Reattore Plasma-Elettrochimico Ispirato al Fulmine Potrebbe Risolvere le Nostre Esigenze di Ammoniaca con Zero Emissioni di Carbonio

Trovare la Strada Verso un’Economia dell’Ammoniaca

Man mano che le energie rinnovabili progrediscono, alcune limitazioni stanno diventando più evidenti. L’intermittenza delle rinnovabili richiede lo stoccaggio di energia, che potrebbe essere sotto forma di batterie, come abbiamo esplorato nel nostro articolo “The Future Of Energy Storage—Utility-Scale Batteries Tech”.

Tuttavia, alcune forme di consumo energetico sono molto resistenti all’elettrificazione. Per esempio, il trasporto marittimo a lunga distanza o il trasporto aereo di merci.

Per queste applicazioni, è preferibile un combustibile liquido denso e probabilmente l’opzione più probabile per i viaggi aerei. Per sostituire i combustibili fossili, l’ammoniaca è stata considerata come alternativa solida. L’ammoniaca è anche un composto chiave nella produzione di fertilizzanti e di prodotti chimici come gli esplosivi.

Attualmente, l’ammoniaca è responsabile dell’1,8% del consumo energetico globale e delle emissioni di carbonio, e questo prima ancora di provare a usarla per il trasporto. È attualmente prodotta bruciando metano, creando quella che si chiama ammoniaca grigia. Un’alternativa migliore sarebbe l’ammoniaca verde, prodotta da energia rinnovabile.

Il problema è che, per ora, l’ammoniaca verde è molto più costosa rispetto ai combustibili a base di petrolio o all’ammoniaca grigia. In gran parte, ciò è dovuto al fatto che l’ammoniaca viene prodotta utilizzando idrogeno, che a sua volta è costoso da produrre mediante elettrolisi.

Alternative come la catalisi mediata al litio potrebbero essere possibili e più economiche, ma forse ancora non sufficientemente economiche.

Ma potrebbe esserci un’alternativa all’idrogeno, almeno secondo i ricercatori della Buffalo State University of New York e dell’University of Auckland (Nuova Zelanda). Hanno recentemente pubblicato i loro risultati su come produrre ammoniaca con il plasma nel Journal of the American Chemical Society con il titolo “Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma-Electrochemical Ammonia Synthesis”.

I Molti Percorsi per la Produzione di Ammoniaca

L’azoto (N₂) è molto abbondante sulla Terra, costituisce il 78% dell’atmosfera. Ma per essere utile alle piante o come prodotto chimico, ne abbiamo bisogno sotto forma di ammoniaca (NH₃) o nitrato (NO₃). Aggiungere questi atomi di idrogeno all’atomo di azoto è un processo molto energivoro.

Un modo per farlo è attraverso batteri speciali, chiamati batteri fissatori di azoto. Questa è una delle più grandi fonti di azoto naturale (100–300 Teragrammi di azoto all’anno a livello globale), ma generalmente insufficiente per l’agricoltura intensiva.

Come accennato, un altro è l’uso di idrogeno (H₂), ma produrre idrogeno verde è costoso.

C’è, tuttavia, un terzo modo di produrre ammoniaca, che avviene occasionalmente in natura. Quando il fulmine colpisce, l’intensità della corrente elettrica rompe il N₂, creando diverse forme di ossidi di azoto.

Fonte: Britannica

In natura, questi ossidi di azoto vengono poi convertiti in ammoniaca dai batteri. Questo rappresenta solo una piccola parte della produzione naturale di ammoniaca, nell’intervallo di 3‑10 teragrammi. È qualcosa che potrebbe essere replicato artificialmente, eliminando completamente la necessità di idrogeno.

Plasma Artificiale che Sostituisce il Fulmine

I ricercatori hanno iniettato aria in un reattore a plasma, un contenitore con un elettrodo e un tubo di vetro. Le scariche di plasma replicano l’effetto del fulmine, creando una miscela complessa di ossidi di azoto nella camera di reazione.

