Lynlignende plasma for å gjøre grønn ammoniakk rimelig

Veien til en grønn ammoniakkøkonomi

Ammoniakk, eller NH₃, har blitt ansett som en svært lovende kandidat for å erstatte flytende drivstoff laget av olje og andre fossile brensler. Dette skyldes at den produseres ved hjelp av en ekstremt riklig ressurs, atmosfærisk nitrogen (N₂), og ikke nødvendigvis trenger olje eller metan for produksjonen.

Siden ammoniakk er et viktig gjødsel, er produksjonen nå en enorm del av kjemisk industri, og gjør den til det nest mest produserte kjemikaliet i verden.

Ammoniakk produseres i dag for det meste gjennom Haber‑Bosch‑prosessen, som kombinerer nitrogen med hydrogen for å lage ammoniakk, ved høyt trykk og høye temperaturer, noe som gjør den iboende energikrevende.

Kilde: Angewandte Chemie

Imidlertid påvirker kilden til dette hydrogenet hvor forurensende ammoniakkproduksjonen kan være. I dag hentes mesteparten av hydrogenet til ammoniakkproduksjon fra fossile brensler, som gjør at ammoniakk står for 1,3 % av de globale karbonutslippene.

Ideelt sett ville en ammoniakkøkonomi basere seg på såkalt grønn ammoniakk generert fra fornybar energi. Dette skiller den fra andre typer ammoniakk:

• Grey/brown ammonia: produsert fra fossile brensler.
• Blue ammonia: produsert fra fossile brensler men med karbonfangst.
• Pink ammonia (sometimes also called yellow ammonia): produsert fra kjernekraft.
• Turquoise ammonia: produsert fra pyrolyse av metan. Dette bryter ned metan til hydrogen og fast karbon, hvor hydrogenen senere konverteres til ammoniakk. Det faste karbonet kan lagres eller brukes i applikasjoner som karbonfiber.

Så lenge ammoniakk ikke hovedsakelig er grønn ammoniakk, er det ganske meningsløst å bruke den til å erstatte fossilt drivstoff i transport og industri, da det bare endrer punktet hvor fossile brensler forbrukes.

“Etterspørselen etter ammoniakk i industrien vokser bare. I det siste tiåret ønsker det globale vitenskapelige fellesskapet, inkludert vårt laboratorium, å finne en mer bærekraftig måte å produsere ammoniakk på som ikke er avhengig av fossile brensler.

Pr. PJ Cullen – Professor ved University of Sydney og Net Zero Institute

Dette er grunnen til at nye oppdagelser som fullstendig endrer hvordan ammoniakk produseres, bort fra den århundregamle Haber‑Bosch‑prosessen, kan bli en spillveksler.

En slik innovasjon kan nettopp ha blitt gjort av forskere ved University of Sydney (Australia) og Zhejiang University (China), som bruker plasma til å produsere nitrogen fra luft. De publiserte resultatene i Angewandte Chemie¹ under tittelen “Regulating Multifunctional Oxygen Vacancies for Plasma-Driven Air-to-Ammonia Conversion”.

Hvorfor ammoniakk?

Hvis ammoniakk i hovedsak er omdannet hydrogen, hvorfor ikke bruke hydrogen direkte?

Forskjellen med hydrogen er at ammoniakk er et mye større molekyl enn H₂ og mye mer stabilt. Dette gjør transport og lagring mye enklere. Ammoniakk er også nesten 50 % mer energitetthetsrik enn flytende hydrogen.

Kilde: Kleinman Center For Energy Policy

Denne energitettheten og enklere lagring gjør ammoniakk til en fremragende kandidat for bruk i transport, spesielt energikrevende langdistansereiser som skipsfart, noe vi diskuterte i detalj i «Decarbonizing Global Shipping Lanes Through Green Ammonia».

Det ville også gjøre ammoniakk til en god kandidat for lagring over år eller måneder, et langvarig problem for balansering av energinett som er avhengige av grønn energi, med for eksempel overskudd av solenergi om sommeren eller i perioder med sterk vind som brukes til å produsere overskudd av ammoniakk som kan forbrukes om vinteren eller i perioder med lite vind.

Problemer med ammoniakkproduksjon

Så lenge ammoniakkproduksjon er avhengig av Haber‑Bosch, kan overgangen til et grønnere drivstoff ta tid.

