Yıldırım Benzeri Plazma ile Yeşil Amonyakı Uygun Fiyata Üretmek

Yeşil Amonyak Ekonomisine Giden Yol

Ammonyak, yani NH₃, petrol ve diğer fosil yakıtlardan üretilen sıvı yakıtların yerine geçebilecek büyük bir potansiyele sahip aday olarak görülmektedir. Bunun nedeni, atmosferik azot (N₂) gibi son derece bol bulunan bir kaynağın kullanılmasıyla üretilmesi ve üretimi için mutlaka petrol ya da metana ihtiyaç duyulmamasıdır.

Ammonyak önemli bir gübre olduğundan, üretimi şu anda kimya endüstrisinin büyük bir bölümünü oluşturarak dünyadaki ikinci en çok üretilen kimyasal madde konumundadır.

Amonyak şu anda büyük ölçüde Haber-Bosch süreciyle, azotu hidrojene birleştirerek amonyak üretmek için yüksek basınç ve yüksek sıcaklıklar kullanılarak üretilmektedir; bu da sürecin doğası gereği enerji yoğun olmasını sağlar.

Kaynak: Angewandte Chemie

Ancak, bu hidrojenin kaynağı amonyak üretiminin ne kadar kirletici olacağını etkiler. Bugün, amonyak üretimi için kullanılan hidrojenin çoğu fosil yakıtlardan elde edilmektedir, bu da amonyağın küresel karbon emisyonlarının %1,3’ünden sorumlu olmasına yol açmaktadır. fosil yakıtlardan elde edilen hidrojenin kaynağı, amonyak üretiminin ne kadar kirletici olacağını etkiler.

İdeal olarak, bir amonyak ekonomisi yenilenebilir enerjiden üretilen sözde yeşil amonyaka dayanır. Bu, onu diğer amonyak türlerinden 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 karbona ayırır; hidrojen daha sonra amonyağa dönüştürülür. Katı karbon depolanabilir ya da karbon fiber gibi uygulamalarda kullanılabilir.

Amonyak büyük ölçüde yeşil amonyak olmadığı sürece, onu ulaşım ve sanayide fosil yakıtların yerine kullanmak pek mantıklı değildir; çünkü sadece fosil yakıtların tüketildiği noktayı değiştirir.

“Endüstrinin amonyak talebi sadece artıyor. Son on yılda, laboratuvarımız da dahil olmak üzere küresel bilim topluluğu, fosil yakıtlara dayanmayacak daha sürdürülebilir bir amonyak üretim yolu keşfetmek istiyor.

Prof. PJ Cullen – Sydney Üniversitesi Profesörü ve Net Zero Enstitüsü

Bu yüzden, yüzyıllık Haber-Bosch sürecinden tamamen farklı bir şekilde amonyak üretimini değiştiren yeni keşifler oyunu değiştirebilir.

Bu yenilik, Avustralya’daki Sydney Üniversitesi ve Çin’deki Zhejiang Üniversitesi araştırmacıları tarafından, havadan azot üretmek için plazma kullanılarak yapılmış olabilir. Sonuçlarını Angewandte Chemie¹ dergisinde “Plazma Tahrikli Hava‑den‑Amonyak Dönüşümü için Çok Fonksiyonlu Oksijen Boşluklarının Düzenlenmesi” başlığıyla yayımladılar.

Neden Amonyak?

Amonyak esasen dönüştürülmüş bir hidrojen ise, neden doğrudan hidrojen kullanılmasın?

Hidrojenle farkı, amonyak H₂’den çok daha büyük bir molekül olması ve çok daha kararlı olmasıdır. Bu, taşınmasını ve depolanmasını çok daha kolay hâle getirir. Amonyak ayrıca sıvı hidrojenden yaklaşık %50 daha yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir.

Kaynak: Kleinman Center For Energy Policy

Bu enerji yoğunluğu ve daha kolay depolama, amonyağı özellikle nakliye gibi enerji yoğun uzun mesafe seyahatlerinde kullanılmak üzere ideal bir aday hâline getirir; bu konuyu “Yeşil Amonyak ile Küresel Deniz Taşımacılığı Rotalarının Karbonsuzlaştırılması” başlıklı yazımızda ayrıntılı olarak ele aldık.

Ayrıca, amonyak yıl veya ay bazında depolama için iyi bir aday olur; bu, yeşil enerjiye dayalı enerji şebekelerinin dengelemesinde uzun süredir var olan bir sorundur; örneğin, yaz aylarındaki fazla güneş enerjisi ya da yüksek rüzgar haftalarındaki fazla enerji, fazla amonyak üretmek için kullanılabilir ve bu amonyak kış ya da düşük rüzgarlı mevsimlerde tüketilir.

Amonyak Üretimindeki Sorunlar

Amonyak üretimi Haber-Bosch sürecine dayandığı sürece, daha yeşil bir yakıta geçiş zaman alabilir.

