Bærekraft
Lyninspirert plasma‑elektrokjemisk reaktor kan løse vårt ammoniakkbehov med null karbonavtrykk
Legg til Securities.io blant dine foretrukne kilder på Google
Finne veien til en ammoniakkøkonomi
Etter hvert som fornybar energi utvikler seg, blir noen begrensninger tydeligere. Fornybar energis intermittens krever energilagring, som kan være batterier, som vi utforsket i artikkelen vår “The Future Of Energy Storage—Utility-Scale Batteries Tech”.
Imidlertid er noen former for energiforbruk svært motstandsdyktige mot elektrifisering. For eksempel langdistanse sjøtransport eller luftfrakt.
For disse anvendelsene er tett flytende drivstoff foretrukket og sannsynligvis det mest sannsynlige alternativet for luftfart. Så for å erstatte fossilt drivstoff har ammoniakk blitt vurdert som et solid alternativ. Ammoniakk er også en nøkkelforbindelse i produksjon av gjødsel og kjemikalier som sprengstoff.
For øyeblikket står ammoniakk for 1,8 % av det globale energiforbruket og karbonutslippene, og det er før vi prøver å bruke det til transport. Det produseres i dag ved å brenne metan, noe som skaper såkalt grå ammoniakk. Et bedre alternativ ville være såkalt grønn ammoniakk, produsert fra fornybar energi.
Problemet er at grønn ammoniakk foreløpig er mye dyrere enn oljebaserte drivstoff eller grå ammoniakk. I stor grad skyldes dette at ammoniakk produseres ved hjelp av hydrogen, som i seg selv er dyrt å fremstille ved elektrolyse.
Alternativer som litiummediert katalyse kan være mulige og billigere, men kanskje fortsatt ikke rimelige nok.
Men det kan finnes et alternativ til hydrogen, i hvert fall ifølge forskere ved Buffalo State University of New York og University of Auckland (New Zealand). De publiserte nylig sine funn om hvordan man kan produsere ammoniakk med plasma i Journal of the American Chemical Society under tittelen “Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma-Electrochemical Ammonia Synthesis1”.
De mange veiene til ammoniakkproduksjon
Nitrogen (N2) er svært rikelig på jorden og utgjør 78 % av atmosfæren. Men for å være nyttig for planter eller som kjemikalie, trenger vi det i form av ammoniakk (NH3) eller nitrat (NO3). Å legge til disse hydrogenatomene til nitrogenatomet er en svært energikrevende prosess.
En måte å gjøre det på er gjennom spesielle bakterier, kalt nitrogenfikserende bakterier. Dette er en av de største kildene til naturlig nitrogen (100–300 teragram nitrogen per år globalt), men generelt utilstrekkelig for intensivt jordbruk.
Som nevnt er en annen å bruke hydrogen (H2), men produksjon av grønt hydrogen er dyrt.
Det finnes imidlertid en tredje måte å produsere ammoniakk på, som noen ganger forekommer i naturen. Når lyn slår ned, bryter den intense elektriske strømmen opp N2, og skaper flere former for nitrogenoksider.
Kilde: Britannica
I naturen blir disse nitrogenoksidene deretter omdannet til ammoniakk av bakterier. Dette utgjør kun en liten del av den naturlige ammoniakkproduksjonen, i området 3–10 teragram. Dette er noe som kan reproduseres kunstig, og dermed omgå behovet for hydrogen helt.
Menneskeskapt plasma som erstatter lyn
Forskerne injiserte luft inn i en plasmareaktor, en beholder med en elektrode og et glassrør. Plasmautladningene etterligner effekten av lyn, og skaper en kompleks blanding av nitrogenoksider i reaksjonskammeret.
Kilde: ACS Publication
Disse blandede gassene sendes deretter til en katalytisk reaktor som inneholder en kobber‑palladiumlegering strukturert som skum. Denne katalysatoren har ansvaret for først å absorbere nitrogenoksidene fra den resterende luften og deretter erstatte bakteriene som i naturen ville ha omdannet oksidene til ammoniakk.
