Şimşek İlhamlı Plazma-Elektrokimyasal Reaktör, Sıfır Karbon Ayak İziyle Amonyak İhtiyacımızı Çözebilir

Amonyak Ekonomisine Giden Yolu Bulmak

Yenilenebilir enerjiler ilerledikçe, bazı sınırlamalar daha netleşiyor. Yenilenebilirlerin kesintili olması enerji depolamayı gerektirir; bu depolama bataryalar olabilir, bunu “The Future Of Energy Storage—Utility-Scale Batteries Tech” makalemizde inceledik.

Bununla birlikte, enerji tüketiminin bazı biçimleri elektrifikasyona çok dirençlidir. Örneğin, uzun mesafeli deniz taşımacılığı veya hava kargo.

Bu uygulamalar için yoğun sıvı yakıt tercih edilir ve muhtemelen hava seyahati için en olası seçenektir. Bu yüzden fosil yakıtları değiştirmek amacıyla amonyak katı bir alternatif olarak düşünülmüştür. Amonyak ayrıca gübre ve patlayıcı gibi kimyasalların üretiminde ana bileşiktir.

Şu anda, amonyak küresel enerji tüketiminin ve karbon emisyonlarının %1,8’inden sorumludur ve bu, onu ulaşımda kullanmaya çalışmadan önceki durumdur. Şu anda metan yakılarak, sözde gri amonyak üretilmektedir. Daha iyi bir alternatif, yenilenebilir enerjiden üretilen sözde yeşil amonyak olurdu.

Sorun şu ki, şu an yeşil amonyak, petrol bazlı yakıtlar ya da gri amonyaktan çok daha pahalıdır. Bunun büyük bir kısmı, amonyağın hidrojen kullanılarak üretilmesinden kaynaklanıyor; hidrojenin elektrolizle üretimi de kendisi pahalıdır.

Lityum aracılı kataliz gibi alternatifler mümkün ve daha ucuz olabilir, ancak belki hâlâ yeterince ucuz değildir.

Ancak, en azından New York Buffalo State Üniversitesi ve Yeni Zelanda Auckland Üniversitesi araştırmacılarına göre, hidrojen için bir alternatif olabilir. Yakın zamanda, plazma ile amonyak üretme konusundaki bulgularını Journal of the American Chemical Society dergisinde “Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma-Electrochemical Ammonia Synthesis” başlığıyla yayınladılar.

Amonyak Üretiminin Birçok Yolu

Azot (N₂) Dünya’da çok bol bulunur ve atmosferin %78’ini oluşturur. Ancak bitkiler için ya da bir kimyasal olarak kullanılabilmesi için amonyak (NH₃) ya da nitrat (NO₃) formunda olması gerekir. Bu hidrojen atomlarını azot atomuna eklemek çok enerji yoğun bir süreçtir.

Bunu yapmanın bir yolu, azot sabitleyici bakteriler olarak adlandırılan özel bakteriler aracılığıyla. Bu, doğal azotun en büyük kaynaklarından biridir (yıllık 100–300 Teragram azot), ancak genellikle yoğun tarım için yetersizdir.

Daha önce belirtildiği gibi, bir diğer yol hidrojen (H₂) kullanmaktır, ancak yeşil hidrojen üretimi pahalıdır.

Bununla birlikte, doğada zaman zaman gerçekleşen üçüncü bir amonyak üretim yolu vardır. Şimşek çarptığında, elektrik akımının şiddeti N₂‘yi parçalayarak çeşitli azot oksitleri oluşturur.

Kaynak: Britannica

Doğada, bu azot oksitleri daha sonra bakteriler tarafından amonyağa dönüştürülür. Bu, doğal amonyak üretiminin sadece küçük bir kısmını oluşturur; 3-10 teragram aralığındadır. Bu, tamamen hidrojen ihtiyacını ortadan kaldırarak yapay olarak tekrarlanabilir.

İnsan Yapımı Plazma, Şimşeği Yerine Geçiriyor

Araştırmacılar, bir elektrot ve cam tüp içeren bir kap olan plazma reaktörüne hava enjekte ettiler. Plazma deşarjları, şimşeğin etkisini taklit ederek reaksiyon odasında karmaşık bir azot oksit karışımı oluşturur.

