Hållbarhet
Blixtinspirerad plasma‑elektrokemisk reaktor kan lösa vårt ammoniakbehov med noll koldioxidavtryck
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
Att hitta vägen till en ammoniakekonomi
När förnybar energi utvecklas blir vissa begränsningar tydligare. Förnybara energiers intermittens kräver energilagring, vilket kan vara batterier, som vi utforskade i vår artikel “The Future Of Energy Storage—Utility-Scale Batteries Tech.”
Dock är vissa former av energiförbrukning mycket motståndskraftiga mot elektrifiering. Till exempel långdistans sjöfrakt eller luftfrakt.
För dessa tillämpningar är tät flytande bränsle att föredra och sannolikt det mest sannolika alternativet för flygresor. Därför har ammoniak övervägts som ett fast alternativ för att ersätta fossila bränslen. Ammoniak är också en nyckelförening i produktionen av gödningsmedel och kemikalier som sprängämnen.
För närvarande står ammoniak för 1,8 % av den globala energiförbrukningen och koldioxidutsläppen, och det är innan vi försöker använda den för transport. Den produceras idag genom förbränning av metan, vilket skapar så kallad grå ammoniak. Ett bättre alternativ skulle vara så kallad grön ammoniak, producerad från förnybar energi.
Problemet är att grön ammoniak för närvarande är mycket dyrare än oljebaserade bränslen eller grå ammoniak. Till stor del beror detta på att ammoniak produceras med hjälp av väte, vilket i sig är dyrt att framställa genom elektrolys.
Alternativ som litiummedierad katalys kan vara möjliga och billigare, men kanske fortfarande inte tillräckligt billiga.
Men det kan finnas ett alternativ till väte, åtminstone enligt forskare vid Buffalo State University of New York och University of Auckland (Nya Zeeland). De publicerade nyligen sina fynd om hur man producerar ammoniak med plasma i Journal of the American Chemical Society under titeln “Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma-Electrochemical Ammonia Synthesis1”.
De många vägarna till ammoniakproduktion
Nitrogen (N2) is very abundant on Earth, making up 78% of the atmosphere. But to be useful for plants or as a chemical, we need it in the form of ammonia (NH3) or nitrate (NO3). Adding these hydrogen atoms to the nitrogen atom is a very energy-intensive process.
Ett sätt att göra det är genom speciella bakterier, kallade kvävefixerande bakterier. Detta är en av de största källorna till naturligt kväve (100–300 teragram kväve per år globalt), men är generellt otillräckligt för intensiv jordbruk.
Som nämnts är ett annat att använda väte (H2), men produktion av grönt väte är dyrt.
Det finns dock ett tredje sätt att producera ammoniak, som ibland sker i naturen. När blixten slår ner bryter den intensiva elektriska strömmen sönder N2, och skapar flera former av kväveoxider.
Källa: Britannica
I naturen omvandlas dessa kväveoxider sedan till ammoniak av bakterier. Detta utgör bara en liten del av den naturliga ammoniakproduktionen, i intervallet 3–10 teragram. Detta är något som kan reproduceras artificiellt, vilket helt eliminerar behovet av väte.
Mänskligt framställd plasma ersätter blixten
Forskarna injicerade luft i en plasmareaktor, en behållare med en elektrod och ett glastub. Plasmablåslagen efterliknar blixtens effekt och skapar en komplex blandning av kväveoxider i reaktionskammaren.
Källa: ACS Publication
Dessa blandade gaser skickas sedan till en katalytisk reaktor som innehåller en koppar‑palladiumlegering strukturerad som ett skum. Denna katalysator ansvarar för att först absorbera kväveoxiderna från den återstående luften och sedan ersätta de bakterier som i naturen skulle ha omvandlat oxiderna till ammoniak.
Finjustering av katalysen
Det andra steget att omvandla kväveoxider till ammoniak är allt annat än enkelt.
“When plasma energy or a lightning strike activates nitrogen, you generate a soup of nitrogen oxide compounds. To simultaneously convert, in our case, up to eight different chemical compounds into ammonia is incredibly difficult.”
Xiaoli Ge – Postdoctoral researcher at the University at Buffalo
Det betyder att det inte bara är 8 kemiska reaktioner som behövs för att omvandla oxider till ammoniak, utan faktiskt många fler mellansteg, var och en kan skapa en flaskhals och minska systemets totala effektivitet.
Det är också ett problem eftersom kväveoxider är något förorenande, och varje stor ammoniakproduktion med denna metod måste ha så lite kvarvarande kväveoxider som möjligt.
Så forskarna var tvungna att skapa en serie bimetalliska katalysatorer som sedan finjusterades för att rikta in sig på “den optimala adsorptionen och omvandlingen av den begränsande mellansteg i NOx‑till‑NH3‑vägen”.
De använde en matematisk process kallad graffteori för att kartlägga alla olika reaktionsvägar. På så sätt kunde de redan från början identifiera var flaskhalsarna fanns och hur man förbättrade omvandlingseffektiviteten.
Genom detta upptäckte de att de flesta kväveoxidföreningar måste gå igenom kväveoxid eller amin som ett mellansteg innan de blir ammoniak. Så de skapade en katalysator som binder fördelaktigt med dessa två föreningar.
Skalning
Den färdiga designen uppnådde en ammoniakproduktionshastighet på 81,2 mg/h/cm². Plasmachambret och koppar‑palladiumkatalysatorn var stabila efter mer än 1 000 timmars drift vid en applicerad ström på 2 ampere.
