Plasma na Katulad ng Kidlat para Gawing Abot-Kayang Berde na Ammonia

Ang Landas Patungo sa Isang Berde na Ekonomiya ng Ammonia

Ammonia, o NH₃, ay itinuturing na isang napakagandang potensyal na kandidato upang palitan ang likidong panggatong na gawa mula sa langis at iba pang fossil fuel. Ito ay dahil ito ay ginagawa gamit ang napakalawak na mapagkukunan, ang nitrogen sa atmospera (N₂), at hindi kinakailangang gumamit ng langis o metano para sa produksyon nito.

Dahil ang ammonia ay isang mahalagang pataba, ang produksyon nito ay kasalukuyang isang napakalaking bahagi ng industriya ng kemikal, na ginagawa itong pangalawang pinaka-maraming nalilikha na kemikal sa mundo.

Sa kasalukuyan, karamihan ng ammonia ay ginagawa sa pamamagitan ng prosesong Haber-Bosch, na pinagsasama ang nitrogen at hydrogen upang makabuo ng ammonia, gamit ang mataas na presyon at mataas na temperatura, kaya ito ay likas na matindi ang konsumo ng enerhiya.

Pinagmulan: Angewandte Chemie

Gayunpaman, ang pinagmulan ng hydrogen na ito ay nakakaapekto kung gaano kalat ang produksyon ng ammonia. Sa kasalukuyan, karamihan ng hydrogen para sa produksyon ng ammonia ay nagmumula sa fossil fuel, na nagiging dahilan kung bakit ang ammonia ay responsable sa 1.3% ng pandaigdigang carbon emissions.

Sa ideal, ang isang ekonomiya ng ammonia ay aasa sa tinatawag na berde na ammonia na nilikha mula sa renewable energy. Ito ay nagbubukod dito mula sa iba pang uri ng ammonia:

• Grey/brown ammonia: ginawa mula sa fossil fuel.
• Blue ammonia: ginawa mula sa fossil fuel ngunit may carbon capture.
• Pink ammonia (sometimes also called yellow ammonia): ginawa mula sa nuclear energy.
• Turquoise ammonia: ginawa mula sa pyrolysis ng metano. Hinahati nito ang metano sa hydrogen at solid carbon, kung saan ang hydrogen ay kalaunan ay kinokonvert sa ammonia. Ang solid carbon ay maaaring itago o gamitin sa mga aplikasyon tulad ng carbon fibers.

Hangga’t ang ammonia ay hindi pangunahing berde na ammonia, ang paggamit nito upang palitan ang fossil fuel sa transportasyon at industriya ay halos walang saysay, dahil binabago lamang nito ang punto kung saan kinukunsumo ang fossil fuel.

“Ang pagnanais ng industriya para sa ammonia ay patuloy na lumalago. Sa nakaraang dekada, ang pandaigdigang komunidad ng siyentipiko, kasama ang aming laboratoryo, ay nagnanais na matuklasan ang mas napapanatiling paraan upang gumawa ng ammonia na hindi umaasa sa fossil fuel.

Prop. PJ Cullen – Propesor sa Unibersidad ng Sydney at sa Net Zero Institute”

Ito ang dahilan kung bakit ang mga bagong tuklas na ganap na binabago kung paano ginagawa ang ammonia, malayo sa daang-taong gulang na prosesong Haber-Bosch, ay maaaring magdala ng malaking pagbabago.

Maaaring ginawa ng mga mananaliksik sa Unibersidad ng Sydney (Australia) at Zhejiang University (China) ang ganitong inobasyon, gamit ang plasma upang lumikha ng nitrogen mula sa hangin. Inilathala nila ang kanilang mga resulta sa Angewandte Chemie¹ sa pamagat na “Regulating Multifunctional Oxygen Vacancies for Plasma-Driven Air-to-Ammonia Conversion”.

Bakit Ammonia?

Kung ang ammonia ay pangunahing binagong hydrogen, bakit hindi direktang gamitin ang hydrogen?

