Bærekraft gjennom grønn ammoniakkproduksjon

Ammoniakk er en forbindelse som består av nitrogen og hydrogen, og som er avgjørende for en rekke hverdagslige bruksområder i den moderne verden. Først og fremst spiller ammoniakk en avgjørende rolle i matproduksjonen som den primære nitrogenkilden i kunstgjødsel, noe som gjør det mulig å produsere nok mat til den voksende verdensbefolkningen.

I tillegg til i landbruket brukes ammoniakk i stor utstrekning i flere industrielle prosesser, blant annet:

• Kjemisk produksjon, som utgangspunkt for ulike produkter, blant annet plast, fibre, fargestoffer og eksplosiver.
• Farmasøytisk produksjon, som utgangsmateriale for ulike aktive farmasøytiske ingredienser og for å kontrollere pH-verdien.
• HVAC, som kjølemiddel på grunn av de effektive varmeoverføringsegenskapene.
• Næringsmiddelindustrien, som tilsetningsstoff og konserveringsmiddel.
• Vannbehandling, for å rense vannforsyninger ved å danne kloraminer, som bidrar til å lette organisk desinfeksjon.
• Rengjøringsprodukter, som en viktig ingrediens i mange husholdningsmidler på grunn av sine avfettende og desinfiserende egenskaper.
• I tekstilproduksjon, der ammoniakk brukes i etterbehandlingsprosessen for å gjøre tekstilene glattere og gi dem bedre fargeaffinitet.

Selv om ammoniakk er et uvurderlig kjemikalie i mange bransjer, har konvensjonelle produksjonsmetoder for ammoniakk miljøkonsekvenser, noe som gjør det viktig å utforske grønnere alternativer.

Ammoniakk produseres først og fremst ved hjelp av Haber-Bosch-prosessen, der nitrogen kombineres med hydrogen ved høyt trykk og høy temperatur i nærvær av en katalysator.

Trinnene inkluderer:

• Nitrogenekstraksjon: Nitrogen (N₂) utvinnes fra luften ved hjelp av en luftseparasjonsenhet gjennom en prosess med flytendegjøring og destillasjon. Alternativt kan man bruke trykksvingningsadsorpsjon, der man bruker spesialiserte adsorbentmaterialer for å fange opp nitrogenmolekyler selektivt.
• Hydrogenproduksjon: Hydrogen (H₂) produseres vanligvis ved hjelp av dampmetan eller autotermisk reformering.
• Syntese av ammoniakk: De rensede nitrogen- og hydrogengassene blandes og føres over en katalysator - vanligvis jern - ved høyt trykk (> 200 atm/2 940 psi) og høy temperatur (> 450 °C/842 °F), slik at det dannes noe elementært nitrogen og hydrogen, som til sammen danner ammoniakk (NH₃).
• Ammoniakk, resthydrogen og nitrogenkjøling: Gassene forlater reaktoren ved en temperatur > 450 °C/842 °F, og de kjøles ned av en varmeveksler som også fungerer som en spillvarmekjel. Dette produserer overopphetet damp, som deretter brukes i en kraftproduksjonsenhet.
• Seperasjon av ammoniakk: Gassblandingen kjøles ned til ca. -40 °C, slik at ammoniakken kondenserer og kan skilles fra ureagerte nitrogen- og hydrogengasser på grunn av sitt høyere kokepunkt. Disse gassene resirkuleres tilbake i prosessen for å fullføre reaksjonen.

Den samlede prosessen er representert som: N₂ + 3H₂ ↔ 2NH3

The Haber-Bosch metoden er energikrevende og produksjonsprosessene for brunt, svart og grått hydrogen bidrar til utslipp av klimagasser (GHG). Denne miljøpåvirkningen har ført til at man foretrekker grønt hydrogen fra bærekraftige kilder, og at nitrogenproduksjonen drives med fornybar energi.

Produksjonen av hydrogen som brukes til å lage ammoniakk, står for omtrent 1.8 % av de gloabe CO2-utslippene, et tall som kan sammenlignes med hele luftfartsindustrien. Som svar på disse miljøproblemene har konseptet «grønn ammoniakk» som mål å redusere ammoniakkproduksjonens karbonavtrykk betraktelig ved å utvinne de inngående gassene gjennom prosesser med netto nullutslipp, drevet av fornybare energikilder.

Råvarene til grønn ammoniakkproduksjon består av tre enkle behov: luft, vann og fornybar energi til å drive de ulike prosessene.

Ved hjelp av kryogen destillasjon eller trykksvingningsadsorpsjon (PSA) utvinner luftseparasjonsenheter nitrogen fra atmosfæren. Kryogen destillasjon fungerer ved at luft kjøles ned til ekstremt lave temperaturer, slik at de ulike gassene skilles fra hverandre - inkludert nitrogen, som er nødvendig for ammoniakkproduksjon - basert på deres ulike kokepunkter. Alternativt kan man bruke trykksvingadsorpsjon, der man bruker spesialiserte adsorbentmaterialer til selektivt å fange opp nitrogenmolekyler.

Den primære betegnelsen på grønn ammoniakk er bruken av grønt hydrogen, som produseres ved hjelp av fornybar vannelektrolyse, noe som gir null utslipp. Denne prosessen innebærer at vannmolekyler spaltes i hydrogen- og oksygenatomer, slik at hydrogengass kan brukes som råstoff i ammoniakksyntesen, og ufarlig oksygen slippes ut i luften. Elektrolysen foregår hovedsakelig ved hjelp av enten alkaliske elektrolysører - en moden og velprøvd teknologi - eller PEM-elektrolysører (protonutvekslingsmembran), som er kjent for å ha høyere effektivitet og raskere responstid, men som også er dyrere.