Forskarteamet undersöker nu nästa steg för att skala upp deras experimentella reaktor, med både en startup och licensiering av tekniken till industriella partners. Buffalo University har också lämnat in en patentansökan för reaktorn.
Till skillnad från den nuvarande fossila bränslebaserade produktionen skulle denna plasmabaserade ammoniakproduktion erbjuda några viktiga fördelar:
- Den drivs helt av elektricitet för plasmagenerering och kan därför drivas av 100 % grön energi.
- Den kan integreras i en medelstor container och anslutas till solpaneler, utan att kräva den massiva skala som nuvarande ammoniakverk kräver.
- Ytterligare framsteg inom katalysforskning kan hjälpa till att förbättra systemets kostnader, liksom de ständigt minskande kostnaderna för grön energi, särskilt solenergi.
“Man kan föreställa sig våra reaktorer i något som en medelstor fraktcontainer med solpaneler på taket. Detta kan sedan placeras var som helst i världen och producera ammoniak på begäran för den regionen.
Det är en mycket spännande fördel med vårt system, och det kommer att möjliggöra produktion av ammoniak för underutvecklade regioner med begränsad tillgång till Haber‑Bosch‑processen.
Möjligen kan undersökning av andra alternativ som inte kräver dyrt palladium, såsom en bioreaktor med rätt bakterier, också vara ett alternativ för vidare utveckling, men det kan vara svårt att skala upp till den volym som krävs för att ammoniak ska bli en global bränslekälla.
Investera i ammoniak
Vi har redan behandlat några investeringsmöjligheter för grön ammoniak i tidigare artiklar, samt vetenskapen bakom den, särskilt “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks” och “Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia”.
När det gäller framväxten av denna nya plasmabaserade ammoniakproduktionsprocess kan en mer relevant aktie att investera i vara en palladiumgruva, eftersom varje storskalig produktion skulle behöva en enorm mängd av den katalysator som forskarna använder.
Palladium producerades främst 2023 av Ryssland och Sydafrika, följt av Kanada och Zimbabwe.
Källa: Statista
Och naturligtvis är direktinvestering i palladium, i form av mynt eller metallstänger, också möjlig via säljare av ädelmetallbullion.
Källa: US State Mint
Palladiumpriserna har varit mycket volatila de senaste åren, med en enorm prisökning som en följd av Ukrainakriget och Rysslands betydelse på marknaden. De har sedan dess fallit tillbaka.
Källa: Investing.com
1. Sibanye Stillwater Limited
Företaget Sibanye Stillwater (SBSW ) är med hela vägen den största palladium‑ och platinafokuserade företaget och en ledare i sin bransch. Det är också världens största producent av rodium.
SBSW Prisdiagram
Förutom dessa metaller producerar företaget även andra platina‑gruppmetaller, såsom iridium och ruthenium. Till stor del beror detta på att metallerna i Platinum Metal Group (PGM) ofta finns och bryts tillsammans i samma malmer.
I september 2024 meddelade Sibanye Stillwater att de skulle omstrukturera sin Montana Stillwater-gruva, vilket minskar gruvans produktion med 45 % för att reducera kostnaderna. Gruvan, som innehåller mer palladium än platina, har drabbats av låga palladiumpriser.
Det ledde till en enorm nedskrivningskostnad på 435 miljoner dollar, vilket fick företaget att redovisa en förlust under första halvåret 2024.
Detta skulle också göra den till en värdefull vilande tillgång om palladium blir en viktig ”energimetall” för massproduktion av ammoniak med plasma.
Det är också värt att notera att de nuvarande priserna knappt täcker produktionskostnaderna för de flesta platina‑rika regioner, vilket gör det till en bottennivå för industrin innan gruvstängning.
Källa: Sibanye Stillwater
Sibanye Stillwater diversifierar för närvarande från en ren PGM-gruva för att gå in på guld- och batterimetallmarknaderna, särskilt med ett litiumgruvprojekt i Finland.
Källa: Sibanye Stillwater
Företaget har också en närvaro inom uranbrytning med Beisa-uranprojektet i Sydafrika. Det sålde nyligen det till Neo Energy i utbyte mot en 40 % ägarandel i Neo Energy, samt royalties på all såld uran, med betalningar begränsade till 5 dollar per pund, beroende på spotpriset för uran.
“Försäljningen av Beatrix 4‑schaktet och Beisa‑uranprojektet är i linje med Sibanye‑Stillwaters strategi att frigöra värde från våra uranresurser.”
Neal Froneman – Sibanye‑Stillwater VD
Sammanfattningsvis är Sibanye‑Stillwater världens största internationella PGM-gruvföretag, och dess aktieägare skulle dra stor nytta av att energisektorn vänder sig mot antingen väte eller ammoniak som transportbränsle. Detta beror på att nästan alla möjliga teknologier i detta segment kräver antingen platina, palladium eller rodium för väteelektrolys, ammoniakproduktion eller bränsleceller, på grund av den grundläggande fysiken i katalys av väte‑reaktioner som kräver dessa speciella metaller.
Det expanderar också inom lågenergi, från litium till uran, vilket gör det till ett av de gruvföretag som mest sannolikt kommer att gynnas av övergången till en grön ekonomi driven av förnybar energi och väte/ammoniak.
Studierreferens:
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). Controlling the reaction pathways of mixed NOxHy reactants in plasma-electrochemical ammonia synthesis. Journal of the American Chemical Society, 146(51), 35305–35314. https://doi.org/10.1021/jacs.4c12858