Hovedårsaken er at produksjon av grønt hydrogen er kompleks og kostbar, ofte krever sjeldne metaller som platina, selv om dette sannsynligvis vil endre seg takket være fremskritt innen nanoteknologi, som å bruke nanorør av nikkel i stedet.

Den andre grunnen er at produksjon av ammoniakk med hydrogen innebærer en flertrinnsprosess, hvor hvert trinn krever kapitalinvestering og reduserer den totale energiytelsen i hele produksjonsprosessen:

• Grønn energi må først produseres med sol-, vind- eller vannkraftteknologier.
• Den elektrisiteten transporteres deretter til en elektrolytt som produserer hydrogen.
• Hydrogenet brukes deretter til ammoniakkproduksjon.

Siden grønn energi generelt er mer intermitterende og desentralisert, skaper dette ekstra kostnader for å kreve sentralisert hydrogen- og ammoniakkproduksjon.

“For øyeblikket krever produksjon av ammoniakk sentralisert produksjon og langdistansetransport av produktet. Vi trenger en lavkost, desentralisert og skalerbar ‘grønn ammoniakk’”

Pr. PJ Cullen – Professor ved University of Sydney og Net Zero Institute

Hvordan ikke‑termisk plasma kan revolusjonere grønn ammoniakk

Hva er ikke‑termisk plasma?

Andre metoder enn Haber‑Bosch finnes for å produsere ammoniakk. Den generelle ideen er å bruke elektrisitet til å oksidere nitrogen, og deretter tilføre hydrogenatomer (nitrogenreduksjonsreaksjon – eNRR).

Imidlertid er disse metodene begrenset av nitrogenets lave løselighet, og uønskede andre reaksjoner i vannholdige løsninger. Derfor vurderes ikke‑termisk plasma (NTP) i stedet, da NTP er bedre egnet for oksidasjonsreaksjoner enn kjemisk reduksjon.

Kilde: Angewandte Chemie

Det resulterende nitraten (NO₃⁻) og nitritet (NO₂⁻) har en løselighet i vann som er nesten 40 000 ganger den for N₂.

Disse metodene er lovende, men krever at nitrogen og oksygen trekkes ut fra luft og renses, noe som øker kostnadene.

Dette er grunnen til at tilnærminger hvor luft aktiveres direkte for å produsere NOx og de resulterende NOx‑intermediære reduseres til NH₄⁺ via elektrokjemisk konvertering er attraktive.

Kobber‑jern katalysator

Forskerne brukte et nanogitter av kobber (P-Cu), hvor en oksygenplasma-atmosfære ble brukt til å skape defekter (CuₓO/Cu) og svært reaktive arter som O⁻‑ioner, O‑atomer og O₃‑molekyler (ozon). Disse reaktive oksygenartene interagerer med Cu, noe som fører til overflateoksidasjon.

Deretter skapte tilsetning av jernatomer stabile Fe–O–Cu‑brobindinger på overflaten.

Kilde: Angewandte Chemie

Ved hjelp av energidispersiv røntgen‑energianalyse (EDS) kunne forskerne studere de svært komplekse krystallstrukturene som dannes i denne prosessen. De svært små stavene og de komplekse strukturene økte materialets overflate, noe som gjorde det til en bedre katalysator.

Kilde: Angewandte Chemie

Elektrokatalyse av ammoniakk

Fe₂O₃ NPs/Cu ble brukt som katode for produksjon av ammoniakk fra nitrogen og vann, og kontrollerte direkte både oksidasjonen av nitrogen og elektrolysen av vann til hydrogen.

Tester viste at innføringen av Fe₂O₃ på kobber effektivt forbedrer den elektrokatalytiske aktiviteten.

Kilde: Angewandte Chemie

De analyserte i detalj hvordan ammoniakkproduksjonen fungerer, og bekreftet at det faktisk er en kompleks, lagdelt kjemisk reaksjon som skjer svært raskt, med NO₂ som omdannes til NH₃.

Kilde: Angewandte Chemie

Enda viktigere hadde reaksjonen en nesten 100 % faradisk effektivitet ved 300 mA, noe som betyr at mesteparten av den brukte elektrisiteten omdannes til kjemisk energi, noe som gjør den en størrelsesorden mer effektiv enn de flere trinnene i klassisk vann‑elektrolyse (for hydrogenproduksjon) og deretter nitrogen‑til‑ammoniakk‑konversjon.