Finjustering av katalysen
Det andre trinnet med å omdanne nitrogenoksider til ammoniakk er alt annet enn enkelt.
«Når plasmaenergi eller et lynslått aktiverer nitrogen, genererer du en suppe av nitrogenoksidforbindelser. Å samtidig konvertere, i vårt tilfelle, opptil åtte forskjellige kjemiske forbindelser til ammoniakk er utrolig vanskelig.»
Dette betyr at det ikke bare er 8 kjemiske reaksjoner som trengs for å omdanne oksider til ammoniakk, men faktisk mange flere mellomtrinn, som hver potensielt kan forårsake et flaskehals og redusere den samlede effektiviteten i systemet.
Det er også et problem siden nitrogenoksider er noe forurensende, og enhver stor produksjon av ammoniakk med denne metoden må ha så lite resterende nitrogenoksider som mulig.
Dermed måtte forskerne lage en serie bimetalliske katalysatorer som deretter ble finjustert for å målrette «den optimale adsorpsjonen og konverteringen av den begrensende mellomprodukten i NOx‑til‑NH3‑banen».
De brukte en matematisk prosess kalt grafteori for å kartlegge alle de ulike reaksjonsveiene. På denne måten kunne de fra starten av identifisere hvor flaskehalsene var og hvordan man kunne forbedre konverteringseffektiviteten.
Ved å gjøre dette oppdaget de at de fleste nitrogenoksidforbindelser må gå gjennom nitrogenmonoksid eller amin som et mellomtrinn før de blir til ammoniakk. Så laget de en katalysator som binder seg gunstig til disse to forbindelsene.
Oppskalering
Den ferdige designen oppnådde en ammoniakkproduksjonsrate på 81,2 mg/t/cm2. Plasma kammeret og kobber‑palladiumkatalysatoren var stabile etter mer enn 1 000 timer med drift ved en påført strøm på 2 ampere.
Forskningsgruppen undersøker nå neste steg for å oppskalere deres eksperimentelle reaktor, og vurderer både en oppstart og lisensiering av teknologien til industrielle partnere. Buffalo University har også innlevert en patentsøknad for reaktoren.
I motsetning til dagens fossile drivstoffbaserte produksjon, vil denne plasma‑baserte ammoniakkproduksjonen ha noen få nøkkelfordeler:
- Den drives helt av elektrisitet for plasma‑generering, og kan dermed forsynes med 100 % grønn energi.
- Den kan integreres i en mellomstor container og kobles til solcellepaneler, uten å kreve den massive skalaen til dagens ammoniakkanaler.
- Videre fremgang innen katalysescience kan bidra til å forbedre kostnadene for systemet, samt den kontinuerlige nedgangen i kostnader for grønn energi, spesielt solenergi.
«Du kan forestille deg våre reaktorer i noe som en mellomstor fraktcontainer med solcellepaneler på taket. Dette kan da plasseres hvor som helst i verden og generere ammoniakk på etterspørsel for den regionen.
Det er en svært spennende fordel med systemet vårt, og det vil gjøre det mulig for oss å produsere ammoniakk for underutviklede regioner med begrenset tilgang til Haber‑Bosch‑prosessen.»
Potensielt kan undersøkelser av andre alternativer som ikke krever dyrt palladium, som en bioreaktor som inneholder de riktige bakteriene, også være et alternativ for videre utvikling, men det kan være vanskelig å oppskalere til den mengden som trengs for at ammoniakk skal bli en global drivstoffkilde.
Investere i ammoniakk
Vi har allerede dekket noen få investeringsmuligheter i grønn ammoniakk i tidligere artikler, samt vitenskapen bak den, spesielt «The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks» og «Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia».
Imidlertid, med tanke på fremveksten av denne nye plasma‑baserte ammoniakkproduksjonsprosessen, kan en mer relevant aksje å investere i være en palladiumgruver, ettersom enhver oppskalering vil kreve en enorm mengde av katalysatoren som forskerne bruker.
