Salaman kaltaista plasmaa vihreän ammoniakin tekemiseksi edulliseksi

Polku kohti vihreän ammoniakin taloutta

Ammoniakkia, tai NH₃, on pidetty erinomaisena mahdollisena korvaajana öljystä ja muista fossiilisista polttoaineista valmistetulle nestepolttoaineelle. Tämä johtuu siitä, että se valmistetaan erittäin runsaasta resurssista, ilmakehän typestä (N₂), eikä sen tuotanto välttämättä vaadi öljyä tai metaania.

Koska ammoniakki on tärkeä lannoite, sen tuotanto on tällä hetkellä valtava osa kemianteollisuutta, mikä tekee siitä maailman toiseksi eniten tuotetun kemikaalin.

Ammoniakkia tuotetaan tällä hetkellä enimmäkseen Haber-Bosch-prosessin avulla, jossa typpi yhdistetään vetyyn ammoniakin muodostamiseksi, käyttäen korkeaa painetta ja korkeita lämpötiloja, mikä tekee prosessista luontaisesti energiaintensiivisen.

Lähde: Angewandte Chemie

Kuitenkin tämän vedyn lähde vaikuttaa siihen, kuinka saastuttavaa ammoniakin tuotanto voi olla. Nykyään suurin osa ammoniakin tuotantoon käytetystä vedystä saadaan fossiilisista polttoaineista, mikä tekee ammoniakista vastuullisen 1,3 %:sta maailmanlaajuisista hiilidioksidipäästöistä.

Ihannetapauksessa ammoniakkitalous perustuisi niin kutsuttuun vihreään ammoniakkiin, joka tuotetaan uusiutuvasta energiasta. Tämä erottaa sen muista ammoniakkityypeistä:

• 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, ja vety muunnetaan myöhemmin ammoniakiksi. Kiinteää hiiltä voidaan varastoida tai käyttää sovelluksissa kuten hiilikuidut.

Niin kauan kuin ammoniakki ei ole pääosin vihreää ammoniakkia, sen käyttö fossiilisten polttoaineiden korvaajana kuljetuksessa ja teollisuudessa on melko turhaa, sillä se vain siirtää fossiilisten polttoaineiden kulutuksen kohdan.

“Teollisuuden ammoniakin kysyntä kasvaa vain. Viimeisen vuosikymmenen ajan globaali tieteellinen yhteisö, mukaan lukien oma laboratoriomme, haluaa löytää kestävämmän tavan tuottaa ammoniakkia, joka ei perustu fossiilisiin polttoaineisiin.

Pr. PJ Cullen – Professor at the University of Sydney and the Net Zero Institute

Tämä on syy, miksi uudet löydökset, jotka muuttavat radikaalisti ammoniakin tuotantotapaa pois vuosisadan ikuisesta Haber-Bosch-prosessista, voivat olla pelin muuttajia.

Tällaisen innovaation ovat saattaneet kehittää Sydneyn yliopiston (Australia) ja Zhejiangin yliopiston (Kiina) tutkijat, käyttäen plasmaa typen tuottamiseen ilmasta. He julkaisevat tuloksensa Angewandte Chemie^1 -lehdessä otsikolla “Regulating Multifunctional Oxygen Vacancies for Plasma-Driven Air-to-Ammonia Conversion”.

Miksi ammoniakki?

Jos ammoniakki on periaatteessa muunneltua vetyä, miksi ei käyttää vetyä suoraan?

Ero vetyyn on se, että ammoniakki on paljon suurempi molekyyli kuin H₂ ja paljon vakaampi. Tämä tekee sen kuljetuksesta ja varastoinnista paljon helpompaa. Ammoniakki on myös lähes 50 % energiapitoisempi kuin nestemäinen vety.

Lähde: Kleinman Center For Energy Policy

Tämä energiapitoisuus ja helpompi varastointi tekevät ammoniakista ensisijaisen ehdokkaan kuljetuksessa, erityisesti energiaintensiiviseen pitkän matkan liikenteeseen kuten meriliikenteeseen, josta keskustelimme tarkemmin artikkelissa “Decarbonizing Global Shipping Lanes Through Green Ammonia”.

Se tekisi ammoniakista myös hyvän ehdokkaan vuoden tai kuukauden mittaiseen varastointiin, mikä on pitkään ollut haaste tasapainottaa vihreisiin energialähteisiin perustuvia sähköverkkoja, esimerkiksi kesän aurinkoenergian ylijäämää tai voimakkaiden tuuliviikkojen ylijäämää käytettäessä ylimääräisen ammoniakin tuottamiseen, jota kulutetaan talvella tai heikompien tuulien kausina.

Ammoniakin tuotannon ongelmat

Niin kauan kuin ammoniakin tuotanto perustuu Haber-Boschiin, siirtyminen vihreämpään polttoaineeseen voi kestää.

Pääsyy on se, että vihreän vedyn tuotanto on monimutkaista ja kallista, usein vaatii harvinaisia metalleja kuten platinaa, vaikka tämä todennäköisesti muuttuu nanoteknologian edistymisen myötä, esimerkiksi nikkelin nanotankojen käyttöön siirtymällä.