Fonte: ACS Publication

Questi gas misti vengono poi inviati a un reattore catalitico contenente una lega rame-palladio strutturata come una schiuma. Questo catalizzatore è responsabile di assorbire prima gli ossidi di azoto dall’aria residua e poi di sostituire i batteri che, in natura, avrebbero convertito gli ossidi in ammoniaca.

Ottimizzazione della Catalisi

Il secondo passo per trasformare gli ossidi di azoto in ammoniaca è tutt’altro che semplice.

“Quando l’energia del plasma o un fulmine attiva l’azoto, si genera una zuppa di composti di ossido di azoto. Convertire simultaneamente, nel nostro caso, fino a otto diversi composti chimici in ammoniaca è incredibilmente difficile.”

Xiaoli Ge – Ricercatore post-dottorato presso l’University at Buffalo

Ciò significa che non sono solo 8 reazioni chimiche necessarie per trasformare gli ossidi in ammoniaca, ma in realtà molti più passaggi intermedi, ognuno dei quali può causare un collo di bottiglia e ridurre l’efficienza complessiva del sistema.

È anche un problema poiché gli ossidi di azoto sono in parte inquinanti, e qualsiasi produzione su larga scala di ammoniaca con questo metodo deve contenere il più possibile pochi ossidi di azoto residui.

Quindi, i ricercatori hanno dovuto creare una serie di catalizzatori bimetallici che sono stati poi ottimizzati per mirare a “l’adsorbimento ottimale e la conversione dell’intermedio limitante nel percorso NOx‑to‑NH3”.

Hanno utilizzato un processo matematico chiamato teoria dei grafi per mappare tutti i diversi percorsi di reazione. In questo modo, hanno potuto identificare fin dall’inizio dove fossero i colli di bottiglia e come migliorare l’efficienza di conversione.

Facendo ciò, hanno scoperto che la maggior parte dei composti di ossido di azoto deve passare attraverso ossido nitrico o ammina come passo intermedio prima di diventare ammoniaca. Pertanto, hanno creato un catalizzatore che si lega favorevolmente a questi due composti.

Scalare la Produzione

Il progetto finalizzato ha raggiunto una velocità di produzione di ammoniaca di 81,2 mg/h/cm². La camera a plasma e il catalizzatore rame‑palladio sono rimasti stabili dopo più di 1.000 ore di funzionamento con una corrente applicata di 2 ampere.

Il team di ricerca sta ora indagando il passo successivo per scalare il loro reattore sperimentale, considerando sia una startup sia la concessione in licenza della tecnologia a partner industriali. L’Università di Buffalo ha anche depositato una domanda di brevetto per il reattore.

• Essendo interamente alimentato elettricamente per la generazione del plasma, può essere alimentato al 100 % da energia verde.
• Potrebbe essere incorporato in un contenitore di dimensioni medie e collegato a pannelli solari, senza richiedere la scala massiccia degli attuali impianti di ammoniaca.
• Ulteriori progressi nella scienza dei catalizzatori potrebbero contribuire a ridurre i costi del sistema, così come la continua diminuzione dei costi dell’energia verde, in particolare solare.

“Si può immaginare i nostri reattori in qualcosa come un container di dimensioni medie con pannelli solari sul tetto. Questo può poi essere collocato ovunque nel mondo e generare ammoniaca su richiesta per quella regione.

Questo è un vantaggio molto entusiasmante del nostro sistema, e ci permetterà di produrre ammoniaca per regioni sottosviluppate con accesso limitato al processo Haber‑Bosch.”

Chris Li – Professore assistente di chimica

Potenzialmente, indagare altre opzioni che non richiedono palladio costoso, come un bioreattore contenente i batteri appropriati, potrebbe essere un’opzione per ulteriori sviluppi, ma potrebbe essere difficile scalare al volume necessario affinché l’ammoniaca diventi una fonte di carburante globale.

Investire nell’Ammoniaca

Abbiamo già trattato alcune possibilità di investimento nell’ammoniaca verde in articoli precedenti, così come la scienza alla base, in particolare “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks” e “Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia”.