Nitrogenet og hydrogenet omsettes deretter i henhold til Haber-Bosch-prosessen, men med et redusert karbonavtrykk. Alle prosessene i prosessen må drives av fornybar energi for at den resulterende ammoniakken skal kunne klassifiseres som «grønn».

Ammoniakk kan også spaltes til hydrogen gjennom ammoniakkspalting, selv om denne reaksjonen er ganske energikrevende og krever en varme på 600 °C/1 112 °F i nærvær av en katalysator. Denne prosessen brukes i en del anvendelser som krever hydrogen, fordi ammoniakk er lettere å håndtere og lagre i bulk enn rent hydrogen.

Som med mange andre lavkarbonprosesser er det utfordringer knyttet til infrastrukturbegrensninger og høye produksjonskostnader når det gjelder oppskalering av produksjonen av grønn ammoniakk. For det første har sektoren for fornybar energi - selv om den vokser raskt - ennå ikke nådd samme nivå av nettintegrasjon og energilagring som konvensjonelle systemer, noe som er nødvendig for å møte etterspørselen etter industri- og forbrukerprodukter. På samme måte krever elektrolysører for grønn hydrogenproduksjon fortsatt betydelige investeringer for å kunne skaleres opp.

Men etter hvert som bærekraftige teknologier modnes og stordriftsfordelene realiseres, vil grønn ammoniakkproduksjon bli stadig mer konkurransedyktig på kostnadssiden. Kostnadene for fornybar energi har gått ned de siste årene, og denne trenden forventes å fortsette, noe som vil gjøre grønn hydrogen- og nitrogenproduksjon mer økonomisk oppnåelig.

Ammoniakk testes også som en karbonfri energibærer - og til og med for direkte forbrenning i enkelte bruksområder - noe som bidrar til å løse utfordringene med ustabiliteten i sol- og vindkraft. I tillegg har den høye energitettheten ført til at ammoniakk har blitt utforsket som drivstoff for skipsfart og langdistansetransport, som tradisjonelt er svært karbonintensive bruksområder.

Uavhengig av verdien er ammoniakk et farlig kjemikalie som må håndteres med forsiktighet. Innånding av bare 0,5 % ammoniakk-konsentrert luft kan være dødelig for mennesker. Ammoniakk er et svært etsende og giftig stoff som krever strenge sikkerhetsprotokoller under produksjon, transport og bruk.

I tillegg til standard personlig verneutstyr og omfattende opplæring av de ansatte, bidrar lekkasjedeteksjonssystemer til å redusere faren i tilfelle et uplanlagt brudd på inneslutningen. Disse systemene består av elektrokjemiske gassdetektorer, trykktransmittere og andre avanserte sikkerhetsinstrumenter og -komponenter.

Luftseperasjonsenheter som brukes til å trekke ut nitrogen fra luften for ammoniakkproduksjon, er dessuten avhengige av instrumenter som TDLAS-analysatorer for renhetsanalyse og trykksensorer for prosesskontroll. I vannelektrolyseprosessen overvåker konduktivitetssensorer elektrolyttkvaliteten, noe som sikrer optimal ytelse og lang levetid for elektrolysatoren, mens strømningsmålere bidrar til å regulere hydrogen- og oksygenproduksjonen.

Ammoniakksyntese-loopen er avhengig av et bredt utvalg av instrumenter - inkludert temperatursensorer, trykktransmittere og gassanalysatorer - for å optimalisere reaksjonsforholdene og sikre produktkvaliteten. Disse instrumentene gir kontinuerlige data for både sanntidskontroll og historisk analyse, slik at personalet kan optimalisere prosessen og maksimere effektiviteten, samtidig som de opprettholder trygge driftsforhold.

Ammoniakk-knusing krever massestrømningsmålere for presis gasstilførsel og optimale reaksjonshastigheter, termoelementer for nøyaktig temperaturmåling og gassanalysatorer for å overvåke sammensetningen av hydrogenstrømmen for å sikre renhet.

Selv om ammoniakk er utrolig verdifull i en rekke industriprosesser som forbrukerne ofte tar for gitt, er det fortsatt hindringer i veien for en utstrakt bruk av grønn ammoniakk. Infrastrukturen for fornybar energi og elektrolyse er fortsatt begrenset, og investeringskostnadene er høye. I tillegg krever sikker transport og lagring av ammoniakk nøye overveielser på grunn av dens farlige natur, selv om det finnes godkjente metoder.

Den primære fordelen med grønn ammoniakk er at ammoniakkproduksjonen ikke lenger er avhengig av fossilt brensel, noe som reduserer klimagassutslippene. Derfor har både myndigheter og industri fått øynene opp for dette produktet, og disse interessentene innlemmer det strategisk i sine bærekraftsplaner. Det gir en mulighet til å redusere gjødselindustriens karbonavtrykk og de utallige andre sektorene som er svært avhengige av ammoniakk.

Videre forskning og utvikling, sammen med fortsatt innovasjon innen produksjons- og utnyttelse av teknologi, vil være avgjørende for at grønn ammoniakk skal bli tatt i bruk i stor skala, ettersom verden streber etter å oppnå netto nullutslipp innen midten av dette århundret.