Ammoniakproduktion är enormt skadlig för miljön – Ingenjörer har just utvecklat en renare metod

Ammonia: Från förorening till grönt alternativ

Ammoniak har diskuterats som ett alternativ till fossila bränslen för applikationer som är svåra att elektrifiera, såsom sjöfart, lastbilstransporter eller långtidsenergilagring. Det har också föreslagits som ett mellansteg för säker transport av väte som sedan kan användas i bränsleceller.

Källa: Research Gate

Istället har forskare vid the University of Illinois, Texas Tech University, och General Ammonia Company optimerat en ny metod för att producera ammoniak som utnyttjar etanol med en laddad litiumelektrod.

Detta är inte deras första genombrott, med tidigare arbete på electrocatalytic screens (a mesh of copper) för ammoniakproduktion, samt “solar-to-fuel“ ammonia generators.

Lithium “Symphony” For Green Ammonia Production

Den nya ammoniakproduktionsmetoden fungerar genom att kombinera kvävgas och en väteavgivande vätska såsom etanol med en laddad litiumelektrod.

Denna “Lithium-mediated ammonia synthesis” (LiMAS) fungerar i 3 på varandra följande steg:

1. Först ett steg som kallas Li+‑elektrodeposition. Detta utförs med strömoscillationer för att säkerställa ett högkvalitativt fast elektrolytgränssnitt (SEI) & spänningsstabilitet.
2. För det andra fäster kväve‑molekylen sig vid litium i en process som kallas Li‑nitridation.
3. För det tredje tillsätter Li3N‑protolys väteatomerna till kvävet och skapar ammoniak (NH3)

Källa: ACS Publications

Forskarnas beskrivning av processen som en “symfoni” innebär att varje steg regleras så att processen förblir effektiv och materialet kan återcirkuleras för nästa kemiska reaktionsloop.

“Det finns två loopar som sker. Den ena är återvinning av vätekällan och den andra är återvinning av litium. Det finns en symfoni i denna reaktion, på grund av den cykliska processen.

Det vi gjorde var att förstå denna symfoni på ett bättre sätt och försöka modulera den på ett mycket effektivt sätt, så att vi kan skapa en resonans och få den att röra sig snabbare.” – Singh, docent i kemiteknik vid UIC.

Elektrodepositionssteget är den viktigaste innovationen i denna forskning, eftersom det avsevärt förbättrar NH3‑selektiviteten.

De fann också två andra faktorer som ökar produktiviteten i ammoniakgenereringen:

• Öka trycket på kvävgasen upp till 20 bar.
• Använda alkohol som vätekälla.
  • 1-butanol som vätedonator gav den högsta avkastningen
  • Vatten är en mycket mindre effektiv vätedonator, i motsats till vad den vetenskapliga gemenskapen hittills trodde.

Sammanlagt gör dessa insikter högtrycks‑LiMAS (“Lithium‑medierad ammoniaksyntes”) mer produktiv än både lågtrycks‑LiMAS och Haber‑Bosch‑reaktionen.

Källa: UIC Today

The Problems From Ammonia Production

Green Ammonia

Vi nämnde hur ammoniakproduktion sannolikt är ett avgörande steg för att avkarbonisera hela sektorn av ekonomin och skapa en väteekonomi. Vi diskuterade detta i vår artikel “Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia”.

Detta gäller särskilt om processen drivs av grön energi (inklusive användning av grönt väte), eftersom andra former av ammoniak är mindre miljövänliga.

Detta skiljer grön ammoniak från andra typer av ammoniak:

• Grå/brun ammoniak: produceras från fossila bränslen.
• Blå ammoniak produceras från fossila bränslen men med koldioxidinfångning.
• Rosa ammoniak (ibland även kallad gul ammoniak): produceras från kärnkraft.
• Turkos ammoniak: produceras genom pyrolys av metan. Detta bryter ner metan till väte och fast kol, som senare omvandlas till ammoniak. Det fasta kolet kan lagras eller användas för applikationer som kolfibrer.

Idag produceras mest ammoniak för applikationer som gödselproduktion och den kemiska industrin (färger, sprängämnen osv.). Det tillverkas främst med fossila bränslen, särskilt naturgas.

Som ett resultat rankas ammoniak som den näst största utsläpparen efter cement bland industriella processer när det gäller koldioxidutsläpp, och står för 1,5 % av de totala koldioxidutsläppen.

De höga temperaturerna som krävs av Haber‑Bosch‑processen bidrar inte heller till att minska energikostnaden för ammoniakproduktion, där energin ofta kommer från fossila bränslen, inklusive kol med höga koldioxidutsläpp.

Industrializing LiMAs

Även om litium inte är det billigaste materialet, är det inte extraordinärt dyrt och förbrukas inte av ammoniakgenereringen när högtrycks‑LiMAS används.

Så, kombinerat med den höga energieffektiviteten, är denna metod en lågkostnadskälla för ammoniak.

Forskare vid University of Illinois uppskattar att om den skaleras upp skulle den vara ekonomiskt hållbar

“processen skulle producera ammoniak till $456 per ton, vilket är 60 % billigare än tidigare litiumbaserade metoder och andra föreslagna gröna metoder”.

Singh, docent i kemiteknik vid UIC.

Detta skulle placera den produktionsmetoden i samma prisklass som andra gröna alternativ som fortfarande är under utveckling, som till exempel Fuel Positives containeriserade ammoniakgenereringssystem, med mål på CA$560 per ton, eller AmmPowers modulära ammoniaksystem med $360 per ton enbart för elkostnad (utan att räkna med underhåll och kapitalutgifter).

