Ammoniakkproduksjon er enormt skadelig for miljøet – Ingeniører har nettopp utviklet en renere metode

Ammoniakk: Fra forurensning til grønt alternativ

Ammoniakk har blitt diskutert som et alternativ til fossile brensler for applikasjoner som er vanskelige å elektrifisere, som skipsfart, lastebiltransport eller langsiktig energilagring. Det har også blitt foreslått som et mellomtrinn for sikker transport av hydrogen som deretter kan brukes i brenselceller.

Vanligvis baserer produksjon av ammoniakk seg på å kombinere hydrogen med nitrogen under høyt trykk og høye temperaturer, en prosess som kalles Haber‑Bosch‑prosessen. Dessverre er denne metoden forurensende og ikke særlig energieffektiv.

Kilde: Research Gate

I stedet har forskere ved University of Illinois, Texas Tech University og  General Ammonia Company optimalisert en ny metode for å produsere ammoniakk som utnytter etanol med en ladet litium‑elektrode.

Dette er ikke deres første gjennombrudd; tidligere har de arbeidet med elektrokatalytiske skjerminger (et nett av kobber) for ammoniakkproduksjon, samt «sol‑til‑drivstoff»-ammoniakkgeneratorer.

Litiums “Symfoni” for grønn ammoniakkproduksjon

Den nye ammoniakkproduksjonsmetoden fungerer ved å kombinere nitrogen med en hydrogen‑donerende væske som etanol og en ladet litium‑elektrode.

Denne «Litium‑medierte ammoniakksyntesen» (LiMAS) foregår i tre påfølgende trinn:

1. Først et trinn kalt Li⁺‑elektrodeponering. Dette utføres med strøm‑oscillasjoner for å sikre et høykvalitets fast‑elektrolytt‑grensesnitt (SEI) & spenningsstabilitet.
2. Deretter fester nitrogenmolekylet seg til litium i en prosess kalt Li‑nitridasjon.
3. Til slutt tilfører Li₃N‑protolyse hydrogenatomene til nitrogenet, og danner ammoniakk (NH₃).

Kilde: ACS Publications

Forskerne beskriver prosessen som en «symfoni», fordi hvert trinn er regulert på en måte som holder prosessen effektiv og lar materialet sirkulere til neste kjemiske løkke.

«Det er to løkker som skjer. Den ene er regenerering av hydrogenkilden, og den andre er regenerering av litium. Det er en symfoni i denne reaksjonen, på grunn av den sykliske prosessen.

Det vi gjorde var å forstå denne symfonien bedre og forsøke å modulere den på en svært effektiv måte, slik at vi kan skape en resonans og få den til å gå raskere.» - Singh, førsteamanuensis i kjemisk ingeniørfag ved UIC.

Elektrodeponeringssteget er den viktigste innovasjonen i denne forskningen, da det kraftig forbedrer NH₃‑selektiviteten.

De fant også to andre faktorer som øker produktiviteten i ammoniakkgenereringen:

• Økt trykk på nitrogen til opptil 20 bar.
• Bruk av alkohol som hydrogenkilde.
  • 1‑butanol som hydrogen‑donor ga den høyeste avkastningen.
  • Vann er en mye mindre effektiv hydrogen‑donor, i motsetning til hva den vitenskapelige verden tidligere antok.

Sammen gjør disse innsiktene høy‑trykks‑LiMAS («Litium‑mediert ammoniakksyntese») mer produktiv enn både lav‑trykks‑LiMAS og Haber‑Bosch‑reaksjonen.

Kilde: UIC Today

Problemene med ammoniakkproduksjon

Grønn ammoniakk

Vi nevnte hvordan ammoniakkproduksjon sannsynligvis er et kritisk steg i avkarboniseringen av hele økonomien og i etableringen av en hydrogenøkonomi. Vi diskuterte dette i artikkelen vår «Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia».

Dette er spesielt sant dersom prosessen drives av grønn energi (inkludert grønt hydrogen), fordi andre former for ammoniakk er mindre miljøvennlige.

