Αντιδραστήρας Πλασματικού-Ηλεκτροχημικού Εμπνευσμένος από Αστραπές που Μπορεί να Εξαλειφθεί τις Ανάγκες μας για Αμμωνία με Μηδενικό Αποτύπωμα Άνθρακα

Βρίσκοντας τον Δρόμο προς μια Οικονομία Αμμωνίας

Καθώς οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας προοδεύουν, ορισμένοι περιορισμοί γίνονται πιο σαφείς. Η διακοπτόμενη φύση των ανανεώσιμων απαιτεί αποθήκευση ενέργειας, η οποία θα μπορούσε να είναι μπαταρίες, όπως εξετάσαμε στο άρθρο μας «Το Μέλλον της Αποθήκευσης Ενέργειας—Τεχνολογία Μπαταριών Κλίμακας Υποδομών».

Ωστόσο, ορισμένες μορφές κατανάλωσης ενέργειας είναι πολύ ανθεκτικές στην ηλεκτροποίηση. Για παράδειγμα, η μακρινή ναυτική ναυτιλία ή η αεροπορική μεταφορά εμπορευμάτων.

Για αυτές τις εφαρμογές, το πυκνό υγρό καύσιμο είναι προτιμότερο και πιθανότατα η πιο ρεαλιστική επιλογή για αεροπορικά ταξίδια. Έτσι, για την αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων, η αμμωνία έχει θεωρηθεί ως εναλλακτική στερεά ουσία. Η αμμωνία είναι επίσης βασική ένωση στην παραγωγή λιπασμάτων και χημικών όπως τα εκρηκτικά.

Προς το παρόν, η αμμωνία ευθύνεται για το 1,8 % της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας και των εκπομπών άνθρακα, και αυτό πριν προσπαθήσουμε να τη χρησιμοποιήσουμε για μεταφορές. Παράγεται σήμερα με την καύση μεθανίου, δημιουργώντας τη λεγόμενη γκρι αμμωνία. Μια καλύτερη εναλλακτική θα ήταν η λεγόμενη πράσινη αμμωνία, που παράγεται από ανανεώσιμη ενέργεια.

Το πρόβλημα είναι ότι, προς το παρόν, η πράσινη αμμωνία είναι πολύ πιο ακριβή από τα καύσιμα βασισμένα σε πετρέλαιο ή τη γκρι αμμωνία. Σε μεγάλο μέρος, αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η αμμωνία παράγεται με τη χρήση υδρογόνου, το οποίο είναι επίσης ακριβό να παραχθεί με ηλεκτρόλυση.

Εναλλακτικές όπως η καταλύση με μεσολάβηση λιθίου θα μπορούσαν να είναι εφικτές και φθηνότερες, αλλά ίσως ακόμη και όχι αρκετά φθηνές.

Ωστόσο, μπορεί να υπάρχει μια εναλλακτική λύση στο υδρογόνο, τουλάχιστον σύμφωνα με ερευνητές του Πανεπιστημίου Buffalo State του Νέου Υόρκη και του Πανεπιστημίου Auckland (Νέα Ζηλανδία). Πρόσφατα δημοσίευσαν τα ευρήματά τους για το πώς να παραχθεί αμμωνία με πλάσμα στο Journal of the American Chemical Society με τίτλο «Έλεγχος των Διαδρομών Αντίδρασης Μικτών Αντιδραστηρίων NOxHy σε Πλασματική-Ηλεκτροχημική Σύνθεση Αμμωνίας».

Οι Πολλές Διαδρομές για την Παραγωγή Αμμωνίας

Το άζωτο (N₂) είναι πολύ άφθονο στη Γη, αποτελώντας το 78 % της ατμόσφαιρας. Αλλά για να είναι χρήσιμο για τα φυτά ή ως χημική ουσία, το χρειαζόμαστε με τη μορφή αμμωνίας (NH₃) ή νιτρικού (NO₃). Η προσθήκη αυτών των ατόμων υδρογόνου στο άτομο αζώτου είναι μια διαδικασία που απαιτεί πολύ ενέργεια.

Ένας τρόπος είναι μέσω ειδικών βακτηρίων, που ονομάζονται βακτήρια αζωτοδότησης. Αυτή είναι μία από τις μεγαλύτερες πηγές φυσικού αζώτου (100–300 Τεραγράμματα αζώτου ετησίως παγκοσμίως), αλλά γενικά ανεπαρκής για εντατική γεωργία.

Όπως αναφέρθηκε, ένας άλλος τρόπος είναι η χρήση υδρογόνου (H₂), αλλά η παραγωγή πράσινου υδρογόνου είναι ακριβή.

