Plasma-Elektrokimikal na Reaktor na Inspirado ng Kidlat Maaaring Lutasin ang Ating Pangangailangan sa Ammonia nang Walang Carbon Footprint

Paghahanap ng Daan Patungo sa Ekonomiyang Ammonia

Habang umuunlad ang mga renewable na enerhiya, nagiging mas malinaw ang ilang limitasyon. Ang intermittency ng mga renewable ay nangangailangan ng imbakan ng enerhiya, na maaaring mga baterya, tulad ng aming tinalakay sa aming artikulo “Ang Hinaharap ng Imbakan ng Enerhiya—Utility-Scale Batteries Tech.”

Gayunpaman, ang ilang anyo ng konsumo ng enerhiya ay napaka-resistensya sa electrification. Halimbawa, ang malalayong pagpapadala sa dagat, o air freight.

Para sa mga aplikasyon na ito, mas mainam ang matatag na likidong fuel at marahil ang pinaka-malamang na opsyon para sa paglipad. Kaya upang palitan ang fossil fuels, isinasaalang-alang ang ammonia bilang solidong alternatibo. Ang ammonia ay isa ring mahalagang compound sa paggawa ng pataba at mga kemikal tulad ng mga pampasabog.

Sa kasalukuyan, ang ammonia ay responsable sa 1.8% ng pandaigdigang konsumo ng enerhiya at carbon emissions, at iyon pa bago natin subukang gamitin ito para sa transportasyon. Sa ngayon ito ay ginagawa sa pamamagitan ng pagsunog ng methane, na lumilikha ng tinatawag na gray ammonia. Mas magandang alternatibo ay tinatawag na green ammonia, na ginagawa mula sa renewable na enerhiya.

Ang problema ay sa ngayon, ang green ammonia ay mas mahal kaysa sa mga oil-based na fuel o gray ammonia. Sa malaking bahagi, ito ay dahil ang ammonia ay ginagawa gamit ang hydrogen, na mahal din gawin sa pamamagitan ng electrolysis.

Ang mga alternatibo tulad ng lithium-mediated catalysis ay maaaring posible at mas mura, ngunit marahil hindi pa sapat na mura.

Ngunit maaaring may alternatibo sa hydrogen, ayon sa mga mananaliksik mula sa Buffalo State University of New York at University of Auckland (New Zealand). Kamakailan nila inilathala ang kanilang mga natuklasan kung paano gumawa ng ammonia gamit ang plasma sa Journal of the American Chemical Society sa pamagat na “Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma-Electrochemical Ammonia Synthesis”.

Maraming Landas Patungo sa Produksyon ng Ammonia

Ang nitrogen (N₂) ay napakarami sa Earth, bumubuo ng 78% ng atmospera. Ngunit upang maging kapaki-pakinabang para sa mga halaman o bilang kemikal, kailangan natin ito sa anyong ammonia (NH₃) o nitrate (NO₃). Ang pagdaragdag ng mga hydrogen atom sa nitrogen atom ay isang napaka-enerhiya na proseso.

Isang paraan upang gawin ito ay sa pamamagitan ng mga espesyal na bakterya, na tinatawag na nitrogen-fixing bacteria. Ito ay isa sa pinakamalaking pinagkukunan ng natural na nitrogen (100–300 Teragrams ng nitrogen bawat taon sa buong mundo), ngunit karaniwang hindi sapat para sa matinding agrikultura.

Tulad ng nabanggit, isa pang paraan ay ang paggamit ng hydrogen (H₂), ngunit ang paggawa ng green hydrogen ay mahal.

Mayroon, gayunpaman, ikatlong paraan upang gumawa ng ammonia, na nangyayari paminsan-minsan sa kalikasan. Kapag tumama ang kidlat, ang lakas ng kuryente ay nagbubuwag sa N₂, na lumilikha ng ilang anyo ng nitrogen oxides.

Pinagmulan: Britannica

Sa kalikasan, ang mga nitrogen oxides na ito ay pagkatapos binabago ng bakterya tungo sa ammonia. Ito ay isang maliit na bahagi lamang ng natural na produksyon ng ammonia, nasa saklaw ng 3-10 teragrams. Ito ay isang bagay na maaaring ulitin nang artipisyal, na inaalis ang pangangailangan para sa hydrogen nang lubusan.

Plasma na Ginawa ng Tao na Pinapalitan ang Kidlat

Inilagay ng mga mananaliksik ang hangin sa isang plasma reactor, isang lalagyan na may electrode at glass tube. Ang mga plasma discharge ay ginagaya ang epekto ng kidlat, na lumilikha ng komplikadong halo ng nitrogen oxides sa reaction chamber.

