Die Zukunft der Ammoniakproduktion liegt in der Elektrochemie

Ammoniak ist das weltweit am häufigsten verwendete stickstoffbasierte Düngemittel in der Landwirtschaft. Aufgrund des exponentiellen Wachstums der Weltbevölkerung in den letzten 140 Jahren steigt die Nachfrage nach Ammoniak weiter an. Neben seinem Wert für die Landwirtschaft wird Ammoniak auch in der Wasserstoffwirtschaft wegen seines Potenzials als praktikabler Wasserstoffträger für den sicheren Transport grosser Mengen über grosse Entfernungen und über lange Zeiträume berücksichtigt. Bei der herkömmlichen Ammoniakherstellung werden jedoch fossile Brennstoffe wie Methan als Quelle für den für die Reaktion benötigten Wasserstoff verwendet. Die Nutzung dieser Wasserstoffquelle ist für 1,5-2 % der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich, eine Technologie, die umgangssprachlich als "grau" bezeichnet wird. Die elektrochemische Synthese von Ammoniak unter Verwendung von Strom aus erneuerbaren Quellen wird gemeinhin als "grüner Ammoniak" bezeichnet Energien und stellt eine interessante Alternative ohne Kohlenstoffemissionen dar.

Swan-H, ein Ende 2021 gegründetes Start-up-Unternehmen, trägt zur Dekarbonisierung der Ammoniakproduktion bei, indem es frei verfügbaren Stickstoff aus der Atmosphäre bindet. Sie arbeiten aktiv an einem einzigartigen Stickstoffaktivierungsverfahren, das gemeinsam mit der Universität Toulouse und dem französischen Forschungsrat (CNRS) patentiert wurde. Um mehr über die grüne Ammoniakproduktion und das Verfahren zu erfahren, das das Swan-H-Team entwickelt, haben wir Dr. Augustin De Bettignies (externer Kommunikator, CCO - Chief Commercial Officer), Dancheng Legrand (Laborleiterin) und Nicolas Mézailles (Forschungsleiter, CSO - Chief Science Officer) interviewt.

Augustin, Swan-H ist ein Unternehmen, das sich mit der neuartigen Produktion von Ammoniak beschäftigt. Können Sie Ihr Team und seine Aufgaben kurz vorstellen?

Das Swan-H-Team ist eine achtköpfige internationale Gruppe, die sich aus vier Gründer:innen und vier Forscher:innen zusammensetzt. Zu dieser Gruppe von Experten gehören Dr. Nicolas Mézailles - Gründer des Unternehmens und Leiter der Forschung, der unternehmerische Chemiker Dr. Steve van Zutphen als CEO, Dr. Willem Schipper, der als CTO für die Industrialisierung zuständig ist, und ich (Dr. Augustin De Bettignies) als Geschäftspartner.

Der von Swan-H entwickelte Syntheseweg soll nachhaltiger sein, doch worin genau unterscheidet er sich von anderen Arten der Ammoniakproduktion?

Die Reaktion zwischen N₂ und H₂ zur Erzeugung von NH₃ ist eine besonders schwierige Reaktion. Das bekannte Haber-Bosch-Verfahren hat sich seit Anfang des 20. Jahrhunderts als industrielles Standardverfahren für die Ammoniakproduktion durchgesetzt. Dieses Verfahren ermöglicht die Ammoniakproduktion nur unter sehr harschen Bedingungen mit hohen Temperaturen (400 °C) und hohem Druck (>100 bar) und erfordert ausserdem die Verwendung eines heterogenen Katalysators [1]. Darüber hinaus werden die Wasserstoffmoleküle, die in diesem Prozess verwendet werden, durch Methandampfreformierung (MSR) erzeugt [2].

Erfahren Sie mehr über die Entwicklung des Haber-Bosch-Verfahrens in unserem Blogbeitrag.

A History of Chemistry - Part 4

Um den Kohlenstoff-Fussabdruck dieser Reaktion zu verringern, verwenden einige Ammoniakhersteller jetzt H₂, das durch eine Wasserspaltungsreaktion in einem Elektrolyseur erzeugt wird. Das Ergebnis dieses modernisierten Haber-Bosch-Verfahrens ist als "grünes Ammoniak" bekannt. Dieses Verfahren erfordert jedoch nach wie vor hohe Temperaturen und Druck sowie einen Katalysator zur Synthese von NH₃. Es ist auch deutlich weniger kompatibel mit der schwankenden Energieproduktion von Wind- und Solarkraftwerken, da die hohe Temperatur und der hohe Druck aufrechterhalten werden müssen, um den Prozess ständig zu betreiben.

