Ammoniakin tuotanto on valtavan haitallista ympäristölle – Insinöörit ovat juuri kehittäneet puhtaamman menetelmän

Ammoniakki: Saasteesta Vihreään Vaihtoehtoon

Ammoniakkia on käsitelty vaihtoehtona fossiilisille polttoaineille sovelluksissa, joita on vaikea sähköistää, kuten laivaliikenteessä, maantiekuljetuksissa tai pitkäaikaisessa energian varastoinnissa. Sitä on myös ehdotettu välivaiheeksi vedyn turvalliseen kuljetukseen, jonka jälkeen vetyä voidaan käyttää polttokennoissa.

Yleensä ammoniakin tuotanto perustuu vedyn yhdistämiseen typpikaasuun korkeassa paineessa ja lämpötilassa, prosessiin, jota kutsutaan Haber‑Bosch‑prosessiksi. Valitettavasti tämä menetelmä on saastuttava eikä energiatehokas.

Lähde: Research Gate

Sen sijaan tutkijat the University of Illinois, Texas Tech University ja  General Ammonia Company ovat optimoineet uuden ammoniakin tuotantomenetelmän, joka hyödyntää etanolia varautuneen litiumelektrodin kanssa.

Tämä ei ole heidän ensimmäinen läpimurtonsa; aiemmissa töissä on kehitetty elektrokatalyyttiset ruudut (kupariverkko) ammoniakin tuotantoon sekä “aurinko‑polttoaine” ammoniagin generaattorit.

Litium “Sinfonia” Vihreän Ammoniikin Tuotantoon

Uusi ammoniakin tuotantomenetelmä toimii yhdistämällä typpikaasu ja vetyä lahjoittava neste, kuten etanoli, varautuneen litiumelektrodin kanssa.

Tämä “Litium‑välitteinen ammoniikin synteesi” (LiMAS) tapahtuu kolmessa peräkkäisessä vaiheessa:

1. Ensimmäinen vaihe, jota kutsutaan Li+‑elektrodepositioksi. Tämä tehdään virtauksen värähtelyillä, jotta varmistetaan korkealaatuinen kiinteä‑elektrolyyttirajapinta (SEI) ja jännitteen vakaus.
2. Toiseksi typpimolekyyli tarttuu litiumiin prosessissa, jota kutsutaan Li‑nitridoinniksi.
3. Kolmanneksi Li3N‑protolyyysi lisää vetyatomit typpiin, jolloin syntyy ammoniakki (NH3).

Lähde: ACS Publications

Tutkijat kuvaavat prosessia “sinfoniana”, koska jokainen vaihe on säädetty niin, että prosessi pysyy tehokkaana ja materiaali kiertää seuraavan kemiallisten reaktioiden silmukan läpi.

“Tapahtuu kaksi silmukkaa. Toinen on vedyn lähteen uudistaminen ja toinen litiumin uudistaminen. Reaktiossa on sinfonia, koska se on syklinen prosessi.

Mitä teimme, oli ymmärtää tämä sinfonia paremmin ja pyrkiä moduloiamaan sitä erittäin tehokkaasti, jotta voimme luoda resonanssin ja saada sen liikkumaan nopeammin.” – Singh, associate professor of chemical engineering at UIC.

Elektrodepositiovaihe on merkittävin tässä tutkimuksessa tehty innovaatio, koska se parantaa NH3‑valikoivuutta huomattavasti.

He löysivät myös kaksi muuta tekijää, jotka lisäävät ammoniakin tuotannon tuottavuutta:

• Typpikaasun paineen nostaminen jopa 20 bariin.
• Alkoholin käyttö vetylähteenä.
  • 1‑butanoli vetylahde saavutti suurimman saannon
  • Vesi on paljon vähemmän tehokas vetylahde, toisin kuin mitä tieteellinen yhteisö on tähän mennessä uskonut.

Kaiken kaikkiaan nämä havainnot tekevät korkean paineen LiMAS‑menetelmästä (“Litium‑välitteinen ammoniikin synteesi”) tuottavamman kuin sekä matalan paineen LiMAS että Haber‑Bosch‑reaktio.

Lähde: UIC Today

Ammoniikin Tuotannon Ongelmat

Vihreä Ammoniakki

Mainitsimme, kuinka ammoniikin tuotanto on todennäköisesti ratkaiseva askel koko talouden hiilineutraaliuden ja vetytalouden luomisessa. Käsittelimme tätä artikkelissamme “Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia”.

Tämä pätee erityisesti, jos prosessi saa energiansa vihreästä energiasta (mukaan lukien vihreä vety), sillä muut ammoniikin muodot ovat vähemmän ympäristöystävällisiä.