Kaynak: ACS Publication

Bu karışık gazlar daha sonra köpük benzeri bir yapıdaki bakır-palladyum alaşımı içeren katalitik bir reaktöre gönderilir. Bu katalizör, önce kalan havadan azot oksitlerini absorbe eder ve ardından doğada oksitleri amonyağa dönüştüren bakterilerin yerini alır.

Katalizi İnce Ayarlama

Azot oksitlerini amonyağa dönüştürmenin ikinci adımı basit değildir.

“Plazma enerjisi veya bir şimşek darbesi azotu aktive ettiğinde, bir dizi azot oksit bileşiği çorbası oluşturursunuz. Aynı anda, bizim durumumuzda, sekiz farklı kimyasal bileşiği amonyağa dönüştürmek inanılmaz derecede zordur.”
Xiaoli Ge – Buffalo Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı

Bu, oksitleri amonyağa dönüştürmek için sadece 8 kimyasal reaksiyonun yeterli olmadığı, aslında çok daha fazla ara adım gerektiği anlamına gelir; her biri bir darboğaz oluşturabilir ve sistemin genel verimliliğini azaltabilir.

Ayrıca, azot oksitleri bir miktar kirlilik oluşturduğundan, bu yöntemle büyük ölçekli amonyak üretiminin mümkün olduğunca az kalıntı azot oksiti içermesi gerekir.

Bu nedenle, araştırmacıların NOx‑NH3 yolundaki sınırlayıcı ara ürünün optimal adsorpsiyonu ve dönüşümünü hedefleyen bir dizi bimetalik katalizör oluşturup ince ayar yapmaları gerekti.

Tüm farklı reaksiyon yollarını haritalamak için grafik teorisi adı verilen matematiksel bir süreç kullandılar. Böylece, baştan darboğazların nerede olduğunu ve dönüşüm verimliliğini nasıl artırabileceklerini belirleyebildiler.

Bunu yaparak, çoğu azot oksit bileşiğinin amonyağa dönüşmeden önce ara adım olarak azot oksit ya da amin üzerinden dönmesi gerektiğini keşfettiler. Bu yüzden, bu iki bileşikle olumlu bağlanan bir katalizör geliştirdiler.

Ölçeklendirme

Tamamlanan tasarım, 81,2 mg/h/cm² amonyak üretim hızı elde etti. Plazma odası ve bakır-palladyum katalizörü, 2 amper uygulanan akımda 1.000 saatten fazla çalışma süresinden sonra stabil kaldı.

Araştırma ekibi, deneysel reaktörlerini ölçeklendirmek için bir sonraki adımı inceliyor; hem bir girişim başlatmayı hem de teknolojiyi endüstriyel ortaklara lisanslamayı değerlendiriyor. Buffalo Üniversitesi de reaktör için bir patent başvurusu yaptı.

• Plazma üretimi tamamen elektriğe dayandığı için %100 yenilenebilir enerjiyle çalıştırılabilir.
• Orta ölçekli bir konteyner içine entegre edilebilir ve güneş panellerine bağlanabilir; mevcut amonyak tesislerinin büyük ölçeğine ihtiyaç duymaz.
• Kataliz bilimindeki ilerlemeler sistem maliyetlerini iyileştirebilir ve özellikle güneş enerjisinin sürekli düşen maliyetleriyle birlikte yeşil enerjinin maliyetlerini azaltabilir.

“Reaktörlerimizi çatıya güneş panelleri takılmış orta ölçekli bir nakliye konteyneri gibi hayal edebilirsiniz. Bu, dünyanın herhangi bir yerine yerleştirilebilir ve o bölgeye talep üzerine amonyak üretebilir.

Bu, sistemimizin çok heyecan verici bir avantajı ve gelişmekte olan bölgelerde Haber-Bosch sürecine sınırlı erişimle amonyak üretmemizi sağlayacak.

Chris Li – Kimya yardımcı doçenti

Potansiyel olarak, pahalı palladyuma ihtiyaç duymayan, doğru bakterileri içeren bir biyoreaktör gibi diğer seçenekleri araştırmak da daha ileri geliştirme için bir seçenek olabilir, ancak amonyağın küresel bir yakıt kaynağı haline gelmesi için gereken hacme ölçeklendirmek zor olabilir.

Amonyak Yatırımları

Önceki makalelerde birkaç yeşil amonyak yatırım fırsatını ve bilimsel temellerini zaten ele aldık; özellikle “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks” ve “Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia”.