Ang pagkakaiba sa hydrogen ay ang ammonia ay mas malaking molekula kaysa H₂ at mas matatag. Ginagawa nitong mas madali ang transportasyon at imbakan nito. Ang ammonia ay halos 50% mas mataas ang energy density kumpara sa likidong hydrogen.

Pinagmulan: Kleinman Center For Energy Policy

Ang energy density na ito at mas madaling imbakan ay ginagawa ang ammonia bilang pangunahing kandidato para sa paggamit sa transportasyon, lalo na sa mga enerhiya-greedy na pangmatagalang paglalakbay tulad ng pagpapadala, na tinalakay naming detalyado sa “Decarbonizing Global Shipping Lanes Through Green Ammonia”.

Gagawin din nitong magandang kandidato ang ammonia para sa imbakan ng isang taon o buwan, isang matagal nang isyu sa pagbalanse ng mga grid ng enerhiya na umaasa sa berde na enerhiya, kung saan, halimbawa, ang labis na enerhiya mula sa solar sa tag-init o sa mga linggo ng mataas na hangin ay ginagamit upang gumawa ng labis na ammonia na magagamit sa taglamig o sa mga panahon ng mababang hangin.

Mga Isyu sa Produksyon ng Ammonia

Hangga’t ang produksyon ng ammonia ay umaasa sa Haber-Bosch, maaaring tumagal ang paglipat sa mas berde na panggatong.

Ang pangunahing dahilan ay ang produksyon ng berde na hydrogen ay kumplikado at mahal, madalas nangangailangan ng mga bihirang metal tulad ng platinum, bagaman malamang na magbago ito dahil sa pag-unlad ng nanoteknolohiya, tulad ng paggamit ng nanorods ng nickel bilang kapalit.

Ang isa pang dahilan ay ang paggawa ng ammonia gamit ang hydrogen ay nangangahulugang ito ay isang multi-step na proseso, kung saan bawat hakbang ay nangangailangan ng kapital na pamumuhunan at nagpapababa ng kabuuang enerhiya na nakukuha mula sa buong proseso ng produksyon:

• Dapat munang gawin ang berde na enerhiya gamit ang solar, wind, o hydro technologies.
• Ang kuryenteng iyon ay pagkatapos ay dinadala sa isang electrolyzer na gumagawa ng hydrogen.
• Ang hydrogen ay pagkatapos ay ginagamit para sa produksyon ng ammonia.

Dahil ang berde na enerhiya ay karaniwang mas hindi regular at desentralisado, nagdudulot ito ng karagdagang gastos para sa pangangailangan ng sentralisadong produksyon ng hydrogen at ammonia.

“Sa kasalukuyan, ang paggawa ng ammonia ay nangangailangan ng sentralisadong produksyon at pangmatagalang transportasyon ng produkto. Kailangan natin ng mababang-gastos, desentralisado at scalable na ‘berde na ammonia’”

Prop. PJ Cullen – Propesor sa Unibersidad ng Sydney at sa Net Zero Institute

Paano Maaaring Baguhin ng Nonthermal Plasma ang Berde na Ammonia

Ano ang Nonthermal Plasma?

May iba pang mga paraan bukod sa Haber-Bosch upang makagawa ng ammonia. Ang pangkalahatang ideya ay gamitin ang kuryente upang i-oxidize ang nitrogen, at pagkatapos ay magdagdag ng mga atom ng hydrogen (nitrogen reduction reaction – eNRR).

Gayunpaman, ang mga pamamaraang ito ay limitado ng mababang solubility ng nitrogen, at hindi kanais-nais na iba pang reaksyon sa mga solusyong may tubig. Ito ang dahilan kung bakit kinokonsidera ang Nonthermal plasma (NTP) bilang alternatibo, dahil mas angkop ang NTP para sa mga oxidation reaction kaysa sa chemical reduction.

