Ammoniaproductie is enorm schadelijk voor het milieu – Ingenieurs hebben zojuist een schonere methode ontwikkeld

Ammonia: Van vervuiler naar groen alternatief

Ammonia wordt besproken als een alternatief voor fossiele brandstoffen voor toepassingen die moeilijk te elektrificeren zijn, zoals scheepvaart, vrachtvervoer of langdurige energieopslag. Het is ook voorgesteld als een tussenstap voor het veilige transport van waterstof die vervolgens in brandstofcellen kan worden gebruikt.

Gewoonlijk berust de productie van ammoniak op het combineren van waterstof met stikstofgas onder hoge druk en temperaturen, een proces dat het Haber-Bosch-proces wordt genoemd. Helaas is deze methode vervuilend en niet erg energie-efficiënt.

Bron: Research Gate

In plaats daarvan hebben onderzoekers van de University of Illinois, Texas Tech University en General Ammonia Company een nieuwe methode voor het produceren van ammoniak geoptimaliseerd die ethanol gebruikt met een geladen lithium-elektrode.

Dit is niet hun eerste doorbraak, met eerdere werken over elektrocatalytische schermen (een mesh van koper) voor ammoniakproductie, evenals “solar-to-fuel” ammoniakgeneratoren.

Lithium “Symfonie” voor groene ammoniakproductie

De nieuwe ammoniakproductiemethode werkt door stikstofgas en een waterstofdonerende vloeistof zoals ethanol te combineren met een geladen lithium-elektrode.

Deze “Lithium-gemedieerde ammoniaksyntese” (LiMAS) werkt in 3 opeenvolgende stappen:

1. Eerst, een stap genaamd Li+ elektrodepositie. Dit gebeurt met stroomoscillaties om een hoogwaardige vaste-elektrolytinterface (SEI) en spanningsstabiliteit te waarborgen.
2. Ten tweede hecht het stikstofmolecuul zich aan lithium in een proces dat Li-nitridatie wordt genoemd.
3. Ten derde voegt Li3N-protolyse de waterstofatomen toe aan het stikstof, waardoor ammoniak (NH3) ontstaat.

Bron: ACS Publications

De onderzoekers beschrijven het proces als een “symfonie”, omdat elke stap zodanig wordt gereguleerd dat het proces efficiënt blijft en het materiaal circuleert voor de volgende cyclus van chemische reacties.

“Er zijn twee lussen die plaatsvinden. De ene is de regeneratie van de waterstofbron en de tweede is de regeneratie van het lithium. Er is een symfonie in deze reactie, vanwege het cyclische proces.

Wat we deden was deze symfonie beter begrijpen en proberen deze op een zeer efficiënte manier te moduleren, zodat we een resonantie kunnen creëren en het sneller laten bewegen.” – Singh, universitair hoofddocent chemische technologie aan de UIC.

De elektrodepositiestap is de belangrijkste innovatie in dit onderzoek, omdat het de NH3-selectiviteit sterk verbetert.

Ze ontdekten ook twee andere factoren die de productiviteit van ammoniakproductie verhogen:

• Het verhogen van de druk van stikstofgas tot 20 bar.
• Alcohol gebruiken als waterstofbron.
  • 1-butanol als waterstofdonor leverde het hoogste rendement op
  • Water is een veel minder efficiënte waterstofdonor, in tegenstelling tot wat de wetenschappelijke gemeenschap tot nu toe geloofde.

Al met al maken deze inzichten high-pressure LiMAS (“Lithium-gemedieerde ammoniaksyntese”) productiever dan zowel low-pressure LiMAS als het Haber-Bosch-proces.

Bron: UIC Today

De problemen van ammoniakproductie

Groene ammoniak

We hebben vermeld hoe ammoniakproductie waarschijnlijk een cruciale stap is in het decarboniseren van de hele economische sector en het creëren van een waterstofeconomie. We bespraken dit in ons artikel “Decarboniseren van wereldwijde scheepvaartroutes via groene ammoniak”.

Dit is vooral waar als het proces wordt aangedreven door groene energie (inclusief het gebruik van groene waterstof), aangezien andere vormen van ammoniak minder milieuvriendelijk zijn.

