Fremme af bæredygtighed gennem produktion af grøn ammoniak

Ammoniak er en sammensætning bestående udelukkende af nitrogen og brint og er vigtig for flere almindelige anvendelser i den moderne verden. Vigtigst af alt spiller den en vigtig rolle inden for fødevareproduktion som den primære nitrogenkilde for gødning, der sætter landbruget i stand til at forsyne den voksende globale befolkning med mad.

Ud over landbrug anvendes ammoniak i vid udstrækning i flere industrielle procesapplikationer, herunder:

• Produktion af kemikalier, der skaber et grundlag for forskellige produkter, herunder plast, fibre, farvestoffer og eksplosiver.
• Produktion af lægemidler, som udgangsmateriale for forskellige virksomme lægemiddelbestanddele og til at styre pH.
• HVAC, som kølemiddel på grund af dens effektive varmeoverførselsegenskaber.
• Fødevareindustrien, som tilsætnings- og konserveringsmiddel.
• Vandbehandling, til rensning af vand ved at skabe kloraminer, som hjælper med at udføre organisk desinfektion.
• Rengøringsprodukter, som en nøgleingrediens i mange husholdningsmidler på grund af dens affedtnings- og desinfektionsegenskaber.
• Tekstilproduktion, anvendt under finbearbejdningen for at forbedre stoffets blødhed og farveoptagelsesevnen.

Selv om ammoniak er en uvurderlig kemisk komponent i mange industrier, har traditionelle ammoniakproduktionsmetoder en indvirkning på miljøet, som fremmer undersøgelsen af grønnere alternativer.

Ammoniak produceres primært ved hjælp af Haber-Bosch-processen, hvor nitrogen kombineres med brint under højt tryk og høje temperaturer ved tilstedeværelse af en katalysator.

Trinnene omfatter:

• Nitrogen-ekstraktion: Nitrogen (N₂) ekstraheres fra luften ved hjælp af en luftseparator gennem en fortætnings- og destillationsproces. Alternativt anvender adsorption af trykudsving (PSA) specielle adsorptionsmaterialer til selektivt at fange nitrogenmolekyler.
• Brintproduktion: Brinttilførslen (H₂) sker sædvanligvis via damp-reforming af metan (SMR) eller autotermisk reforming (ATR).
• Ammoniaksyntese: De rensede nitrogen- og brintgasser blandes og passerer hen over en katalysator - typisk jern - ved højt tryk (> 200 atm/2.940 psi) og høj temperatur (> 450 °C/842 °F), så der skabes elementær nitrogen og brint, som indgår i en kemisk forbindelse for at danne ammoniak (NH₃).
• Køling af ammoniak og restbrint og -nitrogen: Gasserne forlader reaktoren ved en temperatur på > 450 °C/842 °F, og de køles ned af en varmeveksler, der også fungerer som en spildvarmekedel. Dette giver overophedet damp, som efterfølgende anvendes i en strømgeneratorenhed.
• Ammoniakseparation: Gasblandingen køles ned til ca. -40 °C (-40 °F), hvilket medfører, at ammoniakken kondenserer, så den kan separeres på grund at dens højere kogepunkt fra ikke-reagerende nitrogen- og brintgasser. Disse ikke-reagerende gasser sendes tilbage i processen for at fuldføre deres reaktion.

Den overordnede proces kan beskrives som: N₂ + 3H₂ ↔ 2NH3

Haber-Bosch-metoden er energiintensiv, og brun, sort og grå brintproduktionsprocesser bidrager til udledning af drivhusgas (GHG). Denne miljøpåvirkning skaber en præference for grøn brint baseret på bæredygtige kilder og for anvendelse af nitrogenproduktion ved hjælp af vedvarende kilder.

Produktionen af brint har tidligere skabt ammoniakmængder svarende til ca. 1,8 % af den globale CO2-udledning, et tal, der svarer til den samlede luftfartsindustri. Som løsning på disse miljømæssige bekymringer stræber konceptet "grøn ammoniak" efter at reducere ammoniakproduktionens CO2-aftryk markant ved at frembringe komponentgasserne gennem netto nul-processer på basis af vedvarende energikilder.

Råmaterialerne til grøn ammoniakproduktion består af tre simple behov: luft, vand og vedvarende energi til at muliggøre de forskellige processer.

Ved hjælp af kryogen destillation eller adsorption af trykudsving (PSA) udvinder luftseparatorer nitrogen fra atmosfæren. Kryogen destillation fungerer ved at køle luft ned til ekstremt lave temperaturer og separere komponentgasserne, herunder nitrogen, der kræves til ammoniakproduktion, baseret på deres forskellige kogepunkter. Alternativt anvender adsorption af trykudsving (PSA) specielle adsorptionsmaterialer til selektivt at fange nitrogenmolekyler.

