Przyszłością produkcji amoniaku jest elektrochemia

Amoniak jest najpopularniejszym i najczęściej stosowanym na świecie nawozem azotowym w sektorze rolniczym. Ze względu na gwałtowny wzrost liczby ludności na świecie, w ciągu ostatnich 140 lat, zapotrzebowanie na amoniak stale rośnie. Oprócz zastosowania w rolnictwie, amoniak zyskał również znaczną uwagę w gospodarce wodorowej ze względu na jego potencjał jako opłacalny nośnik wodoru, umożliwiający bezpieczny transport na duże odległości i okresy w dużych ilościach. Jednak tradycyjna produkcja amoniaku wykorzystuje paliwa kopalne, takie jak metan, jako źródło wodoru potrzebnego do reakcji. Wykorzystanie tego źródła wodoru powoduje, że odpowiada ono za emisję 1,5–2% światowego CO₂, dlatego technologia ta potocznie określana jest jako „szara”. Nazywany potocznie „zielonym amoniakiem”, elektrochemicznie syntetyzowany amoniak z wykorzystaniem energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych jest interesującą, zeroemisyjną alternatywą. 

Swan-H, start-up założony pod koniec 2021 roku, przyczynia się do dekarbonizacji produkcji amoniaku poprzez wiązanie swobodnie dostępnego azotu z atmosfery. Wspólnie z Uniwersytetem w Tuluzie i Francuską Radą ds. Badań Naukowych (CNRS) aktywnie pracują nad unikalnym, opatentowanym procesem aktywacji azotu. Aby dowiedzieć się więcej o produkcji zielonego amoniaku i procesie rozwijanym przez zespół Swan-H, przeprowadziliśmy wywiady z dr. Augustinem De Bettignies (CCO – dyrektorem handlowym), Danchengiem Legrand (kierownikiem laboratorium) i Nicolasem Mézailles (dyrektorem ds. badań).

Swan-H to firma zajmująca się nowym sposobem produkcji amoniaku. Augustin, czy możesz przedstawić swój zespół i ich role?

Zespół Swan-H to ośmioosobowa międzynarodowa grupa składająca się z czterech założycieli i czterech badaczy. W skład tego grona ekspertów wchodzi dr Nicolas Mézailles – założyciel firmy i szef działu badań, przedsiębiorczy chemik dr Steve van Zutphen jako dyrektor generalny, dr Willem Schipper pełniący funkcję CTO odpowiedzialny za industrializację oraz ja - dr Augustin De Bettignies.

Mówi się, że ścieżka syntezy wynaleziona przez Swan-H jest bardziej zrównoważona. Tak więc czym dokładnie różni się od innych rodzajów produkcji amoniaku?

Reakcja między N₂ i H₂ do produkcji NH₃ jest szczególnie trudna. Dobrze znany proces Habera-Boscha był szeroko stosowany jako standardowa procedura przemysłowa do produkcji amoniaku od początku XX wieku. Ten uprzemysłowiony proces umożliwia produkcję amoniaku tylko w bardzo wymagających warunkach, to znaczy w podwyższonej temperaturze (400°C) i ciśnieniu (>100 bar), a także wymaga zastosowania katalizatora heterogenicznego [1]. Ponadto cząsteczki wodoru wykorzystywane w procesie powstają w wyniku reformingu parowego metanu (MSR) [2].

Dowiedz się więcej o rozwoju procesu Haber-Bosch z naszego wpisu na blogu.

Historia chemii – część 4

Aby zmniejszyć ślad węglowy tej reakcji, niektórzy producenci amoniaku wykorzystują obecnie H₂ powstający w wyniku reakcji rozszczepienia wody w elektrolizerze. Wynik tego zmodernizowanego procesu Habera-Boscha jest znany jako „zielony amoniak”. Jednak proces ten nadal wymaga wysokich temperatur i ciśnień oraz katalizatora do syntezy NH₃. Jest również wyraźnie mniej kompatybilny z przerywaną produkcją energii z farm wiatrowych i słonecznych, ponieważ wysoka temperatura i ciśnienie muszą być utrzymywane, aby proces mógł przebiegać przez cały czas.

