Driva hållbarhet genom framställning av grön ammoniak

Ammoniak är en förening som består av enbart kväve och väte. Den är avgörande för många dagliga användningsområden i den moderna världen. Framför allt har ammoniak en viktig roll inom livsmedelsproduktion eftersom det är den primära källan till kväve i gödsel och gör att jordbruket kan producera livsmedel till världens växande befolkning.

Utöver inom jordbruket används ammoniak i stor utsträckning i många andra industriprocesser, däribland:

• kemikalieproduktion, där den utgör en bas i olika produkter som plast, fibrer, färgämnen och sprängämnen
• farmaceutisk tillverkning, där den används som utgångsmaterial till olika aktiva farmaceutiska ingredienser och för att reglera pH
• luftkonditionering, där den används som köldmedium tack vare sina värmeöverförande egenskaper
• livsmedelsindustri, där den används som tillsatsmedel och konserveringsmedel
• vattenrening, där den används för att rena vatten genom att bilda kloraminer som främjar organisk desinficering
• rengöringsprodukter, där den är huvudingrediens i många hushållsprodukter tack vare sina avfettande och desinficerande egenskaper
• textiltillverkning, där den används under efterbehandlingsprocessen för att göra tyget slätt och fixera färg.

Även om ammoniak är en ovärderlig kemikalie i många branscher har traditionell ammoniakproduktion betydande miljöpåverkan, vilket är en sporre att utforska grönare alternativ.

Ammoniak framställs främst med hjälp av Haber-Bosch-processen, där kväve kombineras med väte vid högt tryck och hög temperatur i närvaro av en katalysator.

Produktionsstegen innefattar:

• Kväveutvinning: Kvävgas (N₂) utvinns ur luften med hjälp av en luftseparationsenhet genom en kondenserings- och destilleringsprocess. Alternativt används tryckväxlingsadsorption med särskilda adsorberande material för att selektivt fånga in kvävemolekyler.
• Vätgasframställning: Vätgasflödet (H₂) produceras vanligtvis genom ångreformering av metan eller autotermisk reformering.
• Ammoniaksyntes: Den renade kvävgasen och vätgasen blandas och passerar via en katalysator – vanligtvis järn – vid högt tryck (> 200 atm/2 940 psi) och hög temperatur (> 450 °C/842 °F). Då bildas elementärt kväve och väte, som sedan kombineras för att bilda ammoniak (NH₃).
• Kylning av ammoniak och kvarvarande kvävgas och vätgas: Gaserna lämnar reaktorn vid en temperatur > 450 °C/842 °F och kyls ner av en värmeväxlare som fungerar som en avgaspanna. Då bildas överhettad ånga, som sedan används i ett kraftaggregat.
• Separation av ammoniak: Gasblandningen kyls ner till ungefär -40 °C (-40 °F), vilket gör att ammoniaken kondenseras så att den tack vare sin högre kokpunkt kan separeras från oreagerad kvävgas och vätgas. Dessa oreagerade gaser återförs till processen igen så att deras reaktion kan slutföras.

Reaktionsformeln för hela processen skrivs: N₂ + 3H₂ ↔ 2NH3

Haber-Bosch-metoden är energiintensiv, och framställningsprocesser för brun, svart och grå vätgas orsakar växthusgasutsläpp. Denna miljöpåverkan är en anledning att välja grön vätgas från hållbara källor och driva kväveproduktion med förnybara källor.

Framställningen av den vätgas som används för att producera ammoniak utgör ungefär 1,8 % av de globala koldioxidutsläppen, en siffra som är jämförbar med hela flygindustrin. Som ett svar på dessa miljömässiga aspekter har konceptet ”grön ammoniak” som syfte att minska ammoniakproduktionens koldioxidavtryck avsevärt genom att framställa de gaser som krävs genom nettonoll-processer som drivs av förnybara energikällor.

Råvarorna till framställning av grön ammoniak består av tre enkla ingredienser: luft, vatten och förnybar energi för att driva de olika processerna.

Med hjälp av kryogen destillering eller tryckväxlingsadsorption utvinner luftseparationsenheter kväve ur atmosfären. Vid kryogen destillering kyler man ner luft till extremt låga temperaturer och separerar gaserna den består av – däribland kväve som behövs för att framställa ammoniak – utifrån deras olika kokpunkter. Alternativt används tryckväxlingsadsorption med särskilda adsorberande material för att selektivt fånga in kvävemolekyler.

Den primära faktorn för grön ammoniak är användningen av grön vätgas, som framställs genom vattenelektrolys som drivs med förnybar energi och producerar noll utsläpp. Denna process går ut på att klyva vattenmolekyler till väte- och syreatomer för att sedan utvinna vätgasen som råvara för ammoniaksyntes. Syret släpps ut i luften. Elektrolys sker främst genom användning av antingen alkaliska elektrolysörer – en utvecklad och verifierad teknik – eller elektrolysörer med protonutbytesmembran (PEM). De senare är kända för att ha högre verkningsgrad och snabbare svarstider, men är också mer kostsamma.
Kvävgas och vätgas reagerar sedan med varandra enligt Haber-Bosch-processen, men med ett mindre koldioxidavtryck. Alla processer längs vägen måste drivas med förnybar energi för att den ammoniak som är slutprodukten ska klassas som ”grön”.

Ammoniak kan också brytas ner till vätgas med hjälp av ammoniakkrackning, även om denna reaktion är mycket energiintensiv eftersom den kräver värme på 600 °C/1 112 °F i närvaro av en katalysator. Denna process används till vissa tillämpningar som kräver vätgas eftersom det är enklare att hantera och lagra stora volymer ammoniak är ren vätgas.

Precis som med många andra koldioxidsnåla processer medför en uppskalning av framställningen av grön ammoniak utmaningar gällande begränsad infrastruktur och höga produktionskostnader. Först och främst måste den förnybara energisektorn – även om den växer snabbt – ta sig an den nivå av kraftnätsintegrering och energilagring som finns i traditionella system, vilket krävs för att möta efterfrågan gällande industri och konsumentprodukter. På samma sätt krävs betydande investeringar för att skala upp elektrolysörer för framställning av grön vätgas.

När hållbara tekniker mognar och stordriftsfördelar förverkligas kommer dock framställningen av grön ammoniak att bli alltmer kostnadsmässigt konkurrenskraftig. Kostnaderna för förnybar energi har blivit lägre de senaste åren och denna trend förväntas fortsätta, vilket kommer att göra grön vätgas och kvävgas mer ekonomiskt uppnåeliga.

Ammoniak testas också som en koldioxidfri energibärare – och till och med för direkt förbränning i vissa tillämpningar – vilket bidrar till att hantera utmaningarna med intermittenta energikällor som sol- och vindkraft. Ammoniakens höga energitäthet har dessutom lett till att man utforskar om den kan användas