Plasma simile a un fulmine per rendere l’ammoniaca verde più economica

Il percorso verso un’economia dell’ammoniaca verde

Ammonia, or NH₃, è stata considerata un grande candidato potenziale per sostituire il combustibile liquido derivato dal petrolio e da altri combustibili fossili. Questo perché è prodotta utilizzando una risorsa estremamente abbondante, l’azoto atmosferico (N₂), e non necessita necessariamente di petrolio o metano per la sua produzione.

Poiché l’ammoniaca è un fertilizzante importante, la sua produzione è attualmente una parte massiccia dell’industria chimica, rendendola il secondo prodotto chimico più prodotto al mondo.

Attualmente l’ammoniaca è prodotta principalmente tramite il processo Haber-Bosch, che combina azoto e idrogeno per produrre ammoniaca, usando alta pressione e alte temperature, rendendolo intrinsecamente ad alta intensità energetica.

Fonte: Angewandte Chemie

Tuttavia, la fonte di questo idrogeno influisce su quanto la produzione di ammoniaca sia inquinante. Oggi, la maggior parte dell’idrogeno per la produzione di ammoniaca proviene da combustibili fossili, rendendo l’ammoniaca responsabile del 1,3% delle emissioni globali di carbonio.

Idealmente, un’economia dell’ammoniaca si baserebbe sulla cosiddetta ammoniaca verde generata da energia rinnovabile. Questo la distingue da altri tipi di ammoniaca:

• Grey/brown ammonia: prodotta da combustibili fossili.
• Blue ammonia: prodotta da combustibili fossili ma con cattura del carbonio.
• Pink ammonia (sometimes also called yellow ammonia): prodotta da energia nucleare.
• Turquoise ammonia: prodotta dalla pirolisi del metano. Questo scompone il metano in idrogeno e carbonio solido, con l’idrogeno successivamente convertito in ammoniaca. Il carbonio solido può essere immagazzinato o usato per applicazioni come le fibre di carbonio.

Finché l’ammoniaca non è per lo più ammoniaca verde, usarla per sostituire i combustibili fossili nei trasporti e nelle industrie è piuttosto inutile, poiché cambia solo il punto in cui i combustibili fossili vengono consumati.

“L’appetito dell’industria per l’ammoniaca è in crescita. Negli ultimi dieci anni, la comunità scientifica globale, compreso il nostro laboratorio, vuole scoprire un modo più sostenibile per produrre ammoniaca che non dipenda dai combustibili fossili.

Pr. PJ Cullen – Professore presso l’Università di Sydney e il Net Zero Institute

Questo è il motivo per cui nuove scoperte che cambiano completamente il modo in cui l’ammoniaca è prodotta, lontano dal processo Haber-Bosch seicentesco, potrebbero essere un punto di svolta.

Una tale innovazione potrebbe essere stata realizzata da ricercatori dell’Università di Sydney (Australia) e dell’Università di Zhejiang (Cina), usando il plasma per produrre azoto dall’aria. Hanno pubblicato i loro risultati su Angewandte Chemie¹ con il titolo “Regolazione di vacanze di ossigeno multifunzionali per la conversione aria‑ammoniaca guidata dal plasma”.

Perché l’ammoniaca?

Se l’ammoniaca è essenzialmente idrogeno trasformato, perché non usare direttamente l’idrogeno?

La differenza rispetto all’idrogeno è che l’ammoniaca è una molecola molto più grande di H₂ e molto più stabile. Questo rende il suo trasporto e la sua immagazzinamento molto più facili. L’ammoniaca è anche quasi il 50% più densa di energia rispetto all’idrogeno liquido.

Fonte: Kleinman Center For Energy Policy

Questa densità energetica e la più facile immagazzinamento rendono l’ammoniaca un candidato principale per l’uso nei trasporti, specialmente per viaggi a lunga distanza ad alta richiesta energetica come la navigazione, qualcosa di cui abbiamo discusso in dettaglio in “Decarbonizzare le rotte di navigazione globale attraverso l’ammoniaca verde”.

Sarebbe anche un buon candidato per lo stoccaggio di anno o mese, un problema di lunga data per bilanciare le reti energetiche dipendenti da energie verdi, con, ad esempio, il surplus di energia solare in estate o durante settimane di vento forte usato per produrre ammoniaca in eccesso che verrebbe consumata in inverno o in stagioni a bassa ventosità.