Dette skiller grønn ammoniakk fra andre typer ammoniakk:

• Grå/brun ammoniakk: produsert fra fossile brensler.
• Blå ammoniakk: produsert fra fossile brensler, men med karbonfangst.
• Rosa ammoniakk (noen ganger også kalt gul ammoniakk): produsert fra kjernekraft.
• Turkis ammoniakk: produsert fra pyrolyse av metan. Dette bryter ned metan til hydrogen og fast karbon, som senere omdannes til ammoniakk. Det faste karbonet kan lagres eller brukes i applikasjoner som karbonfiber.

I dag produseres mesteparten av ammoniakk for bruk i gjødselproduksjon og den kjemiske industrien (fargestoffer, sprengstoff osv.). Den lages hovedsakelig ved å bruke fossile brensler, spesielt naturgass.

Som følge av dette rangerer ammoniakk som den nest største industrielle prosessen i CO₂‑utslipp, kun overgått av sement, og står for 1,5 % av de totale karbonutslippene.

De høye temperaturene som kreves av Haber‑Bosch‑prosessen bidrar heller ikke til å redusere energikostnadene ved ammoniakkproduksjon, da energien ofte også kommer fra fossile brensler, inkludert kull med høye CO₂‑utslipp.

Industrialisering av LiMAs

Selv om litium ikke er det billigste materialet, er det heller ikke usedvanlig dyrt og forbrukes ikke i ammoniakkgenereringen når høy‑trykks‑LiMAS brukes.

Dermed, kombinert med den høye energieffektiviteten, er denne metoden en lav‑kostnadskilde til ammoniakk.

Forskerne ved University of Illinois anslår at metoden vil være økonomisk levedyktig dersom den skaleres opp

«prosessen vil kunne produsere ammoniakk for 456 USD per tonn, noe som er 60 % billigere enn tidligere litium‑baserte tilnærminger og andre foreslåtte grønne metoder».

Singh, førsteamanuensis i kjemisk ingeniørfag ved UIC.

Dette vil plassere produksjonskostnaden i samme område som andre grønne alternativer under utvikling, for eksempel Fuel Positives containeriserte ammoniakk‑genereringssystem, som sikter mot 560 CAD / tonn, eller AmmPower sitt modulære ammoniakk‑system med 360 USD / tonn kun for elektrisitetskostnad (uten å regne med vedlikehold og kapitalutgifter).

(Vi diskuterer disse to selskapene og andre i artikkelen vår «The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks»)

456 USD per tonn vil også være i tråd med de fleste regionale ammoniakkpriser globalt, som i dag er drevet av fossilt basert produksjon.

Ammoniakkpriser er også utsatt for store svingninger når naturgasspriser stiger, som i 2022 i begynnelsen av krigen i Ukraina.

Kilde: BusinessAnalitIQ

Forskerne samarbeider allerede med General Ammonia Co. for å pilotere og skalere opp deres litium‑medierte ammoniakksyntese‑prosess. Et pilotanlegg vil bli bygget i Chicago‑området, og University of Illinois Office of Technology Management har innlevert et patent på prosessen.

Grønne ammoniakk‑selskaper

1. General Ammonia Company

Selskapet som samarbeider med forskerne ved University of Illinois er ikke børsnotert, men er «aktivt på jakt etter investeringer».

Akkrediterte investorer kan være interessert i å kontakte dem direkte for å diskutere mulige investeringsvilkår i selskapet og deres høy‑trykks‑LiMAS‑pilotanlegg.

2. NitroVolt

NitroVolt er et annet selskap som ønsker å lage ammoniakk ved hjelp av LiMAS, med en patent‑søknad på den litium‑medierte ammoniakksyntese‑prosessen.

Kilde: NitroVolt

Det danske selskapet kombinerer LiMAS‑prosessen med sitt proprietære flyt‑celle‑system, som muliggjør en kontinuerlig, høy‑effektiv reaksjon.