Den primære designator for grøn ammoniak er brugen af grøn brint, produceret med vandelektrolyse baseret på vedvarende energi, hvilket er ensbetydende med nuludledning. Denne proces omfatter spaltning af vandmolekyler i deres komponentbrint- og -oxygenatomer, hvorved brintgas høstes som råmateriale til ammoniaksyntese og uskadelig oxygen frigøres til atmosfæren. Elektrolyse sker primært ved hjælp af enten alkaliske elektrolyseanlæg - en færdigudviklet og gennemprøvet teknologi - eller elektrolyseanlæg baseret på en protonudvekslingsmembran (PEM), som kendetegnes af højere effektivitet og hurtigere svartider, men også højere omkostninger.
Nitrogenen og brinten omsættes derefter i henhold til Haber-Bosch-processen, men med et reduceret CO2-aftryk. Alle processer i kæden skal anvende vedvarende energi, for at den frembragte ammoniak kan klassificeres som “grøn”.

Ammoniak kan også nedbrydes til brint gennem såkaldt ammoniakkrakning, selv om denne proces er temmelig energiintensiv og kræver en varme på 600 °C/1.112 °F under tilstedeværelse af en katalysator. Denne proces anvendes til nogle formål, som kræver brint, fordi ammoniak er lettere at håndtere og bulkopbevare end ren brint.

Som med mange kulstoffattige processer er skaleringen af produktionen af grøn ammoniak forbundet med udfordringer i relation til begrænsning og høje produktionsomkostninger. For det første skal hele sektoren baseret på vedvarende energi - selv om den vokser hurtigt - fortsat nå det niveau for netintegration og energilagring, som kendetegner traditionelle systemer, og som kræves for at opfylde kravene til industri- og forbrugerprodukter. Samtidig har elektrolyseanlæg til grøn brintproduktion fortsat brug for betydelige investeringer for at kunne opskalere.

Men efterhånden som bæredygtige teknologier modnes, og stordriftsfordele opnås, vil produktionen af grøn ammoniak blive stadig mere omkostningskonkurrencedygtig. Prisen på vedvarende energi er faldet i de seneste år, og denne tendens forventes at fortsætte, hvilket vil gøre grøn brint og nitrogen mere økonomisk opnåelige.

Ammoniak bliver også afprøvet som en kulstoffri energibærer - og endda til direkte forbrænding i nogle anvendelser - hvilket hjælper med at løse de udfordringer, der er forbundet med uregelmæssighederne ved sol- og vindkraft. Derudover har dets høje energitæthed ført til at afprøve det som brændstof til skibsfart og langdistancetransport, som traditionelt udleder store mængder CO2.

Uanset hvor værdifuld den er, er ammoniak også et farligt kemisk stof og skal håndteres forsigtigt. Indånding af blot 0,5 % ammoniakkoncentreret luft kan være dødbringende for mennesker. Dens yderst ætsende og giftige egenskaber kræver strenge sikkerhedsprotokoller under produktion, transport og brug.

Ud over almindelige personlige værnemidler og omfattende medarbejderuddannelse hjælper lækagedetektionssystemer med at mindske faren i tilfælde af en uforudset lækage. Disse systemer består af elektrokemiske gasdetektorer, tryktransmittere og andre avancerede sikkerhedsinstrumenter og -komponenter.

Desuden er luftseparatorer, der bruges til at udvinde nitrogen fra luften til ammoniakproduktion, afhængige af instrumenter som TDLAS-analysatorer til renhedsanalyse og tryksensorer til proceskontrol. I vandelektrolyseprocessen overvåger konduktivitetssensorer elektrolyttens kvalitet, hvilket sikrer en optimal ydeevne og levetid for elektrolyseanlægget, mens flowmålere hjælper med at regulere produktionen af brint og oxygen.

Ammoniaksyntesekredsløbet er afhængigt af en bred vifte af instrumenter - herunder temperatursensorer, tryktransmittere og gasanalysatorer - for at optimere reaktionsbetingelserne og sikre produktkvaliteten. Disse instrumenter leverer kontinuerlige data til både realtidskontrol og historisk analyse, hvilket giver personalet mulighed for at optimere processen og maksimere effektiviteten, samtidig med at sikre driftsforhold bevares.

Ammoniaknedbrydning kræver masseflowmålere for præcis gaslevering og optimale reaktionshastigheder, termoelementer for nøjagtig temperaturmåling og gasanalysatorer for at overvåge produktbrintstrømmens sammensætning for at sikre renhed.

Selv om ammoniak er utroligt værdifuldt i adskillige industrielle processer, som forbrugerne ofte tager for givet, er der fortsat barrierer for anvendelse af grøn ammoniak i vid udstrækning. Infrastrukturen for vedvarende energi og elektrolyse er stadig begrænset, og investeringsomkostningerne er høje. Derudover kræver sikker transport og opbevaring af ammoniak grundige overvejelser på grund af dens farlige natur, selvom godkendte metoder er gennemprøvede.

Den primære fordel ved grøn ammoniak er at afkoble ammoniakproduktionen fra afhængigheden af fossile brændstoffer for at reducere udledningen af drivhusgasser. Det har skabt opmærksomhed fra både regeringer og industrien, og disse interessenter inkorporerer strategisk dette produkt i deres bæredygtighedsplaner. Det viser en vej for reduktion af gødningsindustriens CO2-aftryk og for de mange andre sektorer, der er meget afhængige af ammoniak.

Yderligere forskning og udvikling, sammen med fortsat innovation inden for produktions- og anvendelsesteknologier, vil være afgørende for at drive den udbredte anvendelse af grøn ammoniak, mens verden stræber efter at opfylde initiativer om nuludledning inden midten af dette århundrede.