Πλάσμα Όπως Αστραπή για την Παραγωγή Πράσινης Αμμωνίας σε Προσιτές Τιμές

Η Διαδρομή προς μια Οικονομία Πράσινης Αμμωνίας

Ammonia, or NH₃, has been considered a great potential candidate to replace liquid fuel made from oil and other fossil fuels. This is because it is made using an extremely abundant resource, atmospheric nitrogen (N₂), and does not necessarily need oil or methane for its production.

Η αμμωνία, ή NH₃, θεωρείται ένας εξαιρετικά υποσχόμενος υποψήφιος για την αντικατάσταση του υγρού καυσίμου που παράγεται από πετρέλαιο και άλλα ορυκτά καύσιμα. Αυτό οφείλεται στο ότι παράγεται χρησιμοποιώντας έναν εξαιρετικά άφθονο πόρο, το ατμοσφαιρικό άζωτο (N₂), και δεν απαιτεί απαραίτητα πετρέλαιο ή μεθάνιο για την παραγωγή του.

Καθώς η αμμωνία είναι ένα σημαντικό λιπάσμα, η παραγωγή της αποτελεί σήμερα ένα τεράστιο τμήμα της χημικής βιομηχανίας, καθιστώντας την το δεύτερο πιο παραγόμενο χημικό στον κόσμο.

Η αμμωνία παράγεται κυρίως μέσω της διαδικασίας Haber‑Bosch, συνδυάζοντας άζωτο με υδρογόνο για την παραγωγή αμμωνίας, χρησιμοποιώντας υψηλή πίεση και υψηλές θερμοκρασίες, καθιστώντας τη εγγενώς ενεργοβόρα.

Πηγή: Angewandte Chemie

Ωστόσο, η πηγή αυτού του υδρογόνου επηρεάζει το πόσο ρυπογόνα μπορεί να είναι η παραγωγή αμμωνίας. Σήμερα, το μεγαλύτερο μέρος του υδρογόνου για την παραγωγή αμμωνίας προέρχεται από ορυκτά καύσιμα, καθιστώντας την αμμωνία υπεύθυνη για το 1,3 % των παγκόσμιων εκπομπών άνθρακα.

Ιδανικά, μια οικονομία αμμωνίας θα βασιζόταν στην λεγόμενη πράσινη αμμωνία που παράγεται από ανανεώσιμη ενέργεια. Αυτό την διακρίνει 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 επίσης ονομάζεται 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.

Εφόσον η αμμωνία δεν είναι κυρίως πράσινη αμμωνία, η χρήση της για την αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων στις μεταφορές και τις βιομηχανίες είναι μάλλον άσκοπη, καθώς απλώς μετατοπίζει το σημείο όπου καταναλώνονται τα ορυκτά καύσιμα.

“Η ζήτηση της βιομηχανίας για αμμωνία αυξάνεται συνεχώς. Την τελευταία δεκαετία, η παγκόσμια επιστημονική κοινότητα, συμπεριλαμβανομένου του εργαστηρίου μας, επιδιώκει να ανακαλύψει έναν πιο βιώσιμο τρόπο παραγωγής αμμωνίας που δεν εξαρτάται από ορυκτά καύσιμα.”
Καθ. PJ Cullen – Καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ και το Ινστιτούτο Net Zero

Γι’ αυτό οι νέες ανακαλύψεις που αλλάζουν εντελώς τον τρόπο παραγωγής αμμωνίας, μακριά από τη αιώνων διαδικασία Haber‑Bosch, θα μπορούσαν να αποτελέσουν σημείο καμπής.

Τέτοια καινοτομία ίσως να έχει δημιουργηθεί από ερευνητές του Πανεπιστημίου του Σίδνεϊ (Αυστραλία) και του Πανεπιστημίου Zhejiang (Κίνα), χρησιμοποιώντας πλάσμα για την παραγωγή αζώτου από τον αέρα. Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στο Angewandte Chemie^1 με τίτλο “Ρύθμιση Πολυλειτουργικών Κενών Οξυγόνου για Μετατροπή Αέρα σε Αμμωνία με Βάση το Πλάσμα”.