Ωστόσο, υπάρχει ένας τρίτος τρόπος παραγωγής αμμωνίας, που συμβαίνει κάποιες φορές στη φύση. Όταν χτυπά η αστραπή, η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος διασπά το N₂, δημιουργώντας διάφορες μορφές οξειδίων αζώτου.

Πηγή: Britannica

Στη φύση, αυτά τα οξείδια αζώτου μετατρέπονται στη συνέχεια σε αμμωνία από βακτήρια. Αυτό αποτελεί μόνο ένα μικρό τμήμα της φυσικής παραγωγής αμμωνίας, στο εύρος των 3–10 τεραγραμμάτων. Αυτό είναι κάτι που θα μπορούσε να αναπαραχθεί τεχνητά, παρακάμπτοντας εντελώς την ανάγκη για υδρογόνο.

Τεχνητό Πλάσμα που Αντικαθιστά την Αστραπή

Οι ερευνητές έσυραν αέρα σε έναν πλασματικό αντιδραστήρα, ένα δοχείο με ηλεκτρόδιο και γυάλινο σωλήνα. Οι εκκενώσεις πλάσματος αναπαράγουν το φαινόμενο της αστραπής, δημιουργώντας ένα σύνθετο μίγμα οξειδίων αζώτου στην θάλασσα αντίδρασης.

Πηγή: ACS Publication

Αυτά τα μιγμένα αέρια αποστέλλονται στη συνέχεια σε έναν καταλυτικό αντιδραστήρα που περιέχει κράμα χαλκού-παλλάδιου δομημένο σαν αφρός. Αυτός ο καταλύτης είναι υπεύθυνος για την αρχική απορρόφηση των οξειδίων αζώτου από τον εναπομείναντα αέρα και στη συνέχεια αντικαθιστά τα βακτήρια που, στη φύση, θα είχαν μετατρέψει τα οξείδια σε αμμωνία.

Βελτιώνοντας την Καταλυτική Διεργασία

Το δεύτερο βήμα της μετατροπής των οξειδίων αζώτου σε αμμωνία δεν είναι καθόλου απλό.

«Όταν η ενέργεια του πλάσματος ή μια αστραπή ενεργοποιεί το άζωτο, δημιουργείτε ένα μείγμα ενώσεων οξειδίου αζώτου. Η ταυτόχρονη μετατροπή, στην περίπτωσή μας, έως και οκτώ διαφορετικών χημικών ενώσεων σε αμμωνία είναι εξαιρετικά δύσκολη.» Xiaoli Ge – Μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο University at Buffalo

Αυτό σημαίνει ότι δεν απαιτούνται μόνο 8 χημικές αντιδράσεις για τη μετατροπή των οξειδίων σε αμμωνία, αλλά στην πραγματικότητα πολλά περισσότερα ενδιάμεσα βήματα, το καθένα ενδέχεται να προκαλέσει σημείο συμφόρησης και να μειώσει τη συνολική αποδοτικότητα του συστήματος.

Είναι επίσης πρόβλημα, καθώς τα οξείδια αζώτου είναι κάπως ρυπογόνα, και οποιαδήποτε μεγάλη παραγωγή αμμωνίας με αυτή τη μέθοδο πρέπει να έχει όσο το δυνατόν λιγότερα υπολειπόμενα οξείδια αζώτου.

Έτσι, οι ερευνητές έπρεπε να δημιουργήσουν μια σειρά διμεταλλικών καταλυτών που στη συνέχεια βελτιώθηκαν ώστε να στοχεύουν «τη βέλτιστη προσρόφηση και μετατροπή του περιοριστικού ενδιάμεσου στο μονοπάτι NOx-προς-NH3».

Χρησιμοποίησαν μια μαθηματική διαδικασία που ονομάζεται θεωρία γράφων για να χαρτογραφήσουν όλες τις διαφορετικές διαδρομές αντίδρασης. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούσαν να εντοπίσουν από την αρχή πού βρίσκονταν τα σημεία συμφόρησης και πώς να βελτιώσουν την αποδοτικότητα της μετατροπής.

Κάνοντας αυτό, ανακάλυψαν ότι οι περισσότερες ενώσεις οξειδίου αζώτου πρέπει να περάσουν από το οξείδιο του αζώτου ή την αμίνη ως ενδιάμεσο βήμα πριν μετατραπούν σε αμμωνία. Έτσι, δημιούργησαν έναν καταλύτη που συνδέεται ευνοϊκά με αυτές τις δύο ενώσεις.

Κλιμάκωση

Ο τελικός σχεδιασμός πέτυχε ρυθμό παραγωγής αμμωνίας 81,2 mg/h/cm². Η θάλασσα πλάσματος και ο καταλύτης χαλκού-παλλάδιου ήταν σταθερά μετά από περισσότερες από 1.000 ώρες λειτουργίας με εφαρμοσμένο ρεύμα 2 αμπέρ.

