Amonyak Üretimi Çevreye Büyük Ölçüde Zararlı – Mühendisler Yeni Bir Temiz Yöntem Geliştirdi

Amonyak: Kirleticiden Yeşil Alternatife

Amonyak, gemicilik, kamyonculuk veya uzun vadeli enerji depolama gibi elektrifikasyonu zor uygulamalarda fosil yakıtlara alternatif olarak tartışılmıştır. Ayrıca, yakıt hücrelerinde kullanılabilecek hidrojenin güvenli taşınması için ara bir adım olarak önerilmiştir.

Genellikle, amonyak üretimi, yüksek basınç ve sıcaklıklarda hidrojenin azot gazı ile birleştirilmesine dayanır; bu süreç Haber-Bosch Prosesi olarak adlandırılır. Ne yazık ki, bu yöntem kirletici ve enerji verimliliği düşük bir yöntemdir.

Kaynak: Research Gate

Instead, researchers at the University of Illinois, Texas Tech University, and General Ammonia Company have optimized a new method for producing ammonia that leverages ethanol with a charged lithium electrode.

This is not their first breakthrough, with previous works on electrocatalytic screens (a mesh of copper) for ammonia production, as well as “solar-to-fuel“ ammonia generators.

Lityum “Senfoni” Yeşil Amonyak Üretimi İçin

Yeni amonyak üretim yöntemi, azot gazını ve etanol gibi bir hidrojen bağışlayan sıvıyı yüklü bir lityum elektroduyla birleştirerek çalışır.

Bu “Lityum aracılı amonyak sentezi” (LiMAS) 3 ardışık adımda çalışır:

1. İlk olarak, Li+ elektrod depozisyonu adı verilen bir adım. Bu, yüksek kaliteli bir katı-elektrolit arayüzü (SEI) ve voltaj stabilitesi sağlamak için akım osilasyonlarıyla yapılır.
2. İkinci olarak, azot molekülü Li nitridasyonu adı verilen bir süreçte lityuma tutunur.
3. Üçüncü olarak, Li3N protolizi, hidrojen atomlarını azota ekleyerek Amonyak (NH3) oluşturur.

Kaynak: ACS Publications

Araştırmacılar, süreci bir “senfoni” olarak tanımlıyor, çünkü her adım, sürecin verimli kalmasını ve malzemenin bir sonraki kimyasal reaksiyon döngüsü için döngüde kalmasını sağlayacak şekilde düzenleniyor.

“İki döngü gerçekleşir. Biri hidrojen kaynağının yenilenmesi, diğeri ise lityumun yenilenmesidir. Bu reaksiyonda döngüsel süreç nedeniyle bir senfoni vardır.

Yaptığımız şey, bu senfoniyi daha iyi anlamak ve çok verimli bir şekilde modüle etmeye çalışmak, böylece bir rezonans yaratıp süreci daha hızlı hareket ettirmektir.” – Singh, UIC’de kimya mühendisliği doçent öğretim üyesi.

Elektrod depozisyon adımı, bu araştırmada yapılan en önemli yeniliktir, çünkü NH3 seçiciliğini büyük ölçüde artırır.

Ayrıca, amonyak üretkenliğini artıran iki başka faktör daha buldular:

• Azot gazı basıncını 20 bar’a kadar artırmak.
• Alkolü hidrojen kaynağı olarak kullanmak.
  • 1-butanol, hidrojen bağışı olarak en yüksek verimi sağladı
  • Su, şimdiye kadar bilim camiasının inandığının aksine çok daha az verimli bir hidrojen bağışı yapmaktadır.

Bu içgörüler, yüksek basınçlı LiMAS (“Lityum aracılı amonyak sentezi”)nın düşük basınçlı LiMAS ve Haber-Bosch reaksiyonundan daha üretken olmasını sağlar.

Kaynak: UIC Today

Amonyak Üretiminin Sorunları

Yeşil Amonyak

We mentioned how ammonia production is likely a crucial step in decarbonizing the entire sector of the economy and creating a hydrogen economy. We discussed this in our article “Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia”.

Bu, süreç yeşil enerji (yeşil hidrojen dahil) ile besleniyorsa özellikle doğrudur, çünkü diğer amonyak türleri daha az çevre dostudur.