Problemi nella produzione di ammoniaca

Finché la produzione di ammoniaca dipende dal processo Haber-Bosch, questo passaggio a un combustibile più verde potrebbe richiedere tempo.

Il motivo principale è che la produzione di idrogeno verde è complessa e costosa, spesso richiede metalli rari come il platino, anche se è probabile che cambi grazie ai progressi nella nanotecnologia, come l’uso di nanorod di nichel al suo posto.

L’altro motivo è che produrre ammoniaca con idrogeno significa che è un processo a più fasi, con ogni fase che richiede investimenti di capitale e riduce il rendimento energetico totale dell’intero processo di produzione:

• L’energia verde deve prima essere prodotta con tecnologie solari, eoliche o idroelettriche.
• Quell’elettricità è poi trasportata a un elettrolizzatore che produce idrogeno.
• L’idrogeno è poi usato per la produzione di ammoniaca.

Poiché l’energia verde è generalmente più intermittente e decentralizzata, ciò crea costi aggiuntivi per richiedere una produzione centralizzata di idrogeno e ammoniaca.

“Attualmente, generare ammoniaca richiede una produzione centralizzata e il trasporto a lunga distanza del prodotto. Abbiamo bisogno di un’ammoniaca verde a basso costo, decentralizzata e scalabile”.

Pr. PJ Cullen – Professore presso l’Università di Sydney e il Net Zero Institute

Come il plasma non termico potrebbe rivoluzionare l’ammoniaca verde

Cos’è il plasma non termico?

Altri metodi oltre al processo Haber-Bosch esistono per produrre ammoniaca. L’idea generale è usare l’elettricità per ossidare l’azoto, e poi aggiungere atomi di idrogeno (reazione di riduzione dell’azoto – eNRR).

Tuttavia, questi metodi sono limitati dalla bassa solubilità dell’azoto e da altre reazioni indesiderate in soluzioni contenenti acqua. Per questo il plasma non termico (NTP) è considerato un’alternativa, poiché il NTP è più adatto alle reazioni di ossidazione rispetto alla riduzione chimica.

Fonte: Angewandte Chemie

Il nitrato (NO₃⁻) e il nitrito (NO₂⁻) risultanti hanno una solubilità in acqua quasi 40.000 volte superiore a quella del N₂.

Questi metodi sono promettenti, ma richiedono l’estrazione e la purificazione di azoto e ossigeno dall’aria, aumentando i costi.

Questo è il motivo per cui gli approcci in cui l’aria è attivata direttamente per produrre NOx e gli intermedi NOx risultanti ridotti in NH₄⁺ tramite conversione elettrochimica sono attraenti.

Catalizzatore rame-ferro

I ricercatori hanno usato una nanogriglia di rame (P-Cu), in cui un’atmosfera di plasma di ossigeno è stata usata per creare difetti (CuxO/Cu) e specie altamente reattive come ioni O⁻, atomi O e molecole O₃ (ozono). Queste specie di ossigeno reattivo interagiscono con il rame, portando all’ossidazione della superficie.

Successivamente l’aggiunta di atomi di ferro ha creato legami stabili Fe–O–Cu sulla superficie.

Fonte: Angewandte Chemie

Usando la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS), i ricercatori hanno potuto studiare le strutture cristalline altamente complesse formatesi con questo processo. I piccoli bastoncini e le strutture complesse hanno aumentato la superficie del materiale, rendendolo un catalizzatore migliore.

Fonte: Angewandte Chemie

Elettrocatalisi dell’ammoniaca

Fe₂O₃ NPs/Cu è stato usato come catodo per la produzione di ammoniaca da azoto e acqua, controllando direttamente sia l’ossidazione dell’azoto sia l’elettrolisi dell’acqua in idrogeno.

I test hanno dimostrato che l’introduzione di Fe₂O₃ sul rame migliora efficacemente l’attività elettrocatalitica.

Fonte: Angewandte Chemie

Hanno analizzato in dettaglio come funziona la produzione di ammoniaca, confermando che si tratta di una reazione chimica complessa e a più strati che avviene molto rapidamente, con NO₂ che si trasforma in NH₃.

Fonte: Angewandte Chemie

Più importante, la reazione ha mostrato un’efficienza faradica quasi del 100% a 300 mA, il che significa che la maggior parte dell’energia elettrica utilizzata viene convertita in energia chimica, rendendola di un ordine di grandezza più efficiente rispetto ai molteplici passaggi dell’elettrolisi classica dell’acqua (per la produzione di idrogeno) e della successiva conversione azoto‑ammoniaca.