Toinen syy on se, että ammoniakin tuottaminen vedystä on monivaiheinen prosessi, jossa jokainen vaihe vaatii pääomainvestointeja ja vähentää koko tuotantoprosessin kokonaisenergiatuottoa:

• Vihreä energia on ensin tuotettava aurinko-, tuuli- tai vesivoimateknologioilla.
• Tämä sähkö siirretään sitten elektrolyysilaitteeseen, joka tuottaa vetyä.
• Vetyä käytetään sitten ammoniakin tuotantoon.

Koska uusiutuva energia on yleisesti katkeilevaa ja hajautettua, tämä aiheuttaa lisäkustannuksia, jotka vaativat keskitettyä vedyn ja ammoniakin tuotantoa.

“Tällä hetkellä ammoniakin tuotanto vaatii keskitettyä tuotantoa ja pitkän matkan kuljetusta. Tarvitsemme edullisen, hajautetun ja skaalautuvan ‘vihreän ammoniakin’”

Pr. PJ Cullen – Professor at the University of Sydney and the Net Zero Institute

Miten ei-terminaalinen plasma voisi mullistaa vihreän ammoniakin

Mitä on ei-terminaalinen plasma?

Muita menetelmiä kuin Haber-Bosch on olemassa ammoniakin tuotantoon. Yleinen ajatus on käyttää sähköä typen hapettamiseen ja sen jälkeen lisätä vetyatomeja (typin pelkistysreaktio – eNRR).

Kuitenkin näiden menetelmien rajoitteena on typen alhainen liukoisuus sekä ei-toivottuja muita reaktioita vesipitoisissa liuoksissa. Tästä syystä ei-terminaalia plasmaa (NTP) pidetään parempana, sillä NTP soveltuu paremmin hapetusreaktioihin kuin kemialliseen pelkistykseen.

Lähde: Angewandte Chemie

Tuloksena syntyvät nitraatti (NO₃⁻) ja nitriitti (NO₂⁻) ovat vesiliukoisia lähes 40 000‑kertaisesti enemmän kuin N₂.

Nämä menetelmät ovat lupaavia, mutta ne vaativat typen ja hapen erottamista ilmasta ja puhdistamista, mikä lisää kustannuksia.

Tästä syystä lähestymistavat, joissa ilma aktivoidaan suoraan NOx:n tuottamiseksi ja syntyneet NOx‑välituotteet pelkistetään NH₄⁺:ksi elektrokemiallisella muunnoksella, ovat houkuttelevia.

Kupari-rauta katalyytti

Tutkijat käyttivät kuparin (P-Cu) nanoruudukkoa, jossa happiplasma-ympäristöä käytettiin luomaan defektejä (CuOx/Cu) ja erittäin reaktiivisia lajeja kuten O⁻-ioni, O-atomit ja O₃ (otsoni)-molekyylit. Nämä reaktiiviset happilajit reagoivat kuparin kanssa, mikä johtaa pinnan hapettumiseen.

Tämän jälkeen rautaatomien lisääminen loi pinnalle vakaita Fe–O–Cu-siltasidoksia.

Lähde: Angewandte Chemie

Käyttäen energiaspektroskopista röntgenspektroskopiaa (EDS), tutkijat pystyivät tutkimaan tämän prosessin tuottamia erittäin monimutkaisia kiteisiä rakenteita. Hyvin pienet varret ja monimutkaiset rakenteet lisäsivät materiaalin pintaa, tehden siitä paremman katalyytin.

Lähde: Angewandte Chemie

Ammoniakin elektrokatalyysi

Fe₂O₃ NPs/Cu:ta käytettiin katodina ammoniakin tuotantoon typestä ja vedestä, halliten suoraan sekä typen hapettumista että veden elektrolyysiä vedyksi.

Testit osoittivat, että Fe₂O₃:n lisääminen kupariin tehostaa merkittävästi elektrokatalyyttistä aktiivisuutta.

Lähde: Angewandte Chemie

He analysoivat tarkasti, miten ammoniakin tuotanto toimii, ja vahvistivat, että se on itse asiassa monimutkainen, monikerroksinen kemiallinen reaktio, joka tapahtuu erittäin nopeasti, jossa NO₂ muuttuu NH₃:ksi.

Lähde: Angewandte Chemie

Entistä tärkeämpää on, että reaktiolla oli lähes 100 % faradaalinen hyötysuhde 300 mA:ssa, mikä tarkoittaa, että suurin osa käytetystä sähköstä muutetaan kemialliseksi energiaksi, tehden siitä kymmenkertaisesti tehokkaamman kuin klassisen veden elektrolyysin (vedyn tuotanto) ja sen jälkeen typen ammoniakiksi muuntamisen useat vaiheet.

“Tämä uusi lähestymistapa on kaksivaiheinen prosessi, eli plasma ja elektrolyysi yhdistettynä. Olemme jo tehneet plasma‑osan käyttökelpoiseksi energiatehokkuuden ja skaalautuvuuden osalta.”