Bu, yeşil amonyak ile diğer amonyak türlerini ayırır:

• Gri/kahverengi amonyak: fosil yakıtlardan üretilir.
• Mavi amonyak, fosil yakıtlardan üretilir ancak karbon yakalama ile.
• Pembe amonyak (bazen sarı amonyak olarak da adlandırılır): nükleer enerjiden üretilir.
• Turkuaz amonyak: metanın piroliziyle üretilir. Bu, metanı hidrojen ve katı karbon olarak parçalar, ardından hidrojen amonyaka dönüştürülür. Katı karbon depolanabilir veya karbon fiber gibi uygulamalarda kullanılabilir.

Günümüzde, amonyak çoğunlukla gübre üretimi ve kimya endüstrisi (boyalar, patlayıcılar vb.) gibi uygulamalar için üretilir. Büyük ölçüde fosil yakıtlar, özellikle doğal gaz kullanılarak yapılır.

Sonuç olarak, amonyak, karbon emisyonları açısından çimento dışında ikinci sırada yer alır ve toplam karbon emisyonlarının %1,5’ini oluşturur.

Haber-Bosch sürecinin gerektirdiği yüksek sıcaklıklar, amonyak üretiminin enerji maliyetini azaltmaya yardımcı olmaz; bu enerji genellikle fosil yakıtlardan, yüksek karbon emisyonlu kömür dahil, sağlanır.

LiMAs’ı Endüstrileştirme

Lityum en ucuz malzeme olmasa da, olağanüstü pahalı da değildir ve yüksek basınçlı LiMAS kullanarak amonyak üretiminde tüketilmez.

Dolayısıyla, yüksek enerji verimliliğiyle birleştirildiğinde, bu yöntem düşük maliyetli bir amonyak kaynağıdır.

Illinois Üniversitesi araştırmacıları, ölçeklendirilirse ekonomik olarak uygulanabilir olacağını tahmin ediyor

“Süreç, ton başına 456 $ amonyak üretecek, bu da önceki lityum temelli yaklaşımlara ve diğer önerilen yeşil yöntemlere göre %60 daha ucuzdur.”
Singh, UIC’de kimya mühendisliği doçent öğretim üyesi.

Bu, üretim yöntemini hâlâ geliştirilmekte olan diğer yeşil alternatiflerle aynı aralığa getirir; örneğin Fuel Positive‘ın konteynerleştirilmiş amonyak üretim sistemi, ton başına 560 CA$, veya AmmPower’ın modüler amonyak sistemi, sadece elektrik maliyeti için ton başına 360 $ (bakım ve sermaye harcamaları dahil değildir).

(Bu 2 şirketi ve diğerlerini “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks” adlı makalemizde tartışıyoruz)

Ton başına 456 $ aynı zamanda, şu anda fosil yakıt temelli üretim tarafından yönlendirilen, dünyanın çoğu bölgesindeki amonyak fiyatlarıyla uyumlu olacaktır.

Amonyak fiyatları, doğal gaz fiyatları yükseldiğinde, örneğin 2022’de Ukrayna savaşının başlangıcında olduğu gibi, büyük dalgalanmalara maruz kalır.

Kaynak: BusinessAnalitIQ

Bilim insanları, lityum aracılı amonyak sentez sürecini pilotlamak ve ölçeklendirmek için zaten General Ammonia Co. ile ortaklık kuruyorlar. Chicago bölgesinde bir pilot tesis inşa edilecek ve Illinois Üniversitesi Teknoloji Yönetimi Ofisi süreç için bir patent başvurusunda bulundu.

Yeşil Amonyak Şirketleri

1. General Ammonia Company

The company partnering with the University of Illinois’ researchers is not publicly listed, but is “aktif olarak yatırım arıyor”.

2. NitroVolt

NitroVolt, LiMAS kullanarak amonyak üretmeyi hedefleyen bir başka şirkettir ve lityum aracılı amonyak sentezi süreci için bir patent başvurusu bulunmaktadır.

Kaynak: NitroVolt

Danimarkalı şirket, LiMAS sürecini kendi patentli akış hücresi sistemiyle birleştirerek sürekli ve yüksek verimli bir reaksiyon sağlamaktadır.

Şirketin araştırması prestijli bilimsel yayınlarda yayımlanmıştır, özellikle:

• Science:
  • Continuous-flow electrosynthesis of ammonia by nitrogen reduction and hydrogen oxidation
  • Enhancement of lithium-mediated ammonia synthesis by the addition of oxygen
• Nature: A rigorous electrochemical ammonia synthesis protocol with quantitative isotope measurements

Kaynak: NitroVolt

The company received ilk yatırımı 6^Mart, 2024 from VC firm BackingMinds.