Bununla birlikte, bu yeni plazma tabanlı amonyak üretim sürecinin ortaya çıkmasıyla ilgili olarak, daha ilgili bir hisse, araştırmacıların kullandığı katalizörün büyük miktarını gerektirecek ölçekli üretim nedeniyle palladyum madenciliği olabilir.

Palladyum 2023’te ağırlıklı olarak Rusya ve Güney Afrika tarafından üretildi, ardından Kanada ve Zimbabve geldi.

Kaynak: Statista

Ve tabii ki, değerli metal külçe satıcılarından madeni para veya metal çubuk şeklinde doğrudan palladyum yatırımı da mümkündür.

Kaynak: US State Mint

Palladyum fiyatları son yıllarda çok dalgalı oldu; Ukrayna savaşı ve Rusya’nın bu piyasadaki arzının önemi nedeniyle büyük bir fiyat artışı yaşandı. Daha sonra ise tekrar düşüşe geçti.

Kaynak: Investing.com

1. Sibanye Stillwater Limited

Palladyum ve platin odaklı şirketler arasında açık ara en büyük olan Sibanye Stillwater (SBSW ), sektöründe liderdir. Aynı zamanda dünyanın en büyük rodyum üreticisidir.

Bu metallerin yanı sıra, iridyum ve rutenyum gibi diğer platin grup metallerinin de üreticisidir. Bunun büyük bir kısmı, Platin Metal Grubu (PGM) metallerinin aynı cevherlerde bulunup birlikte çıkarılmasıdır.

Kaynak: Stillwater

Eylül 2024’te, Sibanye Stillwater Montana Stillwater madenini yeniden yapılandıracağını duyurdu; maliyetleri azaltmak için madenin üretimini %45 azalttı. Palladyum miktarı platin miktarından fazla olan bu maden, düşük palladyum fiyatlarından etkilendi.

Bu, 435 milyon dolar tutarında büyük bir değer düşüklüğü kaybına yol açtı ve şirketin 2024’ün ilk yarısında zarar kaydetmesine neden oldu.

Bu, palladyumun plazma ile amonyak üretiminde önemli bir “enerji metali” haline gelmesi durumunda değerli bir uyuyan varlık olmasını sağlar.

Ayrıca, mevcut fiyatların çoğu platin açısından zengin bölgelerde üretim maliyetlerini zar zor karşılayabildiği ve maden kapanışından önce sektör için bir taban plateau oluşturduğu belirtilmelidir.

Kaynak: Sibanye Stillwater

Sibanye Stillwater şu anda saf bir PGM madencisinden, özellikle Finlandiya’daki bir lityum madencilik projesiyle altın ve batarya metal piyasalarına çeşitleniyor.

Kaynak: Sibanye Stillwater

Şirket ayrıca Güney Afrika’daki Beisa uranyum projesiyle uranyum madenciliğinde de varlık göstermektedir. Yakın zamanda bu projeyi Neo Energy’ye, Neo Energy’de %40 hisse karşılığında ve satılan tüm uranyumdan, spot uranyum fiyatına bağlı olarak pound başına 5 dolar ile sınırlı telif hakkı alarak sattı.

“Beatrix 4 şaftının ve Beisa uranyum projesinin satışı, Sibanye‑Stillwater’ın uranyum varlıklarından değer yaratma stratejisiyle uyumludur.”
Neal Froneman – Sibanye‑Stillwater CEO’su

Genel olarak, Sibanye‑Stillwater dünyanın en büyük uluslararası PGM madencilik şirketidir ve hissedarları, enerji sektörünün ulaşım yakıtı olarak hidrojen ya da amonyağa yönelmesinden büyük ölçüde fayda sağlayacaktır. Bunun nedeni, bu segmentteki neredeyse tüm teknolojilerin hidrojen elektrolizi, amonyak üretimi veya yakıt hücreleri için platin, palladyum veya rodyuma ihtiyaç duymasıdır; çünkü katalizör hidrojen reaksiyonlarının temel fiziği bu özel metalleri gerektirir.

Ayrıca, lityumdan uranyuma kadar düşük karbonlu enerji alanında genişliyor; bu da onu yenilenebilir enerji ve hidrojen/amonyak ile çalışan yeşil ekonomiye yönelimden en çok fayda sağlayabilecek madencilik şirketlerinden biri yapıyor.

Çalışma Referansı:

^{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}