Salamasta inspiroitu plasma‑elektrokemiallinen reaktori voisi ratkaista ammoniakin tarpeemme nollapäästöisellä hiilijalanjäljellä

Polun löytäminen ammoniakin talouteen

Uusiutuvien energioiden kehittyessä jotkut rajoitukset käyvät selväksi. Uusiutuvien energioiden vaihteluvaihtelu vaatii energian varastointia, joka voi olla akkuja, kuten tutustuimme artikkelissamme “The Future Of Energy Storage—Utility-Scale Batteries Tech.”

Kuitenkin jotkut energian kulutuksen muodot ovat erittäin vastustuskykyisiä sähköistämiselle. Esimerkiksi pitkän matkan meriliikenne tai lentorahti.

Näissä sovelluksissa tiheä nestepolttoaine on suositeltavampi ja todennäköisesti todennäköisin vaihtoehto lentomatkustukseen. Siksi fossiilisten polttoaineiden korvaamiseksi ammoniakia on pidetty kiinteänä vaihtoehtona. Ammoniakki on myös keskeinen yhdiste lannoitteiden ja räjähteiden kaltaisten kemikaalien tuotannossa.

Tällä hetkellä ammoniakki vastaa 1,8 % maailmanlaajuisesta energiankulutuksesta ja hiilidioksidipäästöistä, ja tämä on ennen kuin yritämme käyttää sitä liikenteessä. Sitä tuotetaan tällä hetkellä polttamalla metaania, jolloin syntyy niin sanottua harmaata ammoniakkia. Parempi vaihtoehto olisi niin sanottu vihreä ammoniakki, joka tuotetaan uusiutuvasta energiasta.

Ongelma on, että toistaiseksi vihreä ammoniakki on paljon kalliimpaa kuin öljypohjaiset polttoaineet tai harmaa ammoniakki. Suuri osa tästä johtuu siitä, että ammoniakki tuotetaan vedystä, jonka itse tuottaminen elektrolyysillä on kallista.

Vaihtoehdot kuten litium-välitteinen katalyysi voisivat olla mahdollisia ja halvempia, mutta ehkä silti eivät tarpeeksi edullisia.

Mutta vedylle saattaa olla vaihtoehto, ainakin New Yorkin Buffalo State Universityn ja Uuden‑Seelannin Aucklandin yliopiston tutkijoiden mukaan. He ovat äskettäin julkaisseet löydöksensä siitä, miten ammoniakkia voidaan tuottaa plasmalla American Chemical Society -lehdessä otsikolla “Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma-Electrochemical Ammonia Synthesis”.

Monet polut ammoniakin tuotantoon

Typpi (N₂) on erittäin runsas maapallolla, muodostaa 78 % ilmakehästä. Mutta jotta se olisi hyödyllistä kasveille tai kemikaalina, tarvitsemme sen ammoniakin (NH₃) tai nitraatin (NO₃) muodossa. Näiden vetyatomien lisääminen typpiatomiin on erittäin energiaintensiivinen prosessi.

Yksi tapa on käyttää erityisiä bakteereja, joita kutsutaan typpifiksatiivisiksi bakteereiksi. Tämä on yksi suurimmista luonnollisen typen lähteistä (100–300 teragrammaa typpeä vuodessa maailmanlaajuisesti), mutta yleensä riittämätön intensiiviseen maatalouteen.

Kuten mainittiin, toinen tapa on käyttää vetyä (H₂), mutta vihreän vedyn tuotanto on kallista.

On kuitenkin kolmas tapa tuottaa ammoniakkia, joka tapahtuu joskus luonnossa. Kun salama iskee, sähkövirran intensiteetti hajottaa N₂-molekyylin, luoden useita typen oksidimuotoja.

Lähde: Britannica

Luonnossa nämä typen oksidit muunnetaan sitten bakteerien avulla ammoniakiksi. Tämä on vain pieni osa luonnollisesta ammoniakin tuotannosta, 3–10 teragramman välillä. Tämä on jotain, mitä voitaisiin jäljitellä keinotekoisesti, ohittaen vedyn tarpeen kokonaan.

Ihmisen tekoinen plasma korvaa salaman

Tutkijat ruversivat ilmaa plasma-reaktoriin, säiliöön, jossa on elektrodi ja lasiputki. Plasma‑purkaukset jäljittelevät salaman vaikutusta, luoden monimutkaisen seoksen typen oksideja reaktiohuoneessa.

Lähde: ACS Publication

Nämä sekoitetut kaasut lähetetään sitten katalyyttiseen reaktoriin, jossa on kuparipalladiumseos, rakenteeltaan vaahdon kaltainen. Tämä katalyytti vastaa ensin typen oksidien absorboinnista jäljelle jäävästä ilmasta ja sitten korvaa bakteerit, jotka luonnossa olisivat muuttaneet oksidit ammoniakiksi.