3. FuelPositive Corporation (NHHHF)

FuelPositive, modüler/konteynerleştirilmiş bir yeşil amonyak üretim sistemi oluşturdu. İlk hedefi tarım sektörü olup, yerel olarak üretilen enerjiyle sahada amonyak üretimine olanak tanıyor. Sistem, CA$950,000 karşılığında yılda 100 ton, günlük 300 kg amonyak üretebilir.

Kaynak: Fuel Positive

Bu, 1.800 dönümlük çiftlikler için uygun bir sistem yapar. Sadece 1,5 dönüm araziye kurulan güneş panelleri, amonyak üretimini beslemek için yeterlidir.

Kaynak: Fuel Positive

FuelPositive, sisteminin ton başına CA$560 fiyatla amonyak üretebileceğini iddia ediyor,

Şirket, erken aşamada olup, tam ölçekli üretimin 2025’te başlaması planlanıyor ve şu ana kadar 30 sipariş onaylandı; ilk teslimatın Mart 2024’te gerçekleşmesi planlanıyor.

FuelPositive’ın temel gücü, teknolojisinin modülerliği sayesinde daha dağıtık bir yaklaşım ve amonyak üretim modülünün standartlaştırılmış seri üretimine olanak tanımasıdır.

Şirket bir ortaklık kuruyor with Cipher Neutron, which can produce hydrogen without any metal of the platinum group.

Amonyak üretimi için LiMAS yöntemini kullanma/licence etme konusunda benzer bir ortaklık kurulabilir, çünkü şirketin gücü, özel bir amonyak üretim teknolojisinden ziyade modüler tasarımındadır.

Birincil odak gübre üretimi olsa da, amonyak, sahada üretilen enerjiyle tarım motorlarını çalıştırmak için kullanılabilir; bu, amonyak/hidrojen destekli tarım araçlarının benimsenme hızına bağlıdır.

FuelPositive sistemlerinin dağıtık ve modüler yapısı, gelecekteki bir amonyak ekonomisinin kilit unsuru haline gelebilir. Gübre pazarı, şirketin hidrojen ve amonyak kullanımının daha yaygınlaşmasına kadar büyümesi için bir boşluk sağlayabilir.

4. AmmPower Corp. (AMMPF)

AmmPower, FuelPositive’a benzer şekilde modüler amonyak üretim sistemleri sunar, ancak daha büyük ölçekli olup, temel modülü günde 4 ton üretebilir. Bu, şirketi çok büyük çiftlikler (10.000+ dönüm) veya tekstil, soğutma, madencilik, ilaç ve yarı iletken gibi endüstriyel operasyonlar alanına yerleştirir.

Kaynak: AmmPower

Şirket, sipariş defterini oluşturma sürecindedir; yakın vadeli sipariş potansiyeli 30 milyon $ olarak tahmin edilmekte ve 52 ülkeden 690 birim satış potansiyeli bulunmaktadır.

Şirket, elektrik maliyetinin ton başına yaklaşık 360 $ olduğunu tahmin ediyor.

Sistemin modülerliği, modüler yaklaşım olmayan benzer projelere kıyasla bir yıldan daha kısa sürede hızlı bir dönüş ve teslimat sağlar (3-4 yıl yerine).

Ayrıca, CTEC Energy Sales USA ile ortak girişimde atıkları amonyaka dönüştürme teknolojisi üzerinde çalışmaktadır.

Burada da, LiMAS amonyak sürecini modüler tasarıma entegre etmek için başka ortaklıklar kurulabilir.

Amonyakın hidrojen-amonyak ekonomisine ilerlemesini daha da hızlandırmak için, amonyakı hidrojenine ayırma (cracking) konusunda özel bir yan kuruluş oluşturuyor ve bu yan kuruluş ayrı ayrı ek finansman arayacak.

Çoğu endüstriyel kullanım ve çok büyük çiftliklere uygun ölçeği yakalayarak, AmmPower, çoğu şirketten daha derin sermaye erişimine sahip müşterileri hedefliyor.

Amonyak kırma teknolojisiyle birleştirildiğinde, bu, hidrojenin enerji taşıyıcısı olarak geliştirilmesini teşvik eden politikalar sonrasında hızlı bir ölçeklendirme yapmasını sağlayabilir.