Γιατί η Αμμωνία;

Αν η αμμωνία είναι ουσιαστικά μετασχηματισμένο υδρογόνο, γιατί να μην χρησιμοποιηθεί απευθείας το υδρογόνο;

Η διαφορά με το υδρογόνο είναι ότι η αμμωνία είναι πολύ μεγαλύτερο μόριο από το H₂ και πολύ πιο σταθερό. Αυτό καθιστά τη μεταφορά και την αποθήκευσή του πολύ πιο εύκολη. Η αμμωνία είναι επίσης σχεδόν 50 % πιο ενεργειακά πυκνή από το υγρό υδρογόνο.

Πηγή: Kleinman Center For Energy Policy

Αυτή η ενεργειακή πυκνότητα και η ευκολότερη αποθήκευση καθιστούν την αμμωνία κύριο υποψήφιο για χρήση στις μεταφορές, ιδιαίτερα σε ενεργοβόρες μακρινές διαδρομές όπως η ναυτιλία, κάτι που συζητήσαμε λεπτομερώς στο «Αποανθρακοποίηση των Παγκόσμιων Διαδρομών Ναυτιλίας μέσω Πράσινης Αμμωνίας».

Επίσης, η αμμωνία θα ήταν καλός υποψήφιος για αποθήκευση διάρκειας ενός έτους ή ενός μήνα, ένα μακροχρόνιο ζήτημα για την εξισορρόπηση των δικτύων ενέργειας που βασίζονται σε πράσινες πηγές, με, για παράδειγμα, το πλεόνασμα ηλιακής ενέργειας το καλοκαίρι ή κατά τις εβδομάδες υψηλών ανέμων να χρησιμοποιείται για την παραγωγή πλεονάζουσας αμμωνίας που θα καταναλώνεται το χειμώνα ή σε περιόδους χαμηλών ανέμων.

Προβλήματα με την Παραγωγή Αμμωνίας

Εφόσον η παραγωγή αμμωνίας εξαρτάται από τη διαδικασία Haber‑Bosch, αυτή η μετάβαση σε πιο πράσινο καύσιμο μπορεί να πάρει χρόνο.

Ο κύριος λόγος είναι ότι η παραγωγή πράσινου υδρογόνου είναι πολύπλοκη και δαπανηρή, συχνά απαιτώντας σπάνια μέταλλα όπως το πλατίνα, αν και αυτό πιθανότατα θα αλλάξει χάρη στην πρόοδο στη νανοτεχνολογία, όπως η χρήση νικολίου σε μορφή νανοραβδιών.

Ο άλλος λόγος είναι ότι η παραγωγή αμμωνίας με υδρογόνο σημαίνει ότι είναι μια πολυβήμα διαδικασία, με κάθε βήμα να απαιτεί κεφαλαιακή επένδυση και να μειώνει τη συνολική ενεργειακή απόδοση όλης της διαδικασίας παραγωγής:

• Η πράσινη ενέργεια πρέπει πρώτα να παραχθεί με ηλιακές, αιολικές ή υδροηλεκτρικές τεχνολογίες.
• Η ηλεκτρική ενέργεια στη συνέχεια μεταφέρεται σε ηλεκτρόλυτη που παράγει υδρογόνο.
• Το υδρογόνο στη συνέχεια χρησιμοποιείται για την παραγωγή αμμωνίας.

Καθώς η πράσινη ενέργεια είναι γενικά πιο διακοπτόμενη και αποκεντρωμένη, αυτό δημιουργεί επιπλέον κόστος για την ανάγκη κεντρικής παραγωγής υδρογόνου και αμμωνίας.