Dit onderscheidt groene ammoniak van andere soorten ammoniak:

• Grijze/bruin ammoniak: geproduceerd uit fossiele brandstoffen.
• Blauw ammoniak wordt geproduceerd uit fossiele brandstoffen maar met koolstofafvang.
• Roze ammoniak (soms ook geel ammoniak genoemd): geproduceerd uit nucleaire energie.
• Turkoois ammoniak: geproduceerd uit de pyrolyse van methaan. Dit breekt methaan af tot waterstof en vaste koolstof, waarna de waterstof wordt omgezet in ammoniak. De vaste koolstof kan worden opgeslagen of gebruikt voor toepassingen zoals koolstofvezels.

Tegenwoordig wordt de meeste ammoniak geproduceerd voor toepassingen zoals meststofproductie en de chemische industrie (kleurstoffen, explosieven, enz.). Het wordt voornamelijk gemaakt met behulp van fossiele brandstoffen, vooral aardgas.

Als gevolg hiervan staat ammoniak op de tweede plaats, na cement, onder industriële processen qua CO2-uitstoot, en vormt het 1,5% van de totale CO2-uitstoot.

De hoge temperaturen die het Haber-Bosch-proces vereist, helpen ook niet de energierekening van ammoniakproductie te verlagen, aangezien die energie vaak afkomstig is van fossiele brandstoffen, waaronder kool met hoge CO2-uitstoot.

Industrialisering van LiMAs

Hoewel lithium niet het goedkoopste materiaal is, is het ook niet buitengewoon duur en wordt het niet verbruikt bij de ammoniakproductie met high-pressure LiMAS.

Dus, gecombineerd met de hoge energie-efficiëntie, is deze methode een goedkope bron van ammoniak.

De onderzoekers van de University of Illinois schatten dat, indien opgeschaald, het economisch levensvatbaar zou zijn

“het proces zou ammoniak produceren tegen $456 per ton, wat 60% goedkoper is dan eerdere lithiumgebaseerde benaderingen en andere voorgestelde groene methoden”.
Singh, universitair hoofddocent chemische technologie aan de UIC.

Dit zou die productiemethode in dezelfde prijsklasse plaatsen als andere groene alternatieven die nog in ontwikkeling zijn, zoals bijvoorbeeld het containergebaseerde ammoniakgeneratiesysteem van Fuel Positive met een doelprijs van CA$560 per ton, of het modulaire ammoniakssysteem van AmmPower met $360 per ton alleen voor elektriciteitskosten (exclusief onderhoud en kapitaalinvesteringen).

(We bespreken deze 2 bedrijven en anderen in ons artikel “De andere waterstofbrandstof – Top 5 groene ammoniak aandelen”)

$456 per ton zou ook in lijn liggen met de meeste regionale prijzen voor ammoniak wereldwijd, die momenteel worden gedreven door fossiele brandstofproductie.

Ammoniakprijzen zijn ook onderhevig aan grote schommelingen wanneer de aardgasprijzen stijgen, zoals in 2022 aan het begin van de oorlog in Oekraïne.

Bron: BusinessAnalitIQ

De wetenschappers werken al samen met General Ammonia Co. om hun lithium-gemedieerde ammoniaksynteseproces te testen en op te schalen. Een pilotfabriek zal worden gebouwd in de omgeving van Chicago en het Office of Technology Management van de University of Illinois heeft een patent voor het proces ingediend.

Groene ammoniakbedrijven

1. General Ammonia Company

Het bedrijf dat samenwerkt met de onderzoekers van de University of Illinois is niet beursgenoteerd, maar “actief op zoek naar investeringen”.

Geaccrediteerde investeerders zouden geïnteresseerd kunnen zijn in direct contact en het bespreken van mogelijke investeringsvoorwaarden in het bedrijf en zijn high-pressure LiMAS-pilotfabriek.

2. NitroVolt

NitroVolt is een ander bedrijf dat ammoniak wil produceren met LiMAS, met een lopende octrooi-aanvraag voor het lithium-gemedieerde ammoniaksynteseproces.

Bron: NitroVolt

Het Deense bedrijf combineert het LiMAS-proces met zijn eigen flowcell-systeem, waardoor een continue, hoogrendementreactie mogelijk is.

Het onderzoek van het bedrijf is gepubliceerd in prestigieuze wetenschappelijke publicaties, met name:

• Science:
  • Continue-flow elektrosynthese van ammoniak door stikstofreductie en waterstofoxidatie
  • Verbetering van lithium-gemedieerde ammoniaksyntese door toevoeging van zuurstof
• Nature: Een rigoureus elektrochemisch ammoniaksynteseprotocol met kwantitatieve isotopenmetingen

Bron: NitroVolt

Het bedrijf kreeg zijn eerste investering op 6 maart^th, 2024 van VC-firma BackingMinds.