Philosophisch gesehen hat Swan-H eine andere Denkweise als die Haber-Bosch-Industrie. Unser Prozess wird bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck durchgeführt, wodurch der Energieaufwand für die Ammoniakproduktion, der derzeit 1,5-2 % des weltweiten Energieverbrauchs ausmacht, erheblich reduziert wird. Unsere Strategie beruht auf der Erzeugung sorgfältig entwickelter Radikale, die in einem schrittweisen Mechanismus mit dem Stickstoffmolekül reagieren, anstatt es mit "roher Gewalt" (hohe Temperatur und Druck) mit Hilfe des Katalysators zu spalten.

Bei der Swan-H-Methode wird Wasser als Wasserstoffquelle anstelle von kohlenstoffbasierten Materialien verwendet. Dies führt zu einem Prozess, der weniger Energie benötigt, unabhängig von der Elektrodenoberfläche ist und einen minimalen Kohlenstoff-Fußabdruck hat. "Elektrodenoberflächenunabhängig" bezieht sich auf die Tatsache, dass die Stickstoffaktivierung in Lösung erfolgt, was neben den bereits erwähnten Vorteilen auch Vorteile für das anschliessende Scale-up mit sich bringt. Damit unterscheidet sich das Swan-H-Verfahren von anderen Verfahren, die N₂-Aktivierung und -Reduktion auf derselben Oberfläche kombinieren.


Erfahren Sie mehr über die Herstellung von sauberem ("grünem") Wasserstoff aus Wasser durch Elektrolyse in unseren Blogbeiträgen.

Grüner Wasserstoff, der Treibstoff der Zukunft: Mit Potentiostaten neue Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion entwickeln

Erzeugung von grünem Wasserstoff: Eine interdisziplinäre Herausforderung, die in der Elektrochemie verwurzelt ist

Die Technologie, die Ihr Forschungsteam entwickelt, findet in einem Elektrolyseur statt, der mit einem konstanten Potential/Strom betrieben wird. Können Sie den elektrochemischen Schritt, der am negativen Terminal oder kathodischen Raum stattfindet, etwas genauer beschreiben?

Die Einzigartigkeit der Swan-H-Technologie besteht darin, dass der Stickstoff nicht an der Elektrodenoberfläche aktiviert wird, sondern dass ein Mediator aktiviert wird, der dann mit dem Stickstoff reagiert. Dadurch kann der Stickstoffaktivierungsprozess im gesamten Lösungsvolumen stattfinden und ist nicht durch die Oberfläche der Elektrode begrenzt. Auf diese Weise wird ein chemischer Vermittler elektrochemisch aktiviert, der zu einer hochenergetischen radikalen Spezies wird. Diese radikalische Spezies kann mit den im Elektrolyten gelösten N₂-Molekülen chemisch reagieren. In einem weiteren Schritt reagiert das Amin (stickstoffhaltiges Derivat) mit einer Wasserstoffquelle (z. B. Wasser), wodurch der gesamte Prozess zu einem hybriden Reaktionstyp (elektrochemisch/chemisch) wird. Durch die Kombination beider Schritte werden die wichtigsten Eigenschaften der einzelnen Vorgänge genutzt, wodurch das Gesamtpotenzial der Ammoniakproduktion maximiert wird.

Ein Reaktorprototyp, der auf dem hybriden Reaktionsverfahren basiert, wurde entworfen und getestet. Wie ist sein aktueller Stand?

Unser Prototyp der ersten Version funktioniert derzeit in Chargen mit einer Produktion von Milligramm auf TRL 4 (Technology Radiness Level 4). Er ermöglicht normalisierte Diskussionen in verschiedenen Bereichen und technologischen Sektoren auf sichere Art und Weise.

Wir sammeln Daten, um die Energiemenge zu quantifizieren, die pro erzeugter Ammoniakeinheit benötigt wird, wenn VIONIC eingesetzt wird. Bis Ende des Jahres soll dieser Prototyp zu einer autonomeren und kontinuierlichen Fertigung mit höherer Produktivität weiterentwickelt werden und TRL 5 erreichen.

Sie haben zwei Hauptanwendungsbereiche für Ammoniak genannt: Düngemittel und Wasserstofftechnologie. Welche Organisationen und Institutionen werden von dem Swan-H-Verfahren besonders profitieren?