Forskningen deres er publisert i anerkjente vitenskapelige tidsskrifter, blant annet:

• Science:
  • Continuous-flow electrosynthesis of ammonia by nitrogen reduction and hydrogen oxidation
  • Enhancement of lithium-mediated ammonia synthesis by the addition of oxygen
• Nature: A rigorous electrochemical ammonia synthesis protocol with quantitative isotope measurements

Kilde: NitroVolt

Selskapet mottok sin første investering 6. mars^th, 2024 fra VC‑firmaet BackingMinds.

3. FuelPositive Corporation (NHHHF)

FuelPositive har utviklet et modulært/containerisert grønt ammoniakk‑genereringssystem. Første målgruppe er landbrukssektoren, som gjør det mulig å produsere ammoniakk på stedet med lokalt produsert energi. Systemet kan generere opptil 300 kg/dag, 100 tonn per år med ammoniakk for 950 000 CAD.

Kilde: Fuel Positive

Dette gjør systemet egnet for gårder på opptil 1 800 dekar. Med kun 1,5 dekar solcellepaneler kan man generere nok strøm til ammoniakkproduksjonen.

Kilde: Fuel Positive

FuelPositive hevder at systemet kan produsere ammoniakk for 560 CAD / tonn,

Oppstarten er i en tidlig fase, med fullskala produksjon planlagt til 2025, og 30 bestillinger bekreftet så langt, med første levering satt til mars 2024.

Hovedstyrken til FuelPositive er modulæriteten i teknologien, som tillater en mer distribuert tilnærming og standardisert masseproduksjon av ammoniakk‑genereringsmodulen.

Selskapet bygger et partnerskap med Cipher Neutron, som kan produsere hydrogen uten noen metaller fra platina‑gruppen.

Et lignende partnerskap for å bruke/licensiere LiMAS‑metoden for ammoniakkproduksjon kunne etableres, siden selskapets styrke ligger i modulært design snarere enn i proprietær ammoniakk‑genereringsteknologi.

Selv om hovedfokuset er gjødselproduksjon, kan ammoniakken brukes til å drive gårds‑motorer med energi produsert på stedet, avhengig av hvor raskt ammoniakk‑/hydrogen‑drevne landbrukverktøy tas i bruk.

Den desentraliserte og modulære naturen til FuelPositive‑systemene kan også gjøre dem til en nøkkelkomponent i en fremtidig ammoniakkøkonomi. Gjødselmarkedet kan gi selskapet den nødvendige veksten inntil bruk av hydrogen og ammoniakk blir mer utbredt.

4. AmmPower Corp. (AMMPF)

AmmPower ligner på FuelPositive ved at de leverer modulære ammoniakk‑genereringssystemer, men i større skala, med en basismodul som kan produsere 4 tonn/dag. Dette plasserer selskapet i markedet for svært store gårder (10 000 + dekar) eller industrielle operasjoner som tekstil, kjøling, gruvedrift, farmasøytisk produksjon eller halvledere.

Kilde: AmmPower

Selskapet er i ferd med å bygge sin ordre‑bok, med et kortsiktig bestillingspotensial estimert til 30 millioner USD, og salgsperspektiver for 690 enheter fra 52 land.

Selskapet anslår at elektrisitetskostnaden er rundt 360 USD / tonn ammoniakk.

Modulæriteten i systemet gjør det mulig med rask oppstart og leveranser, med mindre enn ett år sammenlignet med 3‑4 år for lignende prosjekter uten modulær tilnærming.

De arbeider også med teknologi for å omdanne avfall til ammoniakk, i et joint venture med CTEC Energy Sales USA.

Her også kan andre partnerskap etableres for å integrere LiMAS‑ammoniakkprosessen i det modulære designet.

For å fremme overgangen til en hydrogen‑ammoniakk‑økonomi, oppretter de et eget datterselskap dedikert til cracking av ammoniakk til hydrogen, som vil søke ytterligere finansiering separat.

Ved å treffe en skala som passer de fleste industrielle bruksområder, samt svært store gårder, sikter AmmPower mot kunder og selskaper med dypere kapitaltilgang enn de fleste.

Sammen med ammoniakk‑cracking‑teknologi kan dette tillate rask oppskalering i takt med politiske tiltak som fremmer utviklingen av hydrogen som energibærer.