Filozoficznie, Swan-H ma inny sposób myślenia niż przemysł Haber-Bosch. Nasz proces odbywa się w temperaturze pokojowej I ciśnienieniu atmosferycznym, znacznie zmniejszając wymagany nakład energetyczny do produkcji amoniaku, który obecnie stanowi 1,5–2% światowego zużycia energii. Nasza strategia opiera się na generowaniu starannie zaprojektowanych rodników, które reagują w mechanizmie stopniowo z cząsteczką azotu, zamiast używania „brutalnej siły” (wysokiej temperatury i ciśnienia) do jej rozszczepienia za pomocą katalizatora.

Metoda Swan-H wykorzystuje również wodę jako źródło wodoru zamiast materiałów na bazie węgla. Powoduje to proces, który jest mniej energochłonny, niezależny od powierzchni elektrody, i ma minimalny ślad węglowy. „Niezależny od powierzchni elektrody” odnosi się do faktu, że aktywacja azotem zachodzi w roztworze i oprócz wyżej wymienionych korzyści ma zalety dla późniejszego zwiększania skali. To odróżnia proces Swan-H od innych, które łączą aktywację i redukcję N₂ na tej samej powierzchni.

Dowiedz się więcej o produkcji czystego („zielonego”) wodoru z wody poprzez elektrolizę z naszych wpisów na blogu.

Zielony wodór, paliwo przyszłości: wykorzystanie potencjostatów do opracowania nowych katalizatorów do produkcji wodoru

Wytwarzanie zielonego wodoru: interdyscyplinarne wyzwanie zakorzenione w elektrochemii

Technologia, nad którą pracuje Twój zespół badawczy, odbywa się w elektrolizerze zasilanym stałym potencjałem/prądem. Czy możesz nieco bardziej szczegółowo opisać krok elektrochemiczny występujący na ujemnym zacisku lub komorze katodowej?

Wyjątkowość technologii Swan-H nie polega na możliwości aktywowania azotu na powierzchni elektrody, ale raczej aktywowaniu rodnika, który następnie reaguje z azotem. Dzięki temu, proces aktywacji azotu przebiega w całej objętości roztworu i nie jest ograniczony powierzchnią elektrody. W ten sposób elektrochemicznie aktywujemy mediator chemiczny, który staje się rodnikiem o wysokiej energii. Ta cząsteczka potrafi reagować chemicznie z cząsteczką N₂  rozpuszczoną w elektrolicie. W kolejnym etapie, produkt w postaci aminy (pochodnej zawierającej azot) reaguje ze źródłem wodoru (np. wodą), zmieniając cały proces w reakcję typu hybrydowego (elektrochemiczno-chemicznego). Jest to połączenie obu etapów, które wykorzystuje główne właściwości poszczególnych zdarzeń, maksymalizując ogólny potencjał produkcji amoniaku.

Zaprojektowano i przetestowano prototyp reaktora oparty na procesie reakcji hybrydowej. Jaki jest jego aktualny stan?

Nasz prototyp pierwszej wersji działa obecnie w partiach z produkcją w skali miligramów na TRL 4 (Poziom gotowości technologicznej 4). Umożliwia znormalizowane dyskusje w różnych dziedzinach i sektorach technologicznych w bezpieczny sposób.

Gromadzimy dane w celu ilościowego określenia ilości energii potrzebnej na jednostkę amoniaku wytworzonego za pomocą VIONIC zasilany przez INTELLO. Do końca roku ten prototyp powinien przekształcić się w bardziej autonomiczną i ciągłą produkcję z wyższą wydajnością sięgającą TRL 5.

Wspomniałeś o dwóch głównych sektorach zastosowań amoniaku: nawozach i technologii wodorowej. Jakie konkretne organizacje i instytucje odniosą korzyści z procesu Swan-H?