Tämä erottaa vihreän ammoniikin muista ammoniikin tyypeistä:

• Harmaa/ruskea ammoniakki: tuotettu fossiilisista polttoaineista.
• Sininen ammoniakki: tuotettu fossiilisista polttoaineista, mutta hiilidioksidin talteenotolla.
• Pinkki ammoniakki (joskus myös keltainen ammoniakki): tuotettu ydinenergiasta.
• Turkoosi ammoniakki: tuotettu metaanin pyrolyysistä. Tämä hajottaa metaanin vedyksi ja kiinteäksi hiileksi, jonka jälkeen vety muunnetaan ammoniakiksi. Kiinteää hiiltä voidaan varastoida tai käyttää esimerkiksi hiilikuituihin.

Nykyään suurin osa ammoniakista tuotetaan lannoitteiden ja kemianteollisuuden (väriaineet, räjähteet ym.) tarpeisiin. Se valmistetaan pääasiassa fossiilisista polttoaineista, erityisesti maakaasusta.

Tämän seurauksena ammoniakki on teollisuusprosesseissa hiilidioksidipäästöjen osalta toiseksi suurin, heti sementin jälkeen, ja se vastaa 1,5 % kaikista hiilidioksidipäästöistä.

Haber‑Bosch‑prosessin vaatimat korkeat lämpötilat eivät myöskään auta vähentämään ammoniakin tuotannon energiakustannuksia, sillä energia tulee usein fossiilisista polttoaineista, mukaan lukien hiilidioksidipäästöjä aiheuttava kivihiili.

LiMAs:n teollistaminen

Vaikka litium ei ole halvin materiaali, se ei myöskään ole poikkeuksellisen kallista, eikä sitä kuluteta ammoniakin tuotannossa korkean paineen LiMAS‑menetelmällä.

Yhdistettynä tähän energiatehokkuuteen, menetelmä on edullinen ammoniakin lähde.

Illinoisin yliopiston tutkijat arvioivat, että skaalaamalla se olisi taloudellisesti kannattavaa

“prosessi tuottaisi ammoniakkia 456 $ per tonni, mikä on 60 % halvempaa kuin aiemmat litiumpohjaiset lähestymistavat ja muut ehdotetut vihreät menetelmät”.

Singh, associate professor of chemical engineering at UIC.

Tämä asettaisi tuotantomenetelmän samalle hintatasolle kuin muut kehitteillä olevat vihreät vaihtoehdot, kuten esimerkiksi Fuel Positiven kontti­muotoinen ammoniikin generaattorijärjestelmä, jonka tavoitteena on 560 CA$ / tonni, tai AmmPowerin modulaarinen ammoniikkijärjestelmä, jonka sähkökustannus on 360 $ / tonni (ei sisällä ylläpito‑ ja pääomakustannuksia).

(Käsittelemme näitä kahta yritystä ja muita artikkelissamme “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks”)

456 $ / tonni olisi myös linjassa suurimman osan maailman alueellisista ammoniikin hinnoista, jotka tällä hetkellä määräytyvät fossiilipohjaisen tuotannon mukaan.

Ammoniikin hinnat ovat myös alttiita voimakkaalle vaihtelulle, kun maakaasun hinnat nousevat, kuten vuonna 2022 Ukrainan sodan alussa.

Lähde: BusinessAnalitIQ

Tiedemiehet ovat jo yhteistyössä General Ammonia Co.n kanssa pilotoidakseen ja skaalatakseen litium‑välitteistä ammoniikin synteesiprosessiaan. Pilottianlaite rakennetaan Chicagon alueelle, ja Illinoisin yliopiston Teknologia‑hallinto on jättänyt patenttihakemuksen prosessille.

Vihreän Ammoniikin Yritykset

1. General Ammonia Company

Yritys, joka tekee yhteistyötä Illinoisin yliopiston tutkijoiden kanssa, ei ole julkisesti listattu, mutta se “actively seeking investment”.

Mahdolliset sijoittajat saattavat olla kiinnostuneita ottamaan suoraan yhteyttä yritykseen ja keskustelemaan mahdollisista sijoitusehdoista sekä sen korkean paineen LiMAS‑pilottianlaitteesta.

2. NitroVolt

NitroVolt on toinen yritys, joka pyrkii tuottamaan ammoniakkia LiMAS‑menetelmällä, ja sillä on patentti‑hakemus litium‑välitteiselle ammoniikin synteesiprosessille.

Lähde: NitroVolt

Tanskalainen yritys yhdistää LiMAS‑prosessin omaan virtasolu‑järjestelmäänsä, mikä mahdollistaa jatkuvan, korkean hyötysuhteen reaktion.

Yrityksen tutkimus on julkaistu arvostetuissa tieteellisissä julkaisuissa, erityisesti:

• Science:
  • Continuous-flow electrosynthesis of ammonia by nitrogen reduction and hydrogen oxidation
  • Enhancement of lithium-mediated ammonia synthesis by the addition of oxygen
• Nature: A rigorous electrochemical ammonia synthesis protocol with quantitative isotope measurements

Lähde: NitroVolt

Yritys sai ensimmäisen sijoituksensa 6. maaliskuuta^th, 2024 yritykseltä VC firm BackingMinds.