Katalyysin hienosäätö

Typen oksidien muuttamisen ammoniakiksi toinen vaihe ei ole lainkaan yksinkertainen.

“Kun plasmaenergia tai salamanisku aktivoi typpeä, syntyy seos typen oksidiyhdisteitä. Samanaikaisesti muuntaa, meidän tapauksessamme, jopa kahdeksan erilaista kemiallista yhdistettä ammoniakiksi on uskomattoman vaikeaa.”

Xiaoli Ge – Postdoctoral researcher at the University at Buffalo

Tämä tarkoittaa, että ei ole pelkästään 8 kemiallista reaktiota, jotka tarvitaan oksidien muuttamiseen ammoniakiksi, vaan itse asiassa paljon enemmän välivaiheita, joista jokainen voi aiheuttaa pullonkaulan ja heikentää järjestelmän kokonaistehokkuutta.

Se on myös ongelma, koska typen oksidit ovat jonkin verran saastuttavia, ja tämän menetelmän avulla tapahtuvan suuren ammoniakin tuotannon on pyrittävä minimoimaan jäljelle jäävät typen oksidit.

Joten tutkijoiden täytyi luoda sarja bimetallisista katalyyttien, jotka sitten hienosäädettiin kohdistamaan “optimaalinen adsorptio ja muunto rajoittavan välivaiheen NOx‑NH3‑polulla”.

He käyttivät matemaattista prosessia, jota kutsutaan graafiteoriaksi, kartoittaakseen kaikki erilaiset reaktiopolut. Näin he pystyivät alusta alkaen tunnistamaan, missä pullonkaulat olivat ja miten muuntosuhdetta voitaisiin parantaa.

Täten he havaitsivat, että suurin osa typen oksidiyhdisteistä täytyy kulkea typpioksidin tai amiinin kautta välivaiheena ennen ammoniakiksi muuttumista. Niinpä he loivat katalyytin, joka sitoutuu suotuisasti näihin kahteen yhdisteeseen.

Skaalaus

Viimeistetyssä mallissa saavutettiin ammoniakin tuotantonopeus 81,2 mg/h/cm². Plasma‑kammio ja kuparipalladiumkatalyytti pysyivät vakaina yli 1 000 tunnin käyttöajan jälkeen, kun sovellettiin 2 ampeerin virtaa.

Tutkimusryhmä tutkii nyt seuraavaa askelta kokeellisen reaktorin skaalaamiseksi, harkiten sekä startup‑yritystä että teknologian lisensointia teollisuuskumppaneille. Buffalo University on myös jättänyt patenttihakemuksen reaktorille.

• Koska plasma‑generointi perustuu täysin sähköön, se voidaan voimanlähteenä käyttää 100 % vihreää energiaa.
• Se voitaisiin sisällyttää keskikokoiseen konttiin ja kytkeä aurinkopaneeleihin, eikä se vaadi nykyisten ammoniakkitehtaiden massiivista mittakaavaa.
• Lisää edistystä katalyyttitieteessä voisi auttaa parantamaan järjestelmän kustannuksia, samoin kuin jatkuvasti laskevat vihreän energian, erityisesti aurinkoenergian, kustannukset.

“Voitte kuvitella reaktoreitamme esimerkiksi keskikokoisessa kuljetuskontissa, jonka katolla on aurinkopaneelit. Tämä voidaan sijoittaa minne tahansa maailmassa ja tuottaa ammoniakkia kysynnän mukaan kyseiselle alueelle.

Se on erittäin jännittävä etu järjestelmällemme, ja sen avulla voimme tuottaa ammoniakkia kehittymättömille alueille, joilla on rajoitettu pääsy Haber‑Bosch‑prosessiin.”

Chris Li – Apulaisprofessori, kemian osasto

Mahdollisesti muiden vaihtoehtojen tutkiminen, jotka eivät vaadi kallista palladiumia, kuten oikeita bakteereja sisältävä bioreaktori, voisi olla myös kehityksen suunta, mutta sen skaalaaminen tarvittavaan ammoniakin globaaliksi polttoaineeksi tarvittavaan määrään saattaa olla vaikeaa.

Sijoittaminen ammoniakkiin

Olemme jo käsitelleet muutamia vihreän ammoniakin sijoitusmahdollisuuksia aiemmissa artikkeleissa, sekä niiden taustalla olevaa tiedettä, erityisesti “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks” ja “Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia”.