Η ερευνητική ομάδα διερευνά τώρα το επόμενο βήμα για την κλιμάκωση του πειραματικού τους αντιδραστήρα, εξετάζοντας τόσο μια νεοσύστατη επιχείρηση όσο και την αδειοδότηση της τεχνολογίας σε βιομηχανικούς εταίρους. Το Πανεπιστήμιο Buffalo έχει επίσης υποβάλει αίτηση διπλώματος ευρεσιτεχνίας για τον αντιδραστήρα.

• Καθώς τροφοδοτείται εξ ολοκλήρου από ηλεκτρισμό για τη δημιουργία πλάσματος, μπορεί να τροφοδοτηθεί με 100 % πράσινη ενέργεια.
• Θα μπορούσε να ενσωματωθεί σε ένα μεσαίου μεγέθους δοχείο και να συνδεθεί με ηλιακούς πίνακες, χωρίς την ανάγκη της τεράστιας κλίμακας των τρεχουσών εγκαταστάσεων αμμωνίας.
• Η περαιτέρω πρόοδος στην επιστήμη των καταλυτών θα μπορούσε να βοηθήσει στη βελτίωση του κόστους του συστήματος, καθώς και στη συνεχή μείωση του κόστους της πράσινης ενέργειας, ιδιαίτερα της ηλιακής.

«Μπορείτε να φανταστείτε τους αντιδραστήρες μας σε κάτι όπως ένα μεσαίου μεγέθους εμπορευματικό κοντέινερ με ηλιακούς πίνακες στην οροφή. Αυτό μπορεί στη συνέχεια να τοποθετηθεί οπουδήποτε στον κόσμο και να παράγει αμμωνία κατ’ απαίτηση για εκείνη την περιοχή.

Αυτό είναι ένα πολύ συναρπαστικό πλεονέκτημα του συστήματός μας, και θα μας επιτρέψει να παράγουμε αμμωνία για υποανάπτυκτες περιοχές με περιορισμένη πρόσβαση στη διαδικασία Haber-Bosch.

Chris Li – Βοηθός καθηγητής χημείας

Πιθανώς, η διερεύνηση άλλων επιλογών που δεν απαιτούν ακριβό παλλάδιο, όπως ένας βιοαντιδραστήρας που περιέχει τα κατάλληλα βακτήρια, θα μπορούσε επίσης να είναι μια επιλογή για περαιτέρω ανάπτυξη, αλλά ίσως είναι δύσκολο να κλιμακωθεί στον όγκο που απαιτείται για να γίνει η αμμωνία παγκόσμια πηγή καυσίμου.

Επένδυση στην Αμμωνία

Έχουμε ήδη καλύψει μερικές δυνατότητες επένδυσης σε πράσινη αμμωνία σε προηγούμενα άρθρα, καθώς και την επιστήμη πίσω από αυτήν, ιδιαίτερα «Το Άλλο Καύσιμο Υδρογόνου – Τα 5 Κορυφαία Μετοχές Πράσινης Αμμωνίας» και «Αποανθρακοποίηση των Παγκόσμιων Διαδρομών Ναυτιλίας μέσω Πράσινης Αμμωνίας».

Ωστόσο, σχετικά με την εμφάνιση αυτής της νέας διαδικασίας παραγωγής αμμωνίας με βάση το πλάσμα, μια πιο σχετική μετοχή για επένδυση θα μπορούσε να είναι μια εταιρεία εξόρυξης παλλάδιου, καθώς οποιαδήποτε κλιμάκωση της παραγωγής θα απαιτήσει τεράστιο όγκο του καταλύτη που χρησιμοποιούν οι ερευνητές.

Το παλλάδιο παράχθηκε κυρίως το 2023 από τη Ρωσία και τη Νότια Αφρική, ακολουθούμενο από τον Καναδά και τη Ζιμπάμπουε.

Πηγή: Statista

Και, φυσικά, η άμεση επένδυση σε παλλάδιο, με τη μορφή νομισμάτων ή μεταλλικών ράβδων, είναι επίσης δυνατή από πωλητές πολύτιμων μετάλλων.

Πηγή: US State Mint

Οι τιμές του παλλάδιου ήταν πολύ ασταθείς τα τελευταία χρόνια, με μια τεράστια άνοδο τιμών ως συνέπεια του πολέμου στην Ουκρανία και της σημασίας της προμήθειας από τη Ρωσία σε αυτήν την αγορά. Έκτοτε έχουν υποχωρήσει.

