες μεθόδους». Singh, associate professor of chemical engineering at UIC.

Αυτό θα έθετε αυτή τη μέθοδο παραγωγής στην ίδια κατηγορία με άλλες πράσινες εναλλακτικές που βρίσκονται ακόμη σε ανάπτυξη, όπως για παράδειγμα το σύστημα παραγωγής αμμωνίας σε κοντέινερ της Fuel Positive, με στόχο 560 CA$/τόνο, ή το μοντέλο αμμωνίας της AmmPower με κόστος 360 $/τόνο μόνο για την ηλεκτρική ενέργεια (χωρίς να ληφθούν υπόψη τα έξοδα συντήρησης και κεφαλαίου).

(Συζητάμε αυτές τις 2 εταιρείες και άλλες στο άρθρο μας «Το Άλλο Καύσιμο Υδρογόνου – Τα 5 Κορυφαία Μετοχές Πράσινης Αμμωνίας»)

Τα 456 $ ανά τόνο θα ήταν επίσης σύμφωνα με τις περισσότερες περιφερειακές τιμές αμμωνίας παγκοσμίως, που αυτή τη στιγμή καθορίζονται από την παραγωγή με βάση τα ορυκτά καύσιμα.

Οι τιμές της αμμωνίας είναι επίσης ευάλωτες σε άγριες διακυμάνσεις όταν οι τιμές του φυσικού αερίου αυξάνονται, όπως το 2022 στην αρχή του πολέμου στην Ουκρανία.

Πηγή: BusinessAnalitIQ

Οι επιστήμονες συνεργάζονται ήδη με τη General Ammonia Co. για την πιλοτική δοκιμή και κλιμάκωση της διαδικασίας σύνθεσης αμμωνίας με μεσολάβηση λιθίου. Ένα πιλοτικό εργοστάσιο θα κατασκευαστεί στην περιοχή του Σικάγο και το Γραφείο Διαχείρισης Τεχνολογίας του Πανεπιστημίου του Ιλινόις έχει καταθέσει δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για τη διαδικασία.

Εταιρείες Πράσινης Αμμωνίας

1. General Ammonia Company

Η εταιρεία που συνεργάζεται με τους ερευνητές του Πανεπιστημίου του Ιλινόις δεν είναι εισηγμένη στο χρηματιστήριο, αλλά «αναζητά ενεργά επενδύσεις».

Πιστοποιημένοι επενδυτές ενδέχεται να ενδιαφέρονται να επικοινωνήσουν απευθείας μαζί τους και να συζητήσουν τους πιθανούς όρους επένδυσης στην εταιρεία και στο πιλοτικό εργοστάσιο LiMAS υψηλής πίεσης.

2. NitroVolt

Η NitroVolt είναι μια άλλη εταιρεία που επιδιώκει τη δημιουργία αμμωνίας χρησιμοποιώντας LiMAS, με αίτηση διπλώματος σε εκκρεμότητα για τη διαδικασία σύνθεσης αμμωνίας με μεσολάβηση λιθίου.

Πηγή: NitroVolt

Η δανική εταιρεία συνδυάζει τη διαδικασία LiMAS με το ιδιόκτητο σύστημα κυψελών ροής, επιτρέποντας μια συνεχόμενη, υψηλής απόδοσης αντίδραση.

Η έρευνα της εταιρείας έχει δημοσιευθεί σε σημαντικές επιστημονικές δημοσιεύσεις, κυρίως:

• Science:
  • Συνεχής ροή ηλεκτροσύνθεσης αμμωνίας μέσω μείωσης αζώτου και οξείδωσης υδρογόνου
  • Βελτίωση της σύνθεσης αμμωνίας με μεσολάβηση λιθίου με την προσθήκη οξυγόνου
• Nature: A rigorous electrochemical ammonia synthesis protocol with quantitative isotope measurements

Πηγή: NitroVolt

Η εταιρεία έλαβε την πρώτη της επένδυση στις 6 Μαρτίου 2024 από την εταιρεία κινδύνου BackingMinds.

3. FuelPositive Corporation (NHHHF)

Η FuelPositive έχει δημιουργήσει ένα μοντέλο παραγωγής πράσινης αμμωνίας σε μονάδα/κοντέινερ. Ο πρώτος της στόχος είναι ο αγροτικός τομέας, επιτρέποντας την παραγωγή αμμωνίας επί τόπου με ενέργεια που παράγεται τοπικά. Το σύστημα μπορεί να παράγει έως 300 kg/ημέρα, 100 τόνους ετησίως αμμωνίας για 950 000 CA$.

Πηγή: Fuel Positive

Αυτό το καθιστά σύστημα κατάλληλο για αγροκτήματα έως 1.800 στρέμματα. Με μόλις 1,5 στρέμματα γης καλυμμένα με ηλιακά πάνελ, επαρκεί για την τροφοδοσία της παραγωγής αμμωνίας.