“Προς το παρόν, η παραγωγή αμμωνίας απαιτεί κεντρική παραγωγή και μακρινή μεταφορά του προϊόντος. Χρειαζόμαστε μια χαμηλού κόστους, αποκεντρωμένη και κλιμακώσιμη ‘πράσινη αμμωνία’”.
Καθ. PJ Cullen – Καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ και το Ινστιτούτο Net Zero

Πώς το Μη Θερμικό Πλάσμα Θα μπορούσε να Επαναστατήσει την Πράσινη Αμμωνία

Τι είναι το Μη Θερμικό Πλάσμα;

Υπάρχουν άλλες μέθοδοι εκτός του Haber‑Bosch για την παραγωγή αμμωνίας. Η γενική ιδέα είναι η χρήση ηλεκτρισμού για οξείδωση του αζώτου, και στη συνέχεια η προσθήκη ατόμων υδρογόνου (αντίδραση μείωσης αζώτου – eNRR).

Ωστόσο, αυτές οι μέθοδοι περιορίζονται από τη χαμηλή διαλυτότητα του αζώτου και ανεπιθύμητες άλλες αντιδράσεις σε διαλύματα που περιέχουν νερό. Γι’ αυτό θεωρείται το Μη Θερμικό Πλάσμα (NTP), καθώς το NTP είναι πιο κατάλληλο για αντιδράσεις οξείδωσης παρά χημική μείωση.

Πηγή: Angewandte Chemie

Τα προκύπτοντα νιτρικά (NO₃⁻) και νιτριτικά (NO₂⁻) έχουν διαλυτότητα στο νερό σχεδόν 40.000 φορές μεγαλύτερη από αυτή του N₂.

Αυτές οι μέθοδοι είναι υποσχόμενες, αλλά απαιτούν την εξαγωγή και καθαρισμό του αζώτου και του οξυγόνου από τον αέρα, αυξάνοντας το κόστος.

Γι’ αυτό οι προσεγγίσεις όπου ο αέρας ενεργοποιείται άμεσα για την παραγωγή NOx και τα ενδιάμεσα NOx μειώνονται σε NH₄⁺ μέσω ηλεκτροχημικής μετατροπής είναι ελκυστικές.

Καταλύτης Χαλκού-Σιδήρου

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα νανοπλέγμα χαλκού (P‑Cu), στο οποίο μια ατμόσφαιρα οξυγόνου πλάσματος χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία ελαττωμάτων (Cu x O/Cu) και εξαιρετικά αντιδραστικών ειδών όπως ιόντα O⁻, άτομα O και μόρια O₃ (οζόνη). Αυτά τα αντιδραστικά είδη οξυγόνου αλληλεπιδρούν με το Cu, οδηγώντας σε οξείδωση της επιφάνειας.

Στη συνέχεια, η προσθήκη ατόμων σιδήρου δημιούργησε σταθερούς δεσμούς γέφυρας Fe–O–Cu στην επιφάνεια.

Πηγή: Angewandte Chemie

Χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία ενέργειας-διάχυσης X (EDS), οι ερευνητές μπόρεσαν να μελετήσουν τις εξαιρετικά πολύπλοκες κρυσταλλικές δομές που σχηματίζονται από αυτή τη διαδικασία. Οι πολύ μικρές ράβδοι και οι πολύπλοκες δομές αύξησαν την επιφάνεια του υλικού, καθιστώντας τον καλύτερο καταλύτη.

Πηγή: Angewandte Chemie

Ηλεκτροκαταλυτική Παραγωγή Αμμωνίας

Fe₂O₃ NPs/Cu χρησιμοποιήθηκε ως κάθοδος για την παραγωγή αμμωνίας από άζωτο και νερό, ελέγχοντας άμεσα τόσο την οξείδωση του αζώτου όσο και την ηλεκτρόλυση του νερού σε υδρογόνο.

