Hur kan ammoniak användas som en effektiv energibärare och lösning för växthusgasfri energi?

Ammoniak har länge varit en central komponent inom jordbruket som gödselmedel, men under senare tid har det även fått uppmärksamhet som en potentiell energibärare i den globala strävan efter en växthusgasfri ekonomi. Ammoniakens förmåga att lagra väte och dess relativt enkla transportmöjligheter gör det till en lovande kandidat för att driva bränsleceller och andra energiproducerande teknologier utan att bidra till koldioxidutsläpp.

Den så kallade "ammoniakekonomin" har blivit ett populärt koncept där ammoniak används som en mellanprodukt för att lagra och transportera energi. Vid förbränning eller elektrolys kan ammoniak frigöra väte, vilket används för att driva bränsleceller och andra kraftgenererande system. Det finns flera fördelar med denna teknik, inklusive låga transportkostnader, etablerade infrastruktur och inga koldioxidutsläpp under drift, vilket gör det till en potentiellt effektiv lösning på världens energibehov.

Men ammoniak har också sina utmaningar. För att kunna användas effektivt i protonbytarmembranbränsleceller (PEMFC) krävs att ammoniaken först bryts ner till rent väte och renas på ett effektivt sätt. Eftersom ammoniak kan skada dessa membran, är det avgörande att teknologier för nedbrytning och rening av ammoniak utvecklas. Effektiv nedbrytning av ammoniak vid låga temperaturer (80–150 °C) och hög renhet av det frigjorda väte är nödvändigt för att kunna använda detta bränsle på ett effektivt sätt.

En annan nyckelfråga för att möjliggöra en fullt fungerande ammoniakekonomi är att utveckla hållbar och energieffektiv syntes av ammoniak. Traditionella metoder för att producera ammoniak, som Haber-Bosch-processen, är mycket energiintensiva och bidrar till stora koldioxidutsläpp. Denna process kräver höga temperaturer och tryck och använder naturgas som en primär källa för väte. För att minska miljöpåverkan behövs nya teknologier för att producera grön ammoniak, vilket innebär att använda förnybar energi för elektrolys av vatten och luftseparation för att extrahera kväve.

Flera innovativa metoder för syntes av ammoniak har föreslagits, inklusive elektrokemisk ammoniaksyntes (ECAS), där milda temperaturer och tryck gör det möjligt att aktivera kväve och väte för att producera ammoniak. Elektrolysen av vatten för att skapa väte är en central del av denna process, och med rätt utveckling kan denna metod bli mycket kostnadseffektiv och användbar i småskalig, distribuerad produktion av ammoniak baserat på förnybara energikällor.

Chemical looping ammoniaksyntes (CLAS) är en annan lovande metod där metaller används för att binda kväve och skapa metallnitrider som sedan omvandlas till ammoniak genom en hydreringreaktion. Denna metod har visat sig vara mycket energieffektiv, men kräver fortfarande hög temperatur för att regenerera metaller och metal nitrider, vilket innebär att energiförbrukningen för denna teknik är högre än för andra syntesmetoder.

Det är också viktigt att förstå att ammoniak som bränsle eller energibärare fortfarande står inför stora tekniska och ekonomiska utmaningar. Hållbara metoder för att lagra och transportera ammoniak samt för att omvandla det till väte eller elektricitet kräver avancerad forskning och utveckling. Dessutom måste de miljömässiga fördelarna med ammoniakbehandling noggrant jämföras med dess potentiella risker, såsom hantering och lagring av giftiga ämnen.

För att kunna realisera ett fullt fungerande "ammoniaksystem" krävs samarbete mellan forskare, ingenjörer och beslutsfattare för att utveckla effektiva lösningar för att producera, lagra och använda ammoniak på ett säkert och hållbart sätt. Ammoniakens roll som en energi- och vätestransportör kan därmed bli en nyckelkomponent för att minska växthusgasutsläppen och främja användningen av förnybar energi globalt.

Hur kan elektro-kemisk ammoniaksyntes och ammoniaknedbrytning bidra till en hållbar framtid?

För att övervinna dessa problem används ofta basiska elektrolyter tillsammans med anjonbytarmembran (AEM) i system för elektro-kemisk kvävefixering. Dessa elektrolyter kan minska väteutvecklingsreaktionen och främja en effektiv kvävereduktion. På motsatt sida är sura elektrolyter, som använder protonutbytesmembran (PEM), vanliga i elektro-kemisk ammoniaksyntes, eftersom de erbjuder hög ammoniakadsorptionsselektivitet. Dock leder den högre väteutvecklingsreaktionen i sura miljöer till en lägre effektivitet än i basiska miljöer. Trots detta kan sura elektrolyter vara fördelaktiga i vissa tillämpningar, beroende på de specifika kraven på reaktionsbeteende och produktkvalitet.