Pinagmulan: ACS Publication

Ang mga halo ng gas na ito ay pagkatapos ipinapadala sa isang catalytic reactor na naglalaman ng copper-palladium alloy na hugis foam. Ang catalyst na ito ay responsable sa unang pagsipsip ng nitrogen oxides mula sa natitirang hangin at pagkatapos ay pinapalitan ang bakterya na, sa kalikasan, ay magko-convert ng mga oxide tungo sa ammonia.

Pagsasaayos ng Katalisis

Ang ikalawang hakbang ng pag-convert ng nitrogen oxides tungo sa ammonia ay halos hindi simple.

“Kapag ang plasma energy o isang kidlat ay nag-aktiba ng nitrogen, lumilikha ka ng sabaw ng mga compound ng nitrogen oxide. Ang sabay-sabay na pag-convert, sa aming kaso, ng hanggang walong iba’t ibang kemikal na compound tungo sa ammonia ay napakahirap.”
Xiaoli Ge – Postdoctoral researcher sa University at Buffalo

Ibig sabihin, hindi lamang 8 na kemikal na reaksyon ang kailangan upang gawing ammonia ang mga oxide, kundi marami pang intermediate na hakbang, na bawat isa ay maaaring magdulot ng bottleneck at magpababa ng kabuuang kahusayan ng sistema.

Ito rin ay problema dahil ang nitrogen oxides ay medyo nakakalason, at anumang malaking produksyon ng ammonia gamit ang pamamaraang ito ay kailangang magkaroon ng kaunting residual na nitrogen oxides hangga’t maaari.

So, the researchers had to create a series of bimetallic catalysts that were then fine-tuned to target “the optimal adsorption and conversion of the limiting intermediate in the NOx-to-NH3 pathway”.

Gumamit sila ng isang matematikal na proseso na tinatawag na graph theory upang ilarawan ang lahat ng iba’t ibang reaction paths. Sa ganitong paraan, maaari nilang matukoy mula sa simula kung saan ang mga bottleneck at kung paano mapabuti ang kahusayan ng conversion.

Sa paggawa nito, natuklasan nila na karamihan ng mga nitrogen oxide compound ay kailangang dumaan sa nitric oxide o amine bilang intermediate step bago maging ammonia. Kaya, gumawa sila ng catalyst na paborableng kumakapit sa dalawang compound na iyon.

Pagpapalawak

Ang pinal na disenyo ay nakamit ang rate ng produksyon ng ammonia na 81.2 mg/h/cm². Ang plasma chamber at copper-palladium catalyst ay matatag matapos ang higit sa 1,000 oras ng pagpapatakbo sa applied current na 2 amperes.

Ang research team ay kasalukuyang iniimbestigahan ang susunod na hakbang para sa pagpapalawak ng kanilang experimental reactor, isinasaalang-alang ang parehong startup at pag-license ng teknolohiya sa mga industriyal na kasosyo. Ang Buffalo University ay nagsumite rin ng patent application para sa reactor.

• Ganap na pinapagana ng kuryente para sa plasma generation, maaari itong patakbuhin ng 100% green energy.
• Maaari itong ilagay sa isang medium-sized na lalagyan at ikonekta sa mga solar panel, nang hindi kailangan ang napakalaking sukat ng kasalukuyang mga planta ng ammonia.
• Ang karagdagang pag-unlad sa agham ng catalyst ay maaaring makatulong na pababain ang gastos ng sistema, pati na rin ang patuloy na pagbaba ng gastos ng green energy, lalo na ang solar.

“Maaari ninyong isipin ang aming mga reactor na nasa isang medium-sized na shipping container na may solar panels sa bubong. Ito ay maaaring ilagay kahit saan sa mundo at mag-generate ng ammonia on demand para sa nasabing rehiyon.

Iyon ay isang napaka-exciting na bentahe ng aming sistema, at magpapahintulot ito sa amin na gumawa ng ammonia para sa mga underdeveloped na rehiyon na may limitadong access sa Haber-Bosch process.

Chris Li – Assistant professor ng chemistry

Posibleng, ang pagsisiyasat sa iba pang opsyon na hindi nangangailangan ng mamahaling palladium, tulad ng isang bioreactor na naglalaman ng tamang bakterya, ay maaaring maging opsyon para sa karagdagang pag-unlad, ngunit maaaring mahirap i-scale up sa dami na kailangan para ang ammonia ay maging pandaigdigang pinagkukunan ng fuel.

Pamumuhunan sa Ammonia

Naipaliwanag na namin ang ilang posibilidad ng pamumuhunan sa green ammonia sa mga nakaraang artikulo, pati na rin ang agham sa likod nito, partikular ang “Ang Ibang Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks” at “Pag-decarbonize ng Global Shipping Lanes sa Pamamagitan ng Green Ammonia”.