3. FuelPositive Corporation (NHHHF)

FuelPositive on luonut modulaarisen/kontti­muotoisen vihreän ammoniikin generaattorijärjestelmän. Sen ensimmäinen kohde on maataloussektori, mikä mahdollistaa paikallisen ammoniikin tuotannon paikallisesti tuotetulla energialla. Järjestelmä voi tuottaa jopa 300 kg/päivä, 100 tonnia vuodessa ammoniikkia hintaan CA$950 000.

Lähde: Fuel Positive

Tämä tekee siitä järjestelmän, joka sopii maatiloille, joiden koko on enintään 1 800 acraa. Vain 1,5 acraa aurinkopaneeleilla peitettyä maata riittää ammoniikin tuotannon energian tuottamiseen.

Lähde: Fuel Positive

FuelPositive väittää, että sen järjestelmä voi tuottaa ammoniikkia CA$560 / tonni,

Startup on varhaisessa vaiheessa, ja täysikokoinen tuotanto on suunniteltu vuodelle 2025, 30 tilaus on vahvistettu tähän mennessä, ja ensimmäinen toimitus on suunniteltu maaliskuulle 2024.

FuelPositivein tärkein vahvuus on teknologian modulaarisuus, mikä mahdollistaa hajautetumman lähestymistavan ja standardoidun massatuotannon ammoniikin generaattorimoduulille.

Yritys rakentaa kumppanuutta Cipher Neutronn kanssa, joka pystyy tuottamaan vetyä ilman platina‑ryhmän metalleja.

Samankaltainen kumppanuus LiMAS‑menetelmän käyttöön/ lisensointiin ammoniikin tuotannossa voitaisiin perustaa, koska yrityksen vahvuus on modulaarinen suunnittelu, eikä se perustu omistettuun ammoniikin generaatioteknologiaan.

Vaikka ensisijainen fokus on lannoitteiden tuotannossa, ammoniikkia voitaisiin käyttää maatalouskoneiden voimanlähteenä paikallisesti tuotetun energian avulla, riippuen siitä, kuinka nopeasti ammoniikki‑/vety‑voimaiset maatalouslaitteet omaksutaan.

Hajautettu ja modulaarinen luonne tekee FuelPositive‑järjestelmistä myös keskeisen osan tulevaa ammoniikkitaloutta. Lannoitemarkkinat voivat tarjota yritykselle kasvualustan, kunnes vety‑ ja ammoniikkikäyttö yleistyy.

4. AmmPower Corp. (AMMPF)

AmmPower on samankaltainen kuin FuelPositive siinä, että se tarjoaa modulaarisia ammoniikin generaattorijärjestelmiä, mutta suuremmassa mittakaavassa: sen perusmoduuli pystyy tuottamaan 4 tonnia/päivä. Tämä asettaa yrityksen enemmän erittäin suurten maatilojen (10 000 + acraa) tai teollisten toimintojen, kuten tekstiilit, kylmäteollisuus, kaivostoiminta, lääketeollisuus tai puolijohteet, tarpeisiin.

Lähde: AmmPower

Yritys on rakentamassa tilauskirjaansa, ja lyhyen aikavälin tilauspotentiaali arvioidaan 30 miljoonaan dollariin, ja myyntinäköaloissa on 690 yksikköä 52 maasta.

Yritys arvioi sähkökustannuksen olevan noin 360 $ / tonni ammoniikkia.

Järjestelmän modulaarisuus mahdollistaa nopean toimituksen, alle vuoden, verrattuna 3‑4 vuoteen samanlaisissa projekteissa ilman modulaarista lähestymistapaa.

Se työskentelee myös teknologian parissa, joka muuntaa jätteen ammoniakiksi, yhteisyrityksessä CTEC Energy Sales USA:n kanssa.

Myös muita kumppanuuksia voitaisiin perustaa LiMAS‑ammoniikkiprosessin integroimiseksi modulaariseen suunnitteluun.

Edistääkseen ammoniikin siirtymistä vety‑ammoniikkitalouteen, se perustaa omistautuneen tytäryhtiön, joka rikkoo ammoniikin vedyksi, ja hakee erillistä rahoitusta.

Saavuttamalla mittakaavan, joka sopii suurimmalle osalle teollisesta käytöstä sekä erittäin suurille maatiloille, AmmPower pyrkii asiakkaille ja yrityksille, joilla on syvempi pääsy pääomaan kuin useimmilla.

Yhdistettynä ammoniikin rikkomisteknologiaan, tämä voisi mahdollistaa nopean skaalaamisen politiikkojen myötä, jotka edistävät vedyn kehittämistä energian kantajana.