Pinagmulan: Angewandte Chemie

Ang nabubuong nitrate (NO₃⁻) at nitrite (NO₂⁻) ay may solubility sa tubig na halos 40,000 beses kaysa sa N₂.

Ang mga pamamaraang ito ay may potensyal, ngunit nangangailangan na kunin at linisin ang nitrogen at oxygen mula sa hangin, na nagpapataas ng gastos.

Kaya naman ang mga pamamaraan kung saan ang hangin ay direktang ina-activate upang makagawa ng NOx at ang mga resultanteng NOx intermediate ay nire-reduce sa NH₄⁺ sa pamamagitan ng electrochemical conversion ay kaakit-akit.

Copper-Iron Catalyst

Gumamit ang mga mananaliksik ng nanogrid ng copper (P-Cu), kung saan isang oxygen plasma na kapaligiran ang ginamit upang lumikha ng mga depekto (CuₓO/Cu) at napaka-reaktibong mga species tulad ng O⁻ ions, O atoms, at O₃ (ozone) molecules. Ang mga reaktibong oxygen species na ito ay nakikipag-ugnayan sa Cu, na nagdudulot ng surface oxidation.

Pagkatapos, ang pagdagdag ng mga atom ng iron ay lumikha ng matatag na Fe–O–Cu bridge bonds sa ibabaw.

Pinagmulan: Angewandte Chemie

Gamit ang energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), nasuri ng mga mananaliksik ang napaka-komplikadong crystal structures na nabuo sa prosesong ito. Ang napakaliit na mga rod at komplikadong estruktura ay nagpalawak ng ibabaw ng materyal, na nagpadama nitong mas mahusay na catalyst.

Pinagmulan: Angewandte Chemie

Electrocatalysis ng Ammonia

Ginamit ang Fe₂O₃ NPs/Cu bilang cathode para sa paggawa ng ammonia mula sa nitrogen at tubig, na direktang kinokontrol ang parehong oxidation ng nitrogen at electrolysis ng tubig tungo sa hydrogen.

Pinatunayan ng mga pagsubok na ang pagdaragdag ng Fe₂O₃ sa copper ay epektibong nagpapahusay ng electrocatalytic activity.

Pinagmulan: Angewandte Chemie

Sinuri nila nang detalyado kung paano gumagana ang produksyon ng ammonia, at kinumpirma na ito ay talagang isang komplikado, multi-layered na kemikal na reaksyon na nagaganap nang napakabilis, kung saan ang NO₂ ay nagiging NH₃.

Pinagmulan: Angewandte Chemie

Higit sa lahat, ang reaksyon ay may halos 100% faradaic efficiency sa 300 mA, na nangangahulugang karamihan ng kuryente na ginamit ay napapaloob sa kemikal na enerhiya, na ginagawang isang order of magnitude na mas epektibo kaysa sa maraming hakbang ng klasikong water electrolysis (para sa produksyon ng hydrogen) at pagkatapos ay nitrogen-to-ammonia conversion.

“Ang bagong lapit na ito ay isang dalawang-hakbang na proseso, kung saan pinagsasama ang plasma at electrolysis. Naitaguyod na namin ang plasma component na praktikal sa usapin ng energy efficiency at scalability.”

Prop. PJ Cullen – Propesor sa Unibersidad ng Sydney at sa Net Zero Institute

Pagpapatuloy

Sa pangkalahatan, ipinapakita ng metodong ito na may iba pang mga landas patungo sa produksyon ng ammonia na maaaring ganap na lampasan ang prosesong Haber-Bosch, at ang pangangailangan na hiwalay na gumawa ng berde na hydrogen sa simula.

Ito rin ay isang pagpapabuti kumpara sa isang nakaraang bersyon ng teknolohiyang ito, na kinailangan gumamit ng copper-palladium catalyst imbes na iron, kung saan ang palladium ay isang mamahaling metal.

Ang pag-aaral na ito ay pangunahing nakatuon sa pag-develop ng epektibong catalyst para sa oxidation ng nitrogen direkta mula sa hindi nasala at pinong hangin.