Οι δοκιμές απέδειξαν ότι η προσθήκη Fe₂O₃ στο χαλκό ενισχύει αποτελεσματικά την ηλεκτροκαταλυτική δραστηριότητα.

Πηγή: Angewandte Chemie

Ανέλυσαν λεπτομερώς πώς λειτουργεί η παραγωγή αμμωνίας και επιβεβαίωσαν ότι πρόκειται για μια πολύπλοκη, πολυεπίπεδη χημική αντίδραση που συμβαίνει πολύ γρήγορα, με το NO₂ να μετατρέπεται σε NH₃.

Πηγή: Angewandte Chemie

Ακόμη πιο σημαντικό, η αντίδραση παρουσίασε σχεδόν 100 % αποδοτικότητα φαρδαϊκού ρεύματος στα 300 mA, πράγμα που σημαίνει ότι το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπεται σε χημική ενέργεια, καθιστώντας την κατά μία τάξη μεγέθους πιο αποδοτική από τα πολλαπλά βήματα της κλασικής ηλεκτρόλυσης νερού (για παραγωγή υδρογόνου) και στη συνέχεια της μετατροπής αζώτου σε αμμωνία.

“Αυτή η νέα προσέγγιση είναι μια διεπίπεδη διαδικασία, δηλαδή συνδυάζοντας πλάσμα και ηλεκτρόλυση. Έχουμε ήδη καταστήσει το στοιχείο του πλάσματος βιώσιμο όσον αφορά την ενεργειακή αποδοτικότητα και την κλιμακωσιμότητα.”
Καθ. PJ Cullen – Καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ και το Ινστιτούτο Net Zero

Προοπτικές

Γενικά, αυτή η μέθοδος δείχνει ότι υπάρχουν άλλες διαδρομές για την παραγωγή αμμωνίας που θα μπορούσαν να παρακάμπτουν εντελώς τη διαδικασία Haber‑Bosch, και την ανάγκη για ξεχωριστή παραγωγή πράσινου υδρογόνου από την αρχή.

Αυτό αποτελεί επίσης βελτίωση σε σχέση με μια προηγούμενη έκδοση αυτής της τεχνολογίας, η οποία έπρεπε να χρησιμοποιεί καταλύτη χαλκού-παλαδίου αντί για σίδηρο, με το παλλάδιο να είναι ακριβό μέταλλο.

Αυτή η μελέτη επικεντρώθηκε κυρίως στην ανάπτυξη ενός αποδοτικού καταλύτη για την οξείδωση του αζώτου απευθείας από ακατέργαστο και φιλτραρισμένο αέρα.

Για να γίνει οικονομικά βιώσιμη, το στοιχείο του ηλεκτρολύτη που παράγει το υδρογόνο θα χρειαστεί ακόμη βελτίωση. Ευτυχώς, σημειώνονται προόδους στην παραγωγή υδρογόνου χρησιμοποιώντας καταλύτες που δεν είχαν χρησιμοποιηθεί προηγουμένως ή ακόμη και αυτο‑βελτιστοποιούμενους καταλύτες.

Έτσι, πιθανότατα, σε μεσοπρόθεσμο ορίζοντα, θα δούμε τον συνδυασμό διαφορετικών τεχνολογιών σε ένα εμπορικό μηχάνημα παραγωγής αμμωνίας, όπως η άμεση οξείδωση του αζώτου με πλάσμα χρησιμοποιώντας χαλκό & σίδηρο, και η ηλεκτρόλυση του νερού με εξίσου φθηνά μέταλλα.

Αυτές οι μονάδες θα μπορούσαν να εγκατασταθούν απευθείας σε τοποθεσίες παραγωγής πράσινης ενέργειας, και η παραγόμενη αμμωνία να αποθηκεύεται σε σχετικά φθηνό δοχείο (σε σύγκριση με το υδρογόνο), για μεταφορά μέσω αγωγών, φορτηγών ή δεξαμενών.