Ana neden, yeşil hidrojen üretiminin karmaşık ve pahalı olmasıdır; genellikle platin gibi nadir metaller gerektirir, ancak bu durum nikel nanodallarının kullanılması gibi nanoteknolojideki ilerlemeler sayesinde değişebilir. nikel nanodallarının kullanılması gibi nanoteknolojideki ilerlemeler sayesinde değişebilir.

Diğer neden ise, hidrojenle amonyak üretiminin çok adımlı bir süreç olmasıdır; her adım sermaye yatırımı gerektirir ve tüm üretim sürecinin toplam enerji verimini azaltır:

• Yeşil enerji önce güneş, rüzgar veya hidro teknolojileriyle üretilmelidir.
• Bu elektrik daha sonra hidrojen üreten bir elektrolizöre taşınır.
• Hidrojen daha sonra amonyak üretiminde kullanılır.

Asıl yeşil enerji genellikle daha kesintili ve merkezi olmayan olduğundan, bu durum merkezi hidrojen ve amonyak üretimi gerektiren ek maliyetler doğurur.

“Şu anda, amonyak üretimi merkezi bir üretim ve ürünün uzun mesafeli taşınmasını gerektiriyor. Düşük maliyetli, merkezi olmayan ve ölçeklenebilir ‘yeşil amonyak’a ihtiyacımız var.”

Prof. PJ Cullen – Sydney Üniversitesi Profesörü ve Net Zero Enstitüsü

Nontermal Plazmanın Yeşil Amonyakta Devrim Yaratma Potansiyeli

Nontermal Plazma Nedir?

Haber-Bosch dışındaki diğer amonyak üretim yöntemleri mevcuttur. Genel fikir, nitrojeni oksitlemek için elektriği kullanmak ve ardından hidrojen atomları eklemektir (azot indirgeme reaksiyonu – eNRR).

Bununla birlikte, bu yöntemler nitrojeni düşük çözünürlüğü ve su içeren çözeltilerde istenmeyen diğer reaksiyonlar nedeniyle sınırlıdır. Bu yüzden Nontermal plazma (NTP) tercih edilir; çünkü NTP kimyasal indirgemeye göre oksidasyon reaksiyonları için daha uygundur.

Kaynak: Angewandte Chemie

Elde edilen nitrat (NO₃⁻) ve nitrit (NO₂⁻), suda N₂’nin yaklaşık 40.000 katı çözünürlüğe sahiptir.

Bu yöntemler umut verici, ancak nitrojen ve oksijenin havadan çıkarılıp arıtılmasını gerektirdiği için maliyetleri artırır.

Bu yüzden, havanın doğrudan aktive edilerek NOx üretildiği ve ortaya çıkan NOx ara ürünlerinin elektrokimyasal dönüşümle NH₄⁺’a indirildiği yaklaşımlar çekicidir.

Bakır-İron Katalizörü

Araştırmacılar, bakır (P-Cu) nanogridi kullandı; burada oksijen plazma atmosferi, CuOx/Cu gibi kusurlar ve O⁻ iyonları, O atomları ve O₃ (ozon) molekülleri gibi yüksek reaktif türler oluşturmak için kullanıldı. Bu reaktif oksijen türleri Cu ile etkileşerek yüzey oksidasyonuna yol açar.

Daha sonra demir atomlarının eklenmesi, yüzeyde stabil Fe–O–Cu köprü bağları oluşturdu.

Kaynak: Angewandte Chemie

Enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) kullanarak, araştırmacılar bu süreçte oluşan son derece karmaşık kristal yapılarını inceleyebildi. Çok küçük çubuklar ve karmaşık yapılar, malzemenin yüzey alanını artırarak onu daha iyi bir katalizör hâline getirdi.

Kaynak: Angewandte Chemie

Amonyak Elektrokatalizi

Fe₂O₃ NPs/Cu, nitrojen ve sudan amonyak üretimi için bir katot olarak kullanıldı; bu, nitrojenin oksidasyonunu ve suyun elektrolizini doğrudan kontrol eder.

Testler, bakır üzerine Fe₂O₃ eklenmesinin elektrokatalitik aktiviteyi etkili bir şekilde artırdığını gösterdi.

Kaynak: Angewandte Chemie

Amonyak üretiminin nasıl çalıştığını ayrıntılı olarak analiz ettiler ve bunun aslında çok hızlı gerçekleşen, NO₂’nin NH₃’e dönüşmesiyle sonuçlanan karmaşık, çok katmanlı bir kimyasal reaksiyon olduğunu doğruladılar.

Kaynak: Angewandte Chemie

Daha da önemlisi, reaksiyon 300 mA’de neredeyse %100 faradik verime sahipti; bu, kullanılan elektriğin büyük kısmının kimyasal enerjiye dönüştüğü anlamına gelir ve klasik su elektrolizi (hidrojen üretimi) ve ardından nitrojen‑amonyak dönüşümünün çok adımlı süreçlerinden bir mertebe daha verimli hâle getirir.

“Bu yeni yaklaşım iki adımlı bir süreçtir; yani plazma ve elektrolizi birleştirir. Plazma bileşenini enerji verimliliği ve ölçeklenebilirlik açısından zaten uygulanabilir hâle getirdik.”