Tuttavia, riguardo all’emergere di questo nuovo processo di produzione di ammoniaca basato sul plasma, un’azione più pertinente in cui investire potrebbe essere un’azienda mineraria di palladio, poiché qualsiasi produzione su larga scala richiederebbe un volume enorme del catalizzatore utilizzato dai ricercatori.

Il palladio è stato prodotto principalmente nel 2023 da Russia e Sudafrica, seguiti da Canada e Zimbabwe.

Fonte: Statista

E, naturalmente, è possibile investire direttamente nel palladio, sotto forma di monete o lingotti, tramite i venditori di lingotti di metalli preziosi.

Fonte: US State Mint

I prezzi del palladio sono stati molto volatili negli ultimi anni, con un forte aumento a causa della guerra in Ucraina e dell’importanza dell’approvvigionamento russo in questo mercato. Da allora sono nuovamente diminuiti.

Fonte: Investing.com

1. Sibanye Stillwater Limited

Di gran lunga la più grande azienda focalizzata su palladio e platino, Sibanye Stillwater (SBSW ), è leader nel suo settore. È anche il più grande produttore mondiale di rodio.

Oltre a questi metalli, è anche produttrice di altri metalli del gruppo del platino, come iridio e rutenio. In gran parte, ciò è dovuto al fatto che i metalli del Platinum Metal Group (PGM) tendono a trovarsi e a essere estratti insieme negli stessi minerali.

Stillwater

Nel settembre 2024, Sibanye Stillwater ha annunciato che avrebbe ristrutturato la sua miniera Montana Stillwater, riducendo la produzione di questa miniera del 45 % per contenere i costi. La miniera, che contiene più palladio che platino, ha subito a causa dei bassi prezzi del palladio.

Ciò ha portato a un’imponente svalutazione di 435 milioni di dollari, facendo registrare all’azienda una perdita nel primo semestre del 2024.

Questo la renderebbe anche un asset dormiente di valore nel caso in cui il palladio diventi un importante “metallo energetico” per produrre ammoniaca su larga scala con il plasma.

Vale anche la pena notare che i prezzi attuali sono appena sufficienti a coprire i costi di produzione per la maggior parte delle regioni ricche di platino, creando un plateau minimo per l’industria prima della chiusura delle miniere.

Fonte: Sibanye Stillwater

Sibanye Stillwater si sta attualmente diversificando da puro minatore di PGM per entrare nei mercati dell’oro e dei metalli per batterie, in particolare per un progetto di estrazione di litio in Finlandia.

Fonte: Sibanye Stillwater

L’azienda ha anche una presenza nell’estrazione dell’uranio con il progetto uranium Beisa in Sudafrica. L’ha recentemente venduto a Neo Energy in cambio di una partecipazione del 40 % in Neo Energy, oltre a royalties su tutto l’uranio venduto, con pagamenti limitati a 5 $ per libbra, a seconda del prezzo spot dell’uranio.

“La vendita del pozzo Beatrix 4 e del progetto uranium Beisa è in linea con la strategia di Sibanye‑Stillwater di sbloccare valore dai nostri asset di uranio.”

Neal Froneman – Amministratore delegato di Sibanye‑Stillwater

Nel complesso, Sibanye‑Stillwater è la più grande azienda mineraria internazionale di PGM al mondo, e i suoi azionisti trarrebbero grande beneficio dal settore energetico che si sta orientando verso l’idrogeno o l’ammoniaca come carburante per i trasporti. Questo perché quasi tutte le tecnologie possibili in questo segmento richiedono platino, palladio o rodio per l’elettrolisi dell’idrogeno, la produzione di ammoniaca o le celle a combustibile, a causa della fisica fondamentale delle reazioni catalitiche dell’idrogeno che necessitano di questi metalli speciali.

Si sta inoltre espandendo nell’energia a bassa emissione di carbonio, dal litio all’uranio, rendendola una delle aziende minerarie più propense a beneficiare della transizione verso un’economia verde alimentata da rinnovabili e idrogeno/ammoniaca.

Riferimento allo Studio:

^{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}