“Denne nye tilnærmingen er en to‑trinnsprosess, nemlig kombinasjon av plasma og elektrolyse. Vi har allerede gjort plasma‑komponenten levedyktig med hensyn til energieffektivitet og skalerbarhet.”

Pr. PJ Cullen – Professor ved University of Sydney og Net Zero Institute

Veien videre

Alt i alt viser denne metoden at det finnes andre veier til ammoniakkproduksjon som kan omgå Haber‑Bosch‑prosessen fullstendig, og behovet for å produsere grønt hydrogen separat i første omgang.

Dette representerer også en forbedring sammenlignet med en tidligere versjon av denne teknologien, som måtte bruke en kobber‑palladium‑katalysator i stedet for jern, med palladium som et dyrt metall.

Denne studien fokuserte hovedsakelig på utviklingen av en effektiv katalysator for oksidasjon av nitrogen direkte fra ufiltrert og raffinert luft.

For å gjøre den økonomisk levedyktig, må elektrolyttkomponenten som produserer hydrogen fortsatt forbedres. Heldigvis gjøres fremskritt innen hydrogenproduksjon ved bruk av tidligere ikke‑brukte katalysatorer eller til og med selv‑optimaliserende katalysatorer.”

Så sannsynligvis, på mellomlang sikt, vil vi se kombinasjonen av ulike teknologier i en kommersiell ammoniakkproduksjonsmaskin, som direkte nitrogenoksidasjon med plasma ved bruk av kobber og jern, og vann‑elektrolyse ved bruk av like billige metaller.

Disse enhetene kan installeres direkte på steder for produksjon av grønn energi, og den resulterende ammoniakkproduksjonen kan lagres i en relativt billig tank (sammenlignet med hydrogen), for å transporteres videre via rørledning, lastebiler eller tankskip.

Det vil sannsynligvis være selskaper som kan integrere grønn energiproduksjon, ammoniakkproduksjon og transport av ammoniakk vertikalt, som vil ha mest nytte av slike design.

Ammoniakk-selskap

Aker Horizons ASA (AKH.OL)

Aker Horizon er et datterselskap av Aker‑gruppen med fokus på grønn energi. Gruppen er et stort norsk konglomerat med fokus på fornybar energi og marine/offshore‑virksomheter.

Kilde: Aker

Aker Horizon er holdingselskapet for flere datterselskaper, inkludert grønt hydrogen, land‑ og offshore‑vindparker, og solparker. Dette inkluderer Mainstream Renewable Power, et kraftselskap med 20,4 GW fornybar energi under utvikling i Sør‑Afrika (12,3 GW) og andre land (Asia, Sør‑America, Europa).

Selskapet er spesielt svært aktivt innen hydrogen‑ og grønn ammoniakk‑generering, med mål om å avkarbonisere arktisk skipsfart, samt interesse fra datasentre.

Kilde: Aker

Aker er ikke kun et grønt ammoniakk‑selskap, men kan håndtere hele den vertikale integrasjonen av grønn ammoniakk, fra offshore‑vindmøller til hydrogenproduksjon (for nå) til grønn ammoniakkproduksjon. De jobber også med prosjekter som avfall‑til‑energi i Frankrike, et biomasseanlegg i Tyskland, og karbonfangst i Midtøsten (Saudi‑Arabia og De forente arabiske emirater).

I mai 2025 har Aker sett på en restrukturering på grunn av lave priser i den grønne energisektoren, og ser i hovedsak på å fullt ut gjenvinne sine karbonfangst‑operasjoner, samt reintegrere AKH Holding (Mainstream Renewable Power og Narvik‑prosjektene for grønn ammoniakk) i Aker Horizon etter en separat notering av noen av aksjene.

Kilde: Aker

Dette gjør det til en god aksje for investorer som søker langsiktig eksponering mot den brede grønne energisektoren, med en sterk posisjon innen grønn ammoniakk, men også andre grønne energier, samt en viss geografisk diversifisering bort fra nordamerikanske aksjer.

Studie referert

^{1. Wanping Xu, Jiaqian Wang, Tianqi Zhang, Jungmi Hong, Qiang Song, Zhongkang Han, Patrick Cullen. (2025) Regulating Multifunctional Oxygen Vacancies for Plasma-Driven Air-to-Ammonia Conversion. Angewandte Chemie. 22 april 2025 https&#58//doi.org/10.1002/anie.202508240}