Pr. PJ Cullen – Professor at the University of Sydney and the Net Zero Institute

Tulevaisuuden näkymät

Kaiken kaikkiaan tämä menetelmä osoittaa, että on olemassa muita polkuja ammoniakin tuotantoon, jotka voivat kokonaan ohittaa Haber-Bosch-prosessin, ja että vihreän vedyn erillinen tuotanto alun perin ei ole välttämätöntä.

Tämä edustaa myös parannusta verrattuna aiempaan teknologian versioon, jossa piti käyttää kupari-palladiumkatalyyttia raudan sijaan, palladiumin ollessa kallis metalli.

Tämä tutkimus keskittyi pääosin tehokkaan katalyytin kehittämiseen typen hapettamiseksi suoraan suodattamattomasta ja puhdistetusta ilmasta.

Saadakseen taloudellisesti kannattavan, elektrolyysikomponentin, joka tuottaa vetyä, on edelleen kehitettävä. Onneksi edistystä tapahtuu vedyn tuotannossa käyttäen aiemmin käyttämättömiä katalyyttejä tai jopa itseoptimoituja katalyyttejä.

Joten todennäköisesti keskipitkällä aikavälillä näemme erilaisten teknologioiden yhdistämisen kaupalliseksi ammoniakin tuotantolaitteeksi, kuten suora typen hapettuminen plasmalla käyttäen kuparia ja rautaa, sekä veden elektrolyysi käyttäen yhtä edullisia metalleja.

Nämä yksiköt voitaisiin asentaa suoraan vihreän energian tuotantopaikoille, ja syntynyt ammoniakin tuotanto varastoidaan suhteellisen edulliseen säiliöön (verrattuna vetyyn), josta se voidaan kuljettaa putkistolla, kuorma-autoilla tai tankkereilla.

Todennäköisesti ne yritykset, jotka pystyvät pystysuoraan integroimaan vihreän energian tuotannon, ammoniakin valmistuksen ja ammoniakin kuljetuksen, hyötyvät eniten tällaisista ratkaisuista.

Ammoniakkiyritys

Aker Horizons ASA (AKH.OL)

Aker Horizon on Aker-konsernin tytäryhtiö, joka keskittyy vihreään energiaan. Konserni on suuri norjalainen monialayritys, jonka fokus on uusiutuvat energialähteet sekä meri-/offshore-liiketoiminta.

Lähde: Aker

Aker Horizon on holding-yhtiö useille tytäryhtiöille, mukaan lukien vihreä vety, maalla ja offshore‑tuulivoimalat sekä aurinkovoimalat. Tämä sisältää Mainstream Renewable Powerin, hyödyntiyrityksen, jolla on 20,4 GW uusiutuvaa energiaa kehitteillä Etelä‑Afrikassa (12,3 GW) ja muissa maissa (Aasia, Etelä‑Amerikka, Eurooppa).

Yritys on erityisen aktiivinen vedyn ja vihreän ammoniakin tuotannossa, tavoitteena hiilidioksidipäästöjen vähentäminen arktisessa meriliikenteessä, sekä kiinnostus datakeskuksilta.

Lähde: Aker

Aker ei ole pelkästään vihreän ammoniakin yritys, mutta se pystyy hallitsemaan koko vihreän ammoniakin pystysuoran integraation, offshore‑tuulivoimaloista vedyn tuotantoon (tällä hetkellä) vihreän ammoniakin valmistukseen. Se työskentelee myös projekteissa kuten jäte‑energia Ranskassa, biomassalaitos Saksassa ja hiilidioksidin talteenotto Lähi‑idässä (Saudi‑Arabia ja Yhdistyneet Arabiemiirikunnat).

Maaliskuussa 2025 Aker on tarkastellut joitakin uudelleenjärjestelyjä vihreän energian alhaisten hintojen vuoksi, pyrkien käytännössä hankkimaan takaisin hiilidioksidin talteenotto‑toimintonsa ja integroimaan AKH Holdingin (Mainstream Renewable Power ja Narvikin vihreän ammoniakin projektit) takaisin Aker Horizoniin erillisen osakeannoksen jälkeen, käytännössä katsottuna.

Lähde: Aker

Tämä tekee siitä hyvän osakkeen sijoittajille, jotka etsivät pitkäaikaista altistumista laajasti vihreälle energiamarkkinalle, vahvalla asemalla vihreässä ammoniakissa, mutta myös muissa vihreissä energioissa, sekä maantieteellistä hajautusta Pohjois‑Amerikan osakkeista.

Viitattu tutkimus

^{1. Wanping Xu, Jiaqian Wang, Tianqi Zhang, Jungmi Hong, Qiang Song, Zhongkang Han, Patrick Cullen. (2025) Monitoimisten happivakioiden säätely plasmaohjattua ilmasta‑ammoniakin muuntamista varten Angewandte Chemie. 22 huhtikuu 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202508240}