3. FuelPositive Corporation (NHHHF)

FuelPositive heeft een modulair/containergebaseerd groen ammoniakgeneratiesysteem gecreëerd. De eerste doelgroep is de landbouwsector, waardoor ter plaatse ammoniakproductie mogelijk is met lokaal geproduceerde energie. Het systeem kan tot 300 kg/dag, 100 ton per jaar aan ammoniak genereren voor CA$950.000.

Bron: Fuel Positive

Dit maakt het een systeem geschikt voor boerderijen tot 1.800 acres. Met slechts 1,5 acre grond bedekt met zonnepanelen, voldoende om de ammoniakproductie van stroom te voorzien.

Bron: Fuel Positive

FuelPositive beweert dat zijn systeem ammoniak kan produceren voor CA$560 per ton,

De start-up bevindt zich in een vroeg stadium, met volledige productie gepland voor 2025, en tot nu toe 30 bestellingen bevestigd, met de eerste levering gepland voor maart 2024.

De belangrijkste sterkte van FuelPositive is de modulariteit van haar technologie, waardoor een meer gedistribueerde aanpak en gestandaardiseerde massaproductie van haar ammoniakgeneratiemodule mogelijk is.

Het bedrijf bouwt een partnerschap met Cipher Neutron, die waterstof kan produceren zonder metalen van de platinagroep.

Een vergelijkbaar partnerschap om de LiMAS-methode voor ammoniakproductie te gebruiken/licentiëren zou kunnen worden opgezet, aangezien de sterkte van het bedrijf ligt in het modulaire ontwerp, meer dan in een eigen ammoniakgeneratietechnologie.

Hoewel de primaire focus ligt op meststofproductie, zou de ammoniak kunnen worden gebruikt om landbouwmachines van stroom te voorzien met energie die ter plaatse wordt geproduceerd, afhankelijk van de snelheid van adoptie van ammoniak-/waterstofaangedreven landbouwgereedschap.

De gedecentraliseerde en modulaire aard van FuelPositive-systemen zou hen ook een sleutelonderdeel van een toekomstige ammoniak-economie kunnen maken. De meststofmarkt kan de kloof bieden voor het bedrijf om te groeien totdat het gebruik van waterstof en ammoniak meer wijdverspreid is.

4. AmmPower Corp. (AMMPF)

AmmPower is vergelijkbaar met FuelPositive doordat het modulaire ammoniakgeneratiesystemen levert, maar op een grotere schaal, met zijn basismodule die 4 ton/dag kan produceren. Dit plaatst het bedrijf meer in het veld van zeer grote boerderijen (10.000+ acres) of industriële operaties zoals textiel, koeling, mijnbouw, farmaceutica of halfgeleiders.

Bron: AmmPower

Het bedrijf is bezig met het opbouwen van zijn orderboek, met een kortetermijnboekingspotentieel van naar schatting $30 miljoen, en verkoopvooruitzichten voor 690 eenheden uit 52 landen.

Het bedrijf schat de elektriciteitskosten op ongeveer $360 per ton ammoniak.

De modulariteit van het systeem maakt een snelle doorlooptijd en leveringen mogelijk, met minder dan een jaar vergeleken met 3-4 jaar voor soortgelijke projecten zonder de modulaire aanpak.

Het werkt ook aan technologie om afval om te zetten in ammoniak, in een joint venture met CTEC Energy Sales USA.

Ook hier zouden andere partnerschappen kunnen worden opgezet om het LiMAS-ammoniakproces te integreren in het modulaire ontwerp.

Om de voortgang van ammoniak naar een waterstof-ammoniak economie te bevorderen, richt het een speciale dochteronderneming op die zich toelegt op het kraken van ammoniak tot waterstof, die apart op zoek zal gaan naar extra financiering.

Door de schaal te vinden die past bij de meeste industriële toepassingen, evenals zeer grote boerderijen, richt AmmPower zich op klanten en bedrijven met een diepere toegang tot kapitaal dan de meeste.

Gecombineerd met ammoniak‑krakentechnologie, zou dit het bedrijf in staat kunnen stellen snel op te schalen in navolging van beleid dat de ontwikkeling van waterstof als energiedrager stimuleert.