Πιθανότατα, οι εταιρείες που θα μπορούν να ενσωματώσουν κάθετα τη δημιουργία πράσινης ενέργειας, την παραγωγή αμμωνίας και τη μεταφορά της αμμωνίας θα ωφεληθούν περισσότερο από τέτοια σχέδια.

Εταιρεία Αμμωνίας

Aker Horizons ASA (AKH.OL)

Η Aker Horizon είναι θυγατρική της ομάδας Aker που εστιάζει στην πράσινη ενέργεια. Η ομάδα είναι ένα μεγάλο νορβηγικό συγκρότημα με έμφαση στις ανανεώσιμες πηγές και τις θαλάσσιες/εξωχώριες επιχειρήσεις.

Πηγή: Aker

Η Aker Horizon είναι η holding εταιρεία για πολλές θυγατρικές, συμπεριλαμβανομένου του πράσινου υδρογόνου, των επίγεια και εξωχώριων αιολικών πάρκων, και των ηλιακών φάρμες. Αυτό περιλαμβάνει την Mainstream Renewable Power, μια εταιρεία υπηρεσιών με 20,4 GW ανανεώσιμης ενέργειας σε ανάπτυξη στη Νότια Αφρική (12,3 GW) και σε άλλες χώρες (Ασία, Νότια Αμερική, Ευρώπη).

Η εταιρεία είναι ιδιαίτερα ενεργή στην παραγωγή υδρογόνου και πράσινης αμμωνίας, με στόχο την αποανθρακοποίηση της ναυτιλίας στην Αρκτική, καθώς και το ενδιαφέρον από κέντρα δεδομένων.

Πηγή: Aker

Η Aker δεν είναι αποκλειστικά εταιρεία πράσινης αμμωνίας, αλλά μπορεί να διαχειριστεί ολόκληρη την κάθετη ενσωμάτωση της πράσινης αμμωνίας, από εξωχώριους ανεμόμυλους έως την παραγωγή υδρογόνου (για την ώρα) έως την παραγωγή πράσινης αμμωνίας. Επίσης, εργάζεται σε έργα όπως η μετατροπή αποβλήτων σε ενέργεια στη Γαλλία, ένα βιομάζα εργοστάσιο στη Γερμανία, και η σύλληψη άνθρακα στη Μέση Ανατολή (Σαουδική Αραβία και ΗΑΕ).

Τον Μάιο του 2025, η Aker εξετάζει ορισμένες αναδιαρθρώσεις λόγω των χαμηλών τιμών στον τομέα της πράσινης ενέργειας, ουσιαστικά επιδιώκοντας την πλήρη επαναφορά των λειτουργιών σύλληψης άνθρακα, και την επανένταξη του AKH Holding (Mainstream Renewable Power και τα έργα πράσινης αμμωνίας Narvik) στην Aker Horizon μετά από ξεχωριστή εισαγωγή κάποιων μετοχών της.

Πηγή: Aker

Αυτό την καθιστά καλό μετοχικό τίτλο για επενδυτές που αναζητούν μακροπρόθεσμη έκθεση στον ευρύτερο τομέα της πράσινης ενέργειας, με ισχυρή θέση στην πράσινη αμμωνία, αλλά και σε άλλες πράσινες ενέργειες, καθώς και κάποια γεωγραφική διαφοροποίηση μακριά από τις αμερικανικές μετοχές.

Μελέτη Αναφοράς

^{1. Wanping Xu, Jiaqian Wang, Tianqi Zhang, Jungmi Hong, Qiang Song, Zhongkang Han, Patrick Cullen. (2025) Ρύθμιση Πολυλειτουργικών Κενών Οξυγόνου για τη Μετατροπή Αέρα σε Αμμωνία με Βάση το Πλάσμα. Angewandte Chemie. 22 Απριλίου 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202508240}