Πηγή: Fuel Positive

Η FuelPositive ισχυρίζεται ότι το σύστημα της μπορεί να παράγει αμμωνία για 560 CA$/τόνο,

Η νεοσύστατη εταιρεία βρίσκεται σε πρώιμο στάδιο, με πλήρη παραγωγή προγραμματισμένη για το 2025, και 30 παραγγελίες που έχουν επιβεβαιωθεί μέχρι τώρα, με την πρώτη παράδοση προγραμματισμένη για Μάρτιο 2024.

Η κύρια δύναμη της FuelPositive είναι η αρθρωτότητα της τεχνολογίας της, που επιτρέπει μια πιο διανεμημένη προσέγγιση και τυποποιημένη μαζική παραγωγή του μονάδας παραγωγής αμμωνίας.

Η εταιρεία δημιουργεί μια συνεργασία με τη Cipher Neutron, η οποία μπορεί να παράγει υδρογόνο χωρίς κανένα μέταλλο της ομάδας των πλατινένιων.

Μια παρόμοια συνεργασία για τη χρήση/αδειοδότηση της μεθόδου LiMAS για την παραγωγή αμμωνίας θα μπορούσε να εγκατασταθεί, καθώς η δύναμη της εταιρείας βρίσκεται στον αρθρωτό σχεδιασμό της, περισσότερο από μια ιδιόκτητη τεχνολογία παραγωγής αμμωνίας.

Ενώ η κύρια εστίαση είναι η παραγωγή λιπασμάτων, η αμμωνία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία μηχανημάτων γεωργίας με ενέργεια που παράγεται επί τόπου, ανάλογα με την ταχύτητα υιοθέτησης εργαλείων γεωργίας που λειτουργούν με αμμωνία/υδρογόνο.

Η αποκεντρωμένη και αρθρωτή φύση των συστημάτων FuelPositive θα μπορούσε επίσης να τα κάνει βασικό στοιχείο μιας μελλοντικής οικονομίας αμμωνίας. Η αγορά λιπασμάτων μπορεί να καλύψει το κενό για την εταιρεία ώστε να αναπτυχθεί μέχρι η χρήση του υδρογόνου και της αμμωνίας να γίνει πιο διαδεδομένη.

4. AmmPower Corp. (AMMPF)

Η AmmPower είναι παρόμοια με τη FuelPositive, καθώς παρέχει αρθρωτά συστήματα παραγωγής αμμωνίας, αλλά σε μεγαλύτερη κλίμακα, με τη βασική μονάδα της να μπορεί να παράγει 4 τόνους/ημέρα. Αυτό τοποθετεί την εταιρεία περισσότερο στον τομέα των πολύ μεγάλων αγροκτημάτων (πάνω από 10.000 στρέμματα) ή βιομηχανικών λειτουργιών όπως τα υφαντουργεία, η ψύξη, η εξόρυξη, η φαρμακοβιομηχανία ή τα ημιαγωγοί.

Πηγή: AmmPower

Η εταιρεία βρίσκεται στη διαδικασία δημιουργίας του βιβλίου παραγγελιών της, με το κοντινό προοπτικό δυναμικό κράτησης να εκτιμάται στα 30 εκατομμύρια δολάρια, και προοπτικές πώλησης για 690 μονάδες από 52 χώρες.

Η εταιρεία εκτιμά το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας περίπου στα 360 $/τόνο αμμωνίας.

Η αρθρωτότητα του συστήματος επιτρέπει γρήγορη υλοποίηση και παραδόσεις, με λιγότερο από ένα χρόνο σε σύγκριση με τα 3‑4 χρόνια παρόμοιων έργων χωρίς την αρθρωτή προσέγγιση.

Επίσης εργάζεται σε τεχνολογία για τη μετατροπή αποβλήτων σε αμμωνία, σε κοινή επιχείρηση με την CTEC Energy Sales USA.

Και εδώ, θα μπορούσαν να δημιουργηθούν άλλες συνεργασίες για την ενσωμάτωση της διαδικασίας αμμωνίας LiMAS στον αρθρωτό σχεδιασμό.

Για να προωθήσει περαιτέρω την πρόοδο της αμμωνίας σε μια οικονομία υδρογόνου‑αμμωνίας, δημιουργεί μια ειδική θυγατρική αφιερωμένη στο θραύσμα της αμμωνίας σε υδρογόνο, η οποία θα αναζητήσει ξεχωριστή χρηματοδότηση.

Με την κλίμακα που μπορεί να ταιριάζει στη μεγαλύτερη βιομηχανική χρήση, καθώς και σε πολύ μεγάλα αγροκτήματα, η AmmPower στοχεύει σε πελάτες και εταιρείες με μεγαλύτερη πρόσβαση σε κεφάλαια από το μέσο όρο.

Σε συνδυασμό με την τεχνολογία θραύσης αμμωνίας, αυτό θα μπορούσε να της επιτρέψει να κλιμακωθεί γρήγορα ακολουθώντας πολιτικές που προωθούν την ανάπτυξη του υδρογόνου ως φορέα ενέργειας.