“Questo nuovo approccio è un processo a due fasi, cioè combina plasma ed elettrolisi. Abbiamo già reso il componente plasma praticabile in termini di efficienza energetica e scalabilità.”

Pr. PJ Cullen – Professore presso l’Università di Sydney e il Net Zero Institute

Guardare al futuro

Nel complesso, questo metodo dimostra che esistono altri percorsi verso la produzione di ammoniaca che potrebbero bypassare completamente il processo Haber-Bosch, eliminando la necessità di produrre separatamente idrogeno verde in primo luogo.

Questo rappresenta anche un miglioramento rispetto a una versione precedente di questa tecnologia, che doveva usare un catalizzatore rame‑palladio invece del ferro, con il palladio un metallo costoso.

Questo studio si è concentrato principalmente sullo sviluppo di un catalizzatore efficiente per l’ossidazione dell’azoto direttamente dall’aria non filtrata e raffinata.

Per renderlo economicamente sostenibile, il componente elettrolizzatore che produce l’idrogeno dovrà ancora essere migliorato. Fortunatamente, si stanno facendo progressi nella produzione di idrogeno usando catalizzatori non precedentemente utilizzati o anche nei catalizzatori auto‑ottimizzanti.”

Quindi, molto probabilmente, nel medio termine vedremo la combinazione di diverse tecnologie in una macchina commerciale di produzione di ammoniaca, come l’ossidazione diretta dell’azoto con plasma usando rame e ferro, e l’elettrolisi dell’acqua usando metalli altrettanto economici.

Queste unità potrebbero essere installate direttamente sui siti di produzione di energia verde, e l’ammoniaca risultante immagazzinata in un serbatoio relativamente economico (rispetto all’idrogeno), per essere trasportata via gasdotto, camion o navi cisterna.

Sarà probabilmente le aziende in grado di integrare verticalmente la generazione di energia verde, la produzione di ammoniaca e il trasporto dell’ammoniaca a trarre il maggior beneficio da tali progetti.

Azienda di ammoniaca

Aker Horizons ASA (AKH.OL)

Aker Horizon è una controllata del gruppo Aker incentrata sull’energia verde. Il gruppo è un grande conglomerato norvegese con un focus su energie rinnovabili e attività marine/offshore.

Fonte: Aker

Aker Horizon è la holding di diverse controllate, tra cui idrogeno verde, parchi eolici on‑shore e offshore, e impianti solari. Include Mainstream Renewable Power, una società di servizi con 20,4 GW di energia rinnovabile in sviluppo in Sud Africa (12,3 GW) e altri paesi (Asia, Sud America, Europa).

L’azienda è particolarmente attiva nella generazione di idrogeno e ammoniaca verde, con l’obiettivo di decarbonizzare la navigazione artica, oltre a suscitare interesse da parte dei data center.

Fonte: Aker

Aker non è una società esclusivamente di ammoniaca verde ma può gestire l’intera integrazione verticale dell’ammoniaca verde, dalle turbine eoliche offshore alla generazione di idrogeno (per ora) fino alla produzione di ammoniaca verde. Sta inoltre lavorando a progetti come waste‑to‑energy in Francia, un impianto di biomassa in Germania e cattura del carbonio in Medio Oriente (Arabia Saudita e Emirati Arabi Uniti).

Nel maggio 2025, Aker ha valutato una ristrutturazione a causa dei bassi prezzi nel settore dell’energia verde, essenzialmente cercando di riacquisire completamente le sue operazioni di cattura del carbonio, e la reintegrazione di AKH Holding (Mainstream Renewable Power e i progetti di ammoniaca verde di Narvik) in Aker Horizon dopo una quotazione separata di alcune delle sue azioni,

Fonte: Aker

Questo la rende un’azione interessante per gli investitori che cercano esposizione a lungo termine al settore dell’energia verde in generale, con una forte posizione sull’ammoniaca verde, ma anche su altre energie verdi, e una certa diversificazione geografica rispetto alle azioni nordamericane.

Studio di riferimento

^{1. Wanping Xu, Jiaqian Wang, Tianqi Zhang, Jungmi Hong, Qiang Song, Zhongkang Han, Patrick Cullen. (2025) Regolazione di vacanze di ossigeno multifunzionali per la conversione aria‑ammoniaca guidata dal plasma. Angewandte Chemie. 22 aprile 2025 https&#58//doi.org/10.1002/anie.202508240}