Weltweit gibt es nur etwa 100-120 Ammoniakproduktionsanlagen, was bedeutet, dass es sich um eine sehr zentralisierte Produktion von insgesamt etwa 200 Millionen Tonnen/Jahr handelt. Dies schafft eine starke Abhängigkeit von diesen Produktionsanlagen. Die Ammoniakhersteller suchen nach Möglichkeiten, den Produktionszyklus umweltfreundlicher zu gestalten, indem sie mit einer Wasserstoffquelle arbeiten, die mit lokal verfügbarem erneuerbarem Strom erzeugt wird, vorzugsweise mit Verfahren, die keine großen Anlagen erfordern.

Wir haben die Produktion von Anlagen unterschiedlicher Grösse auf der Grundlage der Swan-H-Technologie auf regionaler Ebene ins Auge gefasst, um die Ammoniakproduktion zu dezentralisieren und die lokale Wirtschaft zu stärken. Dies schliesst Unternehmen - und sogar Länder - ein, die sich von ausländischen Erdgasquellen unabhängig machen wollen. Darüber hinaus ist es unsere Vision, Anlagen bereitstellen zu können, die eingeschaltet werden können, NH₃ produzieren, wenn überschüssige Energie verfügbar ist, und dann wieder ausgeschaltet werden können. Auf diese Weise eingesetzt, dient Ammoniak als Energiespeicher mit hohem Wasserstoffanteil.

Wie sind Ihre Erfahrungen als Anwender von VIONIC powered by INTELLO, mit Metrohm Autolab im Allgemeinen und welche Funktionen von VIONIC bringen Ihre Forschung voran?

Das Swan-H-Team hatte eine sehr angenehme Interaktion mit dem lokalen Support von Metrohm Autolab in Frankreich und wir haben gerne gemeinsam an der Software gearbeitet. Die INTELLO-Oberfläche ist sehr benutzerfreundlich und eine ziemlich leistungsstarke Software, was die Anzahl der Analysen auf demselben Bildschirm angeht. Hervorzuheben ist die Zugänglichkeit und Darstellung von Plots in Echtzeit.

In Anbetracht der Fähigkeiten von VIONIC - wir erwarten einen hohen Lösungswiderstand unter den Forschungsbedingungen, und dieses Gerät kann mit hohen Spannungen und Compliance-Anforderungen umgehen - haben wir uns für Metrohm Autolab und VIONIC entschieden. Das Team schätzte auch die "Untethering"-Funktion von INTELLO, da sie ihre Computer während mehrstündiger Messungen vom VIONIC trennen und für die Datenwiederherstellung wieder anschliessen können, anstatt alle Ressourcen dem Experiment zu widmen.

Zusammenfassung

Der Übergang zu einem nachhaltigeren Ammoniakproduktionsverfahren ist in greifbare Nähe gerückt, bei dem die Stickstoffaktivierung über gekoppelte elektrochemisch-chemische Reaktionen erfolgt. Die von Swan-H entwickelte Produktionsmethode ist eine kostengünstigere, sicherere und umweltfreundlichere Option im Vergleich zum traditionellen Haber-Bosch-Verfahren.

Darüber hinaus nutzt das von der Swan-H-Gruppe entwickelte Hybridverfahren radikalische Mediatoren, um Stickstoff zu aktivieren und es nach der Wasserstoff-Aufnahme als Ammoniak freizusetzen. Elektrochemische Messgeräte mit Spezifikationen und Funktionen, die auf die Bedürfnisse der Anwendung abgestimmt sind, wie VIONIC powered by INTELLO, spielen eine wichtige Rolle bei der Entdeckung und Optimierung des revolutionären "grüneren" Ammoniakprozesses.

Kontaktieren Sie Ihren lokalen Metrohm-Vertriebspartner für eine kostenlose Vorführung von VIONIC powered by INTELLO.

Referenzen

[1] Haber-Bosch process. Britannica. https://www.britannica.com/technology/Haber-Bosch-process (Zugriff 11.05.2023).

[2]  Methane Steam Reforming - an overview. ScienceDirect Topics. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/methane-steam-reforming (Zugriff 11.05.2023).

Ihr Wissen zum Mitnehmen

VIONIC powered by INTELLO – Die Zukunft der Elektrochemie ist rein. VIONIC: ein Instrument, pure Entdeckung.

Video: Effizienz pur: VIONIC powered by INTELLO

Broschüre: VIONIC powered by INTELLO

Broschüre: VIONIC powered by INTELLO – vollständige Spezifikationen