Πηγή: Investing.com

1. Sibanye Stillwater Limited

Κατά πολύ η μεγαλύτερη εταιρεία που εστιάζει στο παλλάδιο και το πλατίνα, η Sibanye Stillwater, είναι ηγέτης στον κλάδο της. Είναι επίσης ο μεγαλύτερος παραγωγός ροδίου παγκοσμίως.

Εκτός από αυτά τα μέταλλα, είναι επίσης παραγωγός άλλων μετάλλων της ομάδας του πλατινίου, όπως το ιρίδιο και το ρουθένιο. Σε μεγάλο μέρος, αυτό οφείλεται στο ότι τα μέταλλα της ομάδας του πλατινίου (PGM) τείνουν να βρίσκονται και να εξορύσσονται μαζί στα ίδια ορυκτά.

Stillwater

Τον Σεπτέμβριο του 2024, η Sibanye Stillwater ανακοίνωσε ότι θα ανασχεδιάσει το ορυχείο Montana Stillwater, μειώνοντας την παραγωγή του ορυχείου κατά 45 % για να μειώσει τα κόστη. Το ορυχείο, που περιέχει περισσότερο παλλάδιο από πλατίνα, έχει υποφέρει από τις χαμηλές τιμές του παλλάδιου.

Αυτό οδήγησε σε μια τεράστια χρέωση απομείωσης $435 εκ., προκαλώντας στην εταιρεία να καταγράψει ζημιά στο πρώτο εξάμηνο του 2024.

Αυτό θα την έκανε επίσης ένα πολύτιμο αδρανές περιουσιακό στοιχείο σε περίπτωση που το παλλάδιο γίνει ένα σημαντικό «μεταλλικό ενεργειακό» για τη μαζική παραγωγή αμμωνίας με πλάσμα.

Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι οι τρέχουσες τιμές είναι μόλις αρκετές για να καλύψουν τα κόστη παραγωγής στις περισσότερες περιοχές πλούσιες σε πλατίνα, καθιστώντας το ένα κατώτατο επίπεδο για τη βιομηχανία πριν από το κλείσιμο του ορυχείου.

Πηγή: Sibanye Stillwater

Η Sibanye Stillwater αυτή τη στιγμή διαφοροποιείται από καθαρό εξορύκτη PGM για να εισέλθει στις αγορές χρυσού και μετάλλων μπαταριών, ιδιαίτερα για ένα έργο εξόρυξης λιθίου στη Φινλανδία.

Sibanye Stillwater

Η εταιρεία έχει επίσης παρουσία στην εξόρυξη ουρανίου με το έργο ουρανίου Beisa στη Νότια Αφρική. Πρόσφατα το πούλησε στη Neo Energy με αντάλλαγμα μερίδιο 40 % στην Neo Energy, καθώς και δικαιώματα χρήσης σε όλο το ουράνιο που πωλείται, με πληρωμές περιορισμένες στα $5 ανά λίβρα, ανάλογα με την τρέχουσα τιμή του ουρανίου.

«Η πώληση του ορυχείου Beatrix 4 και του έργου ουρανίου Beisa είναι σύμφωνη με τη στρατηγική της Sibanye-Stillwater για την αξιοποίηση των περιουσιακών στοιχείων μας στον τομέα του ουρανίου». Neal Froneman – Διευθύνων Σύμβουλος της Sibanye-Stillwater

Συνολικά, η Sibanye-Stillwater είναι η μεγαλύτερη διεθνής εταιρεία εξόρυξης PGM παγκοσμίως, και οι μέτοχοι της θα ωφεληθούν σημαντικά από το γεγονός ότι ο ενεργειακός τομέας στρέφεται είτε προς το υδρογόνο είτε προς την αμμωνία ως καύσιμο μεταφοράς. Αυτό συμβαίνει επειδή σχεδόν όλες οι πιθανές τεχνολογίες σε αυτόν τον τομέα απαιτούν είτε πλατίνα, παλλάδιο ή ρόδιο για την ηλεκτρόλυση υδρογόνου, την παραγωγή αμμωνίας ή τα κυψέλες καυσίμου, λόγω της θεμελιώδους φυσικής των καταλυτικών αντιδράσεων του υδρογόνου που χρειάζονται αυτά τα ειδικά μέταλλα.

Επιπλέον, επεκτείνεται στην ενέργεια χαμηλού άνθρακα, από το λίθιο έως το ουράνιο, καθιστώντας την μία από τις εταιρείες εξόρυξης που είναι πιο πιθανό να ωφεληθούν από τη μετάβαση προς μια πράσινη οικονομία που τροφοδοτείται από ανανεώσιμες πηγές και υδρογόνο/αμμωνία.

Αναφορά Μελέτης:

^{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 στα ελληνικά.}