Na całym świecie istnieje tylko około 100–120 zakładów produkujących amoniak, co oznacza, że jest to bardzo scentralizowana produkcja o łącznej wartości około 200 milionów ton rocznie. Powoduje to silną zależność od tych zakładów produkcyjnych. Producenci amoniaku szukają sposobów na uczynienie cyklu produkcyjnego bardziej ekologicznym, pracując ze źródłem wodoru wytwarzanym z lokalnie dostępnej energii odnawialnej, najlepiej w procesach, które nie wymagają ogromnych instalacji.

Przewidywaliśmy produkcję jednostek różnej wielkości w oparciu o technologię Swan-H na poziomie regionalnym, decentralizującą produkcję amoniaku i wzmacniającą lokalne gospodarki. Obejmuje to firmy — a nawet kraje — które chcą uniezależnić się od zagranicznych źródeł gazu ziemnego. Ponadto naszą wizją jest dostarczanie sprzętu, który można włączyć, produkować NH₃ gdy dostępna jest nadwyżka energii, a następnie ponownie wyłączyć. Tak zastosowany amoniak będzie służył jako magazyn energii o podwyższonej zawartości wodoru.

Jako użytkownik VIONIC'a sterowanego przez INTELLO, jakie są Twoje ogólne doświadczenia z Metrohm Autolab i jakie funkcje VIONIC posuwają naprzód Twoje badania?

Zespół Swan-H miał najbardziej przyjemną interakcję z lokalnym wsparciem Metrohm Autolab we Francji i podobała nam się wspólna praca nad oprogramowaniem. Interfejs INTELLO jest bardzo wygodny w użyciu i jest dość potężnym oprogramowaniem pod względem liczby analiz na tym samym ekranie. Na szczególną uwagę zasługują możłiwości obserwacji przebiegu reakcji i widoczności w czasie rzeczywistym.

Instrument TEN może poradzić sobie z wysokimi napięciami i potrzebami zgodności, co skłoniło nas do wyboru Metrohm Autolab i VIONIC. Zespół docenił również funkcję odłączania INTELLO, ponieważ może zwolnić swoje komputery VIONIC podczas kilkugodzinnych pomiarów i ponownie podłącz je w celu odzyskania danych, zamiast poświęcać całe zasoby na eksperyment.

Streszczenie

Przejście na bardziej zrównoważony proces produkcji amoniaku jest w zasięgu ręki, wykorzystując aktywację azotu poprzez sprzężone reakcje elektrochemiczno-chemiczne. Metoda produkcji opracowywana przez Swan-H jest tańszą, bezpieczniejszą i bardziej przyjazną dla środowiska opcją w porównaniu z tradycyjną procedurą Habera-Boscha.

Ponadto proces hybrydowy wynaleziony przez grupę Swan-H wykorzystuje radykalne mediatory do aktywacji N₂ i przekształceniu go w NH₃ po  rekacji z H₂. Oprzyrządowanie elektrochemiczne o specyfikacjach i funkcjach odpowiadających potrzebom aplikacji, takie jak VIONIC powered by INTELLO, odgrywa ważną rolę w odkrywaniu i optymalizacji rewolucyjnego „bardziej ekologicznego” procesu amoniaku.

Skontaktuj się z lokalnym dystrybutorem Metrohm, aby uzyskać bezpłatna demonstracja VIONIC powered by INTELLO.

Bibliografia

[1] Proces Habera-Boscha. Britannica. https://www.britannica.com/technology/Haber-Bosch-process (dostęp 2023-05-11).

[2] Reformowanie pary metanu – przegląd. Tematy ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/methane-steam-reforming (dostęp 2023-05-11).

Twoja wiedza na wynos

VIONIC powered by INTELLO – Przyszłość elektrochemii jest czysta. VIONIC: jeden instrument, czyste odkrycie (ang. wersja językowa)

Wideo: Czysta wydajność: VIONIC zasilany przez INTELLO (ang. wersja językowa)

Broszura: VIONIC zasilany przez INTELLO (ang. wersja językowa)

Broszura: VIONIC zasilany przez INTELLO - pełna specyfikacja (ang. wersja językowa)