En annan betydande aspekt av ammoniakens roll i hållbar energiutveckling är dess användning som ett bränsle för bränsleceller. I denna kapacitet har ammoniakdekomposition, för att frigöra väte, blivit föremål för omfattande forskning. Eftersom denna process är endoterm och termodynamiskt styrd, kan ammoniak vid 450°C dekomponeras till 99% effektivitet. Men den höga kinetiska energibarriären gör att väteproduktionen är långsam, vilket kräver ytterligare forskning på effektiva katalysatorer för att öka reaktionshastigheten och minska energiåtgången. Japan och Sydkorea har varit ledande inom bränslecellsteknik, där de har utvecklat system som kombinerar ammoniaknedbrytning med bränslecellsteknologi för att skapa en koldioxidfri energikälla.

Det finns två huvudsakliga sätt att producera väte genom ammoniaknedbrytning: en katalytisk process med metaller som ruthenium och användning av avancerade membran som Pd/Ag för att separera väte effektivt. Denna metod används för att producera högpurifierat väte som sedan kan användas i bränsleceller, vilket skapar ett system för både väteproduktion och energilagring. Ett betydande hinder för teknologins breda användning är behovet av att hålla ammoniakens koncentration i väteprodukterna under 100 ppb, vilket kräver sofistikerad separationsteknologi.

Det är även viktigt att beakta den tekniska utvecklingen av nya reaktortyper, som membranreaktorer, som kontinuerligt tar bort väteprodukterna från systemet. Genom att bryta balansen i dekompositionsreaktionen kan dessa reaktorer uppnå högre ammoniakomvandling och eliminera behovet av dyra väteavskiljningstekniker. Det är dock inte bara katalysatorn som behöver förbättras utan också reaktordesignen, för att skapa ett hållbart och effektivt system.

Slutligen, i denna kontext är det av vikt att förstå att även om teknologier som elektro-kemisk ammoniaksyntes och ammoniaknedbrytning representerar enorma framsteg för en koldioxidfri framtid, så återstår många tekniska och ekonomiska hinder. Fortsatt forskning och utveckling på katalysatorer, elektrolyter och reaktorteknologier är avgörande för att dessa lösningar ska bli kommersiellt gångbara och ge en verklig påverkan på växthusgasutsläpp och global energiförsörjning.

Hur kan grön ammoniak bidra till koldioxidneutralitet och energiomställning?

Grön ammoniak representerar en lovande teknologi för att minska koldioxidutsläpp och skapa en hållbar energiframtid. Genom att använda metalliskt litium för att reducera kväve i luften till litium-nitrid och därefter reducera denna med väte från vattnets elektrolys, bildas ammoniak genom elektro-oxidativ reduktion. Denna process kan ses som ett exempel på "grön produktion", där ammoniak produceras utan stora koldioxidutsläpp, vilket gör det till en viktig del i den globala omställningen mot ren energi.

Företaget Jupiter Ionics har fått investeringar på 2,5 miljoner dollar för att kommersialisera denna metod och göra produktionen av grön ammoniak mer tillgänglig. I januari 2021 utvecklade professor Sossina Haile vid Northwestern University och SAFCell, ett kaliforniskt energibolag, en effektiv och miljövänlig metod för att omvandla ammoniak till väte. Deras system använder en unik elektrochemisk cell med en protonledande membran och ett ammoniaknedbrytande katalysator. När ammoniak bryts ner till kväve och väte, omvandlas väte omedelbart till protoner som drivs genom membranet. Detta driver reaktionen framåt och producerar rent väte, som kan användas i bränsleceller.

Vid Fuzhou University i Kina har ett forskarlag, lett av Jiang Lilong, lyckats industrialisera en ny typ av lågtemperaturkatalysatorer för nedbrytning av ammoniak. Deras arbete har lagt en solid grund för att utveckla en grön "ammoniak-väte"-industri. En viktig del av denna teknologi involverar en ammoniaknedbrytande katalysator, som effektivt kan omvandla ammoniak till väte för lagring och användning i bränsleceller. Detta gör att ammoniak inte bara kan användas som bränsle utan också som ett effektivt sätt att lagra energi.

I december 2021 lanserade den israeliska energiföretaget GenCell en ny teknologi som kan producera grön ammoniak direkt från vattenelektrolys vid extremt låga temperaturer och tryck. GenCell utvecklade en lösning baserad på nollutsläpp alkaliska batterier och ammoniak-baserad kraftgenerering, vilket ger en avbrottsfri strömförsörjning och hjälper världen att övergå från dieselkraft till ren energi. Ett lagertank fyllt med 12 ton flytande ammoniak kan tillhandahålla tillräcklig bränsle för att driva en bränslecell i 24 timmar om dygnet, 7 dagar i veckan, året runt.