Gayunpaman, kaugnay ng pag-usbong ng bagong plasma-based na proseso ng produksyon ng ammonia, ang mas kaugnay na stock na maaaring pag-investan ay isang palladium miner, dahil anumang scale-up na produksyon ay mangangailangan ng napakalaking dami ng catalyst na ginamit ng mga mananaliksik.

Ang palladium ay karamihan ay ginawa noong 2023 ng Russia at South Africa, sinundan ng Canada at Zimbabwe.

Pinagmulan: Statista

At, siyempre, ang direktang pamumuhunan sa palladium, sa anyo ng mga barya o metal bars, ay posible rin mula sa mga nagbebenta ng precious metal bullion.

Pinagmulan: US State Mint

Ang mga presyo ng palladium ay naging napaka-volatile sa mga nakaraang taon, na may malaking pagtaas ng presyo bilang resulta ng digmaan sa Ukraine at ang kahalagahan ng suplay ng Russia sa pamilihang ito. Mula noon, bumaba na muli ang mga ito.

Pinagmulan: Investing.com

1. Sibanye Stillwater Limited

Sa kasalukuyan, ang pinakamalaking kumpanyang nakatuon sa palladium at platinum, ang Sibanye Stillwater (SBSW ), ay nangunguna sa industriya nito. Ito rin ang pinakamalaking producer ng rhodium sa buong mundo.

Bukod sa mga metal na ito, ito rin ay producer ng iba pang platinum group metals, tulad ng iridium at ruthenium. Sa malaking bahagi, ito ay dahil ang mga metal ng Platinum Metal Group (PGM) ay kadalasang natatagpuan at minina nang magkasama sa parehong ore.

Stillwater

Noong Setyembre 2024, inanunsyo ng Sibanye Stillwater na ire-restructure nila ang kanilang Montana Stillwater mine, babawasan ang output ng minahan ng 45% upang bawasan ang gastos. Ang minahan, na naglalaman ng mas maraming palladium kaysa platinum, ay nagdusa dahil sa mababang presyo ng palladium.

Ito ay nagdulot ng napakalaking $435M impairment charge, na nagresulta sa pagrehistro ng kumpanya ng pagkawala sa H1 2024.

Ito rin ay magpapaganda sa pagiging isang mahalagang dormant asset sakaling ang palladium ay maging isang mahalagang “energy metal” para sa mass production ng ammonia gamit ang plasma.

Mahalagang tandaan na ang kasalukuyang mga presyo ay halos hindi sapat upang takpan ang gastos sa produksyon para sa karamihan ng mga rehiyon na mayaman sa platinum, na nagiging isang bottom plateau para sa industriya bago magsara ang minahan.

Pinagmulan: Sibanye Stillwater

Ang Sibanye Stillwater ay kasalukuyang nagdidiversify mula sa pagiging purong PGM miner upang pumasok sa mga merkado ng ginto at battery metals, partikular para sa isang lithium mining project sa Finland.

Pinagmulan: Sibanye Stillwater

Ang kumpanya ay mayroon ding presensya sa pagmimina ng uranium sa pamamagitan ng Beisa uranium project sa South Africa. Kamakailan itong ibinenta sa Neo Energy kapalit ng 40% equity stake sa Neo Energy, pati na rin ng royalties sa lahat ng uranium na nabenta, na may limitasyon na $5 kada libra, depende sa spot uranium price.

“Ang pagbebenta ng Beatrix 4 shaft at ang Beisa uranium project ay alinsunod sa estratehiya ng Sibanye-Stillwater na i-unlock ang halaga mula sa aming mga uranium assets.”
Neal Froneman – Sibanye-Stillwater chief executive

Sa pangkalahatan, ang Sibanye-Stillwater ay ang pinakamalaking internasyonal na kumpanya ng pagmimina ng PGM sa mundo, at ang mga shareholders nito ay makikinabang nang malaki mula sa paglipat ng ilang bahagi ng sektor ng enerhiya patungo sa hydrogen o ammonia bilang fuel para sa transportasyon. Ito ay dahil halos lahat ng posibleng teknolohiya sa segmentong ito ay nangangailangan ng platinum, palladium, o rhodium para sa hydrogen electrolysis, produksyon ng ammonia, o fuel cells, dahil sa pundamental na pisika ng katalisis na nangangailangan ng mga espesyal na metal na ito.

Lumalawak din ito sa low-carbon energy, mula sa lithium hanggang uranium, na ginagawa itong isa sa mga kumpanya ng pagmimina na pinaka-malamang na makinabang mula sa paglipat patungo sa isang green economy na pinapagana ng renewables at hydrogen/ammonia.

Pag-aaral na Sanggunian:

^{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}