Palladium ble i 2023 hovedsakelig produsert av Russland og Sør‑Africa, etterfulgt av Canada og Zimbabwe.
Kilde: Statista
Og selvfølgelig er direkte investering i palladium, i form av mynter eller metallstenger, også mulig fra selgere av edle metaller.
Kilde: US State Mint
Palladiumpriser har vært svært volatile de siste årene, med en massiv prisstigning som følge av krigen i Ukraina og viktigheten av Russlands forsyning i dette markedet. De har siden falt tilbake.
Kilde: Investing.com
1. Sibanye Stillwater Limited
Sibanye Stillwater (SBSW ) er med god margin det største palladium‑ og platina‑fokuserte selskapet, og er en leder i sin bransje. Det er også verdens største produsent av rhodium.
SBSW Prisdiagram
I tillegg til disse metallene er det også en produsent av andre platina‑gruppe‑metaller, som iridium og ruthenium. I stor grad skyldes dette at metallene i Platinum Metal Group (PGM) ofte finnes og utvinnes sammen i de samme malmene.
I september 2024 kunngjorde Sibanye Stillwater at de ville restrukturere sin Montana Stillwater‑gruve, og kutte gruvas produksjon med 45 % for å redusere kostnadene. Gruven, som inneholder mer palladium enn platina, har lidd under lave palladiumpriser.
Dette førte til en massiv nedskrivningskostnad på 435 millioner dollar, noe som fikk selskapet til å registrere et tap i første halvår 2024.
Dette vil også gjøre den til en verdifull inaktiv eiendel dersom palladium blir et viktig «energi‑metall» for masseproduksjon av ammoniakk med plasma.
Det er også verdt å merke seg at dagens priser knapt dekker produksjonskostnadene for de fleste platina‑rike regioner, noe som gjør det til et bunnnivå for industrien før gruvedriftens slutt.
Kilde: Sibanye Stillwater
Sibanye Stillwater diversifiserer for tiden fra en ren PGM‑gruve til å gå inn i gull‑ og batterimetallmarkedene, spesielt med et litiumutvinningsprosjekt i Finland.
Kilde: Sibanye Stillwater
Selskapet har også en tilstedeværelse i uranutvinning med Beisa‑uranprosjektet i Sør‑Africa. Det ble nylig solgt til Neo Energy i bytte for en 40 % eierandel i Neo Energy, samt royalty på all solgt uran, med betalinger begrenset til 5 dollar per pund, avhengig av spot‑uranprisen.
«Salget av Beatrix 4‑skakten og Beisa‑uranprosjektet er i tråd med Sibanye‑Stillwaters strategi om å frigjøre verdi fra våre uran‑eiendeler.» – Neal Froneman – administrerende direktør i Sibanye‑Stillwater
Alt i alt er Sibanye‑Stillwater verdens største internasjonale PGM‑gruveselskap, og deres aksjonærer vil ha stor nytte av at energisektoren går over til enten hydrogen eller ammoniakk som transportdrivstoff. Dette skyldes at nesten alle mulige teknologier i dette segmentet krever enten platina, palladium eller rhodium for hydrogen‑elektrolyse, ammoniakkproduksjon eller brenselceller, på grunn av den grunnleggende fysikken i katalyse‑hydrogenreaksjoner som trenger disse spesialmetallene.
Det utvider også innen lavkarbonenergi, fra litium til uran, og gjør det til ett av gruveselskapene som mest sannsynlig vil dra nytte av overgangen til en grønn økonomi drevet av fornybar energi og hydrogen/ammoniakk.
Studierreferanse:
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). Kontrollerer reaksjonsveiene til blandede NOxHy‑reaktanter i plasma‑elektrokjemisk ammoniakksyntese. Journal of the American Chemical Society, 146(51), 35305–35314. https://doi.org/10.1021/jacs.4c12858