Direkt ammoniakförbränning är en annan viktig metod för att utnyttja ammoniak som en energikälla. Flera internationella aktörer, som Malaysia International Shipping Corporation och Samsung Heavy Industries, har samarbetat för att utveckla ett ammoniakdrivet tankfartygsprojekt. I Japan pågår ett projekt för att genomföra blandad förbränning av ammoniak och kol i kraftverk, där ammoniakandelen förväntas öka till 50% år 2029 och 100% år 2050. Genom att modifiera gamla kolkraftverk för att använda ammoniak, kan man minska koldioxidutsläppen betydligt.

Globalt sett förväntas marknaden för grön ammoniak växa från 16 miljoner USD 2021 till 540 miljoner USD 2030, vilket innebär en årlig tillväxttakt på cirka 90%. Många företag, som BP, OCI N.V., ITM Power och Haldor Topsoe, har redan påbörjat forskning och pilotproduktion, och kommersialiseringen av grön ammoniak har börjat få fart. Denna marknad kan också komma att öka ytterligare tack vare teknologiska framsteg inom elektrolys, fastoxid-elektrolys och protonledande membran.

För Kina, som har stora utsläpp från energiproduktion och kemikalieindustri, kan ammoniak som energibärare och bränsle spela en avgörande roll i att uppnå landets mål om koldioxidneutralitet. Genom att ersätta fossila bränslen med ammoniak kan man både minska koldioxidutsläpp och samtidigt skapa ett hållbart energisystem. Detta är särskilt relevant för den globala energiomställningen, där ammoniak har potentialen att bli en hörnsten i framtidens energiutbud.

Vad är nyckelfaktorerna för att utveckla en hållbar vätgasindustri?

Vätgas, som en av de mest lovande nya energikällorna, har en enorm potential för att förändra världens energilandskap. Detta beror på dess utmärkta miljöegenskaper, höga energiinnehåll, låga produktionskostnader och framför allt, nollutsläpp av koldioxid. Vätgasens användbarhet sträcker sig över ett brett spektrum av applikationer, inklusive energilagring, elproduktion, bränsledrift för transportmedel och hushållsenergi. Därför har vätgas blivit en nyckelkomponent för att stödja den storskaliga utvecklingen av förnybar energi och främja omvandlingen av det traditionella energisystemet.

För många länder och regioner världen över är vätgasen inte bara en teoretisk lösning utan en praktisk väg till att uppnå målen för "dubbel koldioxidneutralitet", särskilt inom områden som transport, industri, elektricitet och byggsektorn. Vätgasens roll i detta sammanhang går långt bortom bara energiomställning; det är också ett strategiskt verktyg för att driva den gemensamma utvecklingen av hela industriella kedjor och stimulera ekonomisk tillväxt på global nivå.

Flera nationer har redan lagt fram konkreta planer för att utveckla vätgasindustrin. Nederländerna, till exempel, publicerade 2020 en nationell vätgasstrategi, där de planerade att bygga 50 väte-tankstationer, sätta i drift 15 000 bränslecellsfordon och 3 000 tunga fordon fram till 2025. Tyskland och Frankrike har också satsat på liknande initiativ och de europeiska unionens strategi för att uppnå koldioxidneutralitet senast 2050 innehåller starka inslag för att stödja vätebaserade lösningar.

Produktionen av vätgas är för närvarande till stor del beroende av fossila bränslen, men en växande andel kommer från förnybara källor, framför allt via elektrolys av vatten. Elektrolys anses vara en av de mest lovande gröna teknologierna för vätgasproduktion, men det finns också andra intressanta alternativ såsom biologisk vätgasproduktion och fotokatalytisk produktion.

Byggandet av vätgasstationer är en central del av infrastrukturen för en vätgasdriven framtid. Kina har satt som mål att bygga minst 1000 tankstationer fram till 2025. Samtidigt som denna infrastruktur växer, måste även utvecklingen av effektiv bränslecells- och väteförbränningsmotorer påskyndas för att möjliggöra användning av vätgas i allt från personbilar och lastbilar till flygplan och fartyg.

Vätgasens roll i framtida industriella system går långt bortom att vara en enkel bränslekälla. Den kommer att vara central för processer som energilagring, där den fungerar som en långsiktig lösning för att lagra överskottsenergi från förnybara källor som sol och vind. Genom att omvandla överskottsenergi till vätgas och lagra den för senare användning kan vi minska beroendet av traditionella energikällor, särskilt under perioder med låg efterfrågan på el eller när förnybar energi inte är tillräcklig för att möta efterfrågan.

För att detta ska bli verklighet krävs det en samordnad global insats, där länder, företag och forskare arbetar tillsammans för att övervinna de tekniska och ekonomiska utmaningarna. Detta innefattar investeringar i forskning och utveckling, men också att skapa en rättslig och politisk ram för att stödja innovationer och investeringar inom väteenergi.