Kuitenkin tämän uuden plasma‑pohjaisen ammoniakin tuotantoprosessin nousun myötä relevantimpi sijoituskohde voisi olla palladiumin louhija, koska minkä tahansa skaalausprosessin tuotanto vaatisi valtavan määrän tutkijoiden käyttämää katalyyttiä.

Palladiumia tuotettiin vuonna 2023 enimmäkseen Venäjällä ja Etelä‑Afrikassa, jonka jälkeen Kanada ja Zimbabwe.

Lähde: Statista

Ja tietysti suora sijoitus palladiumiin, kolikoina tai metallipalkkeina, on myös mahdollista jalometallien myyjiltä.

Lähde: US State Mint

Palladiumin hinnat ovat olleet erittäin epävakaita viime vuosina, kun massiivinen hinnannousu johtui Ukrainan sodasta ja Venäjän toimitusten merkityksestä markkinoilla. Sen jälkeen hinnat ovat laskeneet takaisin.

Lähde: Investing.com

1. Sibanye Stillwater Limited

Ehdottomasti suurin palladium‑ ja platinaan keskittynyt yritys, Sibanye Stillwater (SBSW ), on alansa johtaja. Se on myös maailman suurin rodiumintuottaja.

Näiden metallien lisäksi se tuottaa myös muita platinaryhmän metalleja, kuten iridiumia ja rutheniumia. Suuri osa tästä johtuu siitä, että platinaryhmän metallit (PGM) esiintyvät ja louhitaan yleensä samassa malmissa.

Stillwater

Syyskuussa 2024 Sibanye Stillwater ilmoitti, että se uudelleenjärjestelee Montana Stillwater -kaivoksensa, leikkaamalla kaivoksen tuotantoa 45 % kustannusten vähentämiseksi. Kaivos, jossa on enemmän palladiumia kuin platinaa, on kärsinyt palladiumin alhaisista hinnoista.

Tämä johti massiiviseen 435 miljoonan dollarin arvonalentumiskirjaan, jonka seurauksena yhtiö kirjasi tappion vuoden 2024 ensimmäisellä puoliskolla.

Tämä tekisi siitä myös arvokkaan passiivisen omaisuuden, jos palladiumista tulisi tärkeä “energia‑metalli” massatuotannon ammoniakin plasma‑menetelmällä.

On myös syytä huomata, että nykyiset hinnat juuri riittävät kattamaan tuotantokustannukset useimmilla platinaa sisältävillä alueilla, mikä tekee siitä alan alarajan ennen kaivosten sulkemista.

Lähde: Sibanye Stillwater

Sibanye Stillwater diversifioi tällä hetkellä puhtaasta PGM‑louhijasta siirtyäkseen kultaan ja akkumetallimarkkinoille, erityisesti litiumin louhintahankkeessa Suomessa.

Lähde: Sibanye Stillwater

Yrityksellä on myös läsnäolo uraanilouhinnassa Beisa-uraaniprojektin kautta Etelä‑Afrikassa. Se myi sen äskettäin Neo Energylle 40 % osakeomistuksen vastineeksi Neo Energyssä, sekä rojaltit kaikesta myydystä uraanista, maksut rajoitettu 5 dollariin per pauna spot‑uraanin hinnasta riippuen.

“Beatrix 4 -kaivoksen ja Beisa-uraaniprojektin myynti on linjassa Sibanye‑Stillwaterin strategian kanssa, jonka tavoitteena on vapauttaa arvoa uraanivarannoistamme.” Neal Froneman – Sibanye‑Stillwaterin toimitusjohtaja

Kaiken kaikkiaan Sibanye‑Stillwater on maailman suurin kansainvälinen PGM‑louhinta yritys, ja sen osakkeenomistajat hyötyvät suuresti energiateollisuuden siirtymisestä joko vetyyn tai ammoniakkiin liikenteen polttoaineena. Tämä johtuu siitä, että lähes kaikki mahdolliset teknologiat tällä alalla vaativat joko platinaa, palladiumia tai rodiumia vedyn elektrolyysiin, ammoniakin tuotantoon tai polttokennoihin, koska katalyysireaktioiden perusfysiikka vaatii näitä erityisiä metalleja.

Se laajentaa myös vähähiiliseen energiaan, litiumista uraaniin, mikä tekee siitä yhden kaivosyrityksistä, jotka todennäköisimmin hyötyvät siirtymisestä vihreään talouteen, jota ohjaavat uusiutuvat energialähteet sekä vety/ammoniakki.

Tutkimusviite:

^{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). Sekoitettujen NOxHy-reaktanttien reaktiopolkujen hallinta plasma‑elektrokemiallisessa ammoniakin synteesissä. Journal of the American Chemical Society, 146(51), 35305–35314. https://doi.org/10.1021/jacs.4c12858</sup}