Upang maging ekonomikong praktikal, ang electrolyser component na gumagawa ng hydrogen ay kailangan pang pagbutihin. Sa kabutihang palad, may pag-unlad sa produksyon ng hydrogen gamit ang mga hindi pa dating ginamit na catalyst o kahit na self-optimizing na mga catalyst.

Kaya malamang, sa katamtamang panahon, makikita natin ang kombinasyon ng iba’t ibang teknolohiya sa isang komersyal na makina para sa produksyon ng ammonia, tulad ng direktang nitrogen oxidation gamit ang plasma na gumagamit ng copper at iron, at water electrolysis gamit ang kaparehong murang mga metal.

Ang mga yunit na ito ay maaaring ilagay direkta sa mga lokasyon ng produksyon ng berde na enerhiya, at ang nalikhang ammonia ay maaaring itago sa isang medyo murang tangke (kumpara sa hydrogen), upang ipadala sa pamamagitan ng pipeline, trak, o mga tanker.

Malamang na ang mga kumpanyang kayang i-vertical integrate ang paglikha ng berde na enerhiya, produksyon ng ammonia, at pagpapadala ng ammonia ang makikinabang nang husto mula sa ganitong mga disenyo.

Kumpanya ng Ammonia

Aker Horizons ASA (AKH.OL)

Ang Aker Horizon ay isang subsidiary ng grupong Aker na nakatuon sa berde na enerhiya. Ang grupo ay isang malaking Norwegian conglomerate na nakatuon sa renewables at marine/offshore na negosyo.

Pinagmulan: Aker

Ang Aker Horizon ay holding company para sa ilang subsidiaries, kabilang ang green hydrogen, onshore at offshore wind farms, at solar farms. Kabilang dito ang Mainstream Renewable Power, isang utility company na may 20.4GW ng renewable energy na nasa development sa South Africa (12.3GW) at iba pang mga bansa (Asia, South America, Europe).

Ang kumpanya ay kilalang napaka-aktibo sa pagbuo ng hydrogen at berde na ammonia, na may layuning i-decarbonize ang Arctic shipping, pati na rin ng interes mula sa mga data center.

Pinagmulan: Aker

Ang Aker ay hindi purong kumpanya ng berde na ammonia ngunit kayang pangasiwaan ang buong vertical integration ng berde na ammonia, mula sa offshore windmills hanggang sa pagbuo ng hydrogen (sa ngayon) hanggang sa produksyon ng berde na ammonia. Nagtatrabaho rin ito sa mga proyektong tulad ng waste-to-energy sa France, isang biomass plant sa Germany, at carbon capture sa Middle East (Saudi Arabia at UAE).

Noong Mayo 2025, tiningnan ng Aker ang ilang restructuring dahil sa mababang presyo sa sektor ng berde na enerhiya, na pangunahing layuning muling kunin ang mga operasyon ng carbon capture, at ang reintegrasyon ng AKH Holding (Mainstream Renewable Power, at ang mga proyektong berde na ammonia ng Narvik) sa Aker Horizon matapos ang hiwalay na paglista ng ilan sa mga bahagi nito.

Pinagmulan: Aker

Ginagawa nitong magandang stock para sa mga mamumuhunan na naghahanap ng pangmatagalang exposure sa sektor ng berde na enerhiya sa kabuuan, na may matibay na posisyon sa berde na ammonia, pati na rin sa iba pang berde na enerhiya, at ilang heograpikal na diversipikasyon mula sa mga North American na stock.

Pag-aaral na Binanggit

^{1. Wanping Xu, Jiaqian Wang, Tianqi Zhang, Jungmi Hong, Qiang Song, Zhongkang Han, Patrick Cullen. (2025) Pag-regulate ng Multifunctional Oxygen Vacancies para sa Plasma-Driven Air-to-Ammonia Conversion. Angewandte Chemie. 22 Abril 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202508240}