(Vi diskuterar dessa två företag och andra i vår artikel “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks”)

$456 per ton skulle också ligga i linje med de flesta av världens regionala priser för ammoniak, som för närvarande drivs av fossilbränslebaserad produktion.

Ammoniakpriserna är också utsatta för kraftiga svängningar när naturgaspriserna stiger, som 2022 i början av kriget i Ukraina.

Källa: BusinessAnalitIQ

Forskarna samarbetar redan med General Ammonia Co. för att pilotera och skala upp deras litiummedierade ammoniaksyntesprocess. En pilotanläggning kommer att byggas i Chicagos område och University of Illinois Office of Technology Management har lämnat in ett patent för processen.

Green Ammonia Companies

1. General Ammonia Company

Företaget som samarbetar med University of Illinois forskare är inte börsnoterat, men “söker aktivt investeringar”.

Auktoriserade investerare kan vara intresserade av att kontakta dem direkt och diskutera möjliga investeringsvillkor i företaget och dess högtrycks‑LiMAS‑pilotanläggning.

2. NitroVolt

NitroVolt är ett annat företag som vill skapa ammoniak med hjälp av LiMAS, med ett pågående patent för den litiummedierade ammoniaksyntesprocessen.

Källa: NitroVolt

Det danska företaget kombinerar LiMAS‑processen med sitt proprietära flödescellsystem, vilket möjliggör en kontinuerlig, hög effektivitet‑reaktion.

Företagets forskning har publicerats i prestigefyllda vetenskapliga publikationer, särskilt:

• Science:
  • Kontinuerlig flödeselektrosyntes av ammoniak genom kväve‑reduktion och väteoxidation
  • Förbättring av litiummedierad ammoniaksyntes genom tillsats av syre
• Nature: Ett rigoröst elektrokemiskt ammoniaksyntesprotokoll med kvantitativa isotopmätningar

Källa: NitroVolt

Företaget fick sin första investering den 6 mars 2024 från riskkapitalföretaget VC firm BackingMinds.

3. FuelPositive Corporation (NHHHF)

FuelPositive har skapat ett modulärt/containeriserat system för grön ammoniakgenerering. Dess första mål är jordbrukssektorn, vilket möjliggör lokal ammoniakproduktion med lokalt producerad energi. Systemet kan generera upp till 300 kg/dag, 100 ton per år av ammoniak för CA$950 000.

Källa: Fuel Positive

Detta gör det till ett system som passar gårdar upp till 1 800 acres. Med endast 1,5 acres mark täckt av solpaneler räcker det för att driva ammoniakgenereringen.

Källa: Fuel Positive

FuelPositive hävdar att deras system kan producera ammoniak för CA$560 per ton,

Start‑upen är i ett tidigt skede, med fullskalig produktion planerad till 2025, och 30 beställningar bekräftade hittills, med den första leveransen planerad till mars 2024.

FuelPositives största styrka är moduläriteten i deras teknik, vilket möjliggör ett mer distribuerat tillvägagångssätt och standardiserad massproduktion av deras ammoniakgenereringsmodul.

Företaget bygger ett partnerskap med Cipher Neutron, som kan producera väte utan någon metall från platina‑gruppen.

Ett liknande partnerskap för att använda/licensiera LiMAS‑metoden för ammoniakproduktion kan etableras, eftersom företagets styrka ligger i deras modulära design, mer än i en proprietär ammoniakgenereringsteknik.

Även om huvudfokus är gödselproduktion, kan ammoniaken användas för att driva jordbruksmaskiner med energi som produceras på plats, beroende på hur snabbt ammoniak‑/väte‑drivna jordbrukverktyg antas.

Den decentraliserade och modulära naturen hos FuelPositive‑system kan också göra dem till en nyckelkomponent i en framtida ammoniakekonomi. Gödselmarknaden kan fylla gapet för företaget att växa tills användningen av väte och ammoniak blir mer utbredd.

4. AmmPower Corp. (AMMPF)

AmmPower liknar FuelPositive genom att de erbjuder modulära ammoniakgenereringssystem, men i större skala, med sin basmodul som kan producera 4 ton/dag. Detta placerar företaget mer inom området för mycket stora gårdar (10 000+ acres) eller industriella verksamheter som textil, kylning, gruvdrift, läkemedel eller halvledare.

Källa: AmmPower

Företaget är i processen att bygga sin orderbok, med en kortsiktig bokningspotential uppskattad till $30M och försäljningsutsikter för 690 enheter från 52 länder.

Företaget uppskattar elkostnaden till omkring $360 per ton ammoniak.

Moduläriteten i systemet möjliggör en snabb leverans och leveranser, med mindre än ett år jämfört med 3–4 år för liknande projekt utan den modulära metoden.

Det arbetar också med teknik för att omvandla avfall till ammoniak, i ett joint venture med CTEC Energy Sales USA.

Här också kan andra partnerskap etableras för att integrera LiMAS‑ammoniakprocessen i den modulära designen.

För att främja ammoniaks framsteg mot en väte‑ammoniakekonomi, skapar den ett dedikerat dotterbolag för att klyva ammoniak till väte, som kommer att söka ytterligare finansiering separat.

Genom att nå den skala som kan passa de flesta industriella användningar, samt mycket stora gårdar, siktar AmmPower på kunder och företag med djupare tillgång till kapital än de flesta.

Kombinerat med ammoniak‑klyvningsteknik kan detta möjliggöra en snabb uppskalning i takt med politiska åtgärder som driver utvecklingen av väte som energibärare.