Prof. PJ Cullen – Sydney Üniversitesi Profesörü ve Net Zero Enstitüsü

İleriye Dönük

Genel olarak, bu yöntem, amonyak üretiminde Haber-Bosch sürecini tamamen atlayabilecek başka yollar olduğunu ve baştan yeşil hidrojen üretme ihtiyacının olmayabileceğini göstermektedir.

Bu aynı zamanda, demir yerine bakır-palladyum katalizörü kullanmak zorunda kalan önceki teknoloji sürümüne kıyasla bir iyileşmedir; palladyum pahalı bir metaldir. demir yerine bakır-palladyum katalizörü kullanmak zorunda kalan önceki teknoloji sürümüne kıyasla bir iyileşmedir.

Bu çalışma, büyük ölçüde filtrelenmemiş ve rafine edilmemiş havadan doğrudan nitrojen oksidasyonu için verimli bir katalizör geliştirmeye odaklanmıştır.

Ekonomik olarak uygulanabilir hâle getirmek için, hidrojeni üreten elektrolizör bileşeninin hâlâ geliştirilmesi gerekir. Neyse ki, daha önce kullanılmamış katalizörler ya da hatta kendi kendini optimize eden katalizörler kullanarak hidrojen üretimindeki ilerlemeler kaydedilmektedir.

Bu nedenle, orta vadede, bakır ve demir kullanarak plazma ile doğrudan nitrojen oksidasyonu ve eşit derecede ucuz metallerle su elektrolizi gibi farklı teknolojilerin birleştirildiği ticari bir amonyak üretim makinesi göreceğiz.

Bu birimler, yeşil enerji üretim tesislerine doğrudan kurulabilir ve ortaya çıkan amonyak, hidrojenle karşılaştırıldığında nispeten ucuz bir tankta depolanarak boru hattı, kamyon veya tankerle taşınabilir.

Bu tasarımlardan en çok fayda sağlayacak muhtemelen yeşil enerji üretimini, amonyak üretimini ve amonyak nakliyesini dikey olarak entegre edebilen şirketler olacaktır.

Amonyak Şirketi

Aker Horizons ASA (AKH.OL)

Aker Horizon, yeşil enerji odaklı Aker grubunun bir yan kuruluşudur. Grup, yenilenebilir enerji ve deniz/karada offshore işlerine odaklanan büyük bir Norveç konglomerasıdır.

Kaynak: Aker

Aker Horizon, yeşil hidrojen, karasal ve offshore rüzgar çiftlikleri ve güneş çiftlikleri dahil olmak üzere çeşitli yan kuruluşların ana şirketidir. Bu, Güney Afrika (12,3 GW) ve diğer ülkelerde (Asya, Güney Amerika, Avrupa) 20,4 GW yenilenebilir enerji geliştirmekte olan bir hizmet şirketi Mainstream Renewable Power’ı da kapsar.

Şirket, özellikle hidrojen ve yeşil amonyak üretiminde çok aktif olup, Arktik deniz taşımacılığını karbonsuzlaştırmayı hedeflemekte ve veri merkezlerinden de ilgi görmektedir.

Kaynak: Aker

Aker sadece saf bir yeşil amonyak şirketi değildir; offshore rüzgar türbinlerinden hidrojen üretimine (şimdilik) ve yeşil amonyak üretimine kadar yeşil amonyak için tüm dikey entegrasyonu yönetebilir. Ayrıca Fransa’da atıktan enerjiye, Almanya’da biyokütle tesisine ve Orta Doğu’da (Suudi Arabistan ve BAE) karbon yakalama projelerinde de çalışmaktadır.

Mayıs 2025’te, Aker, yeşil enerji sektöründeki düşük fiyatlar nedeniyle bazı yeniden yapılandırmalara bakmaktadır; esasen karbon yakalama operasyonlarını tamamen geri almayı ve bazı hisselerinin ayrı bir listelemesinden sonra AKH Holding (Mainstream Renewable Power ve Narvik yeşil amonyak projeleri)’nin Aker Horizon’a yeniden entegrasyonunu hedeflemektedir. Mayıs 2025’te, Aker, yeşil enerji sektöründeki düşük fiyatlar nedeniyle bazı yeniden yapılandırmalara bakmaktadır.

Kaynak: Aker

Bu, yeşil amonyakta güçlü konumuyla birlikte diğer yeşil enerji alanlarında da güçlü bir duruş sergileyen ve Kuzey Amerika hisselerinden uzak coğrafi çeşitlendirme sunan, uzun vadeli yeşil enerji sektörü maruziyeti arayan yatırımcılar için iyi bir hisse haline getirir.

Referans Çalışma

^{1. Wanping Xu, Jiaqian Wang, Tianqi Zhang, Jungmi Hong, Qiang Song, Zhongkang Han, Patrick Cullen. (2025) Plazma Tahrikli Hava‑den‑Amonyak Dönüşümü için Çok Fonksiyonlu Oksijen Boşluklarının Düzenlenmesi. Angewandte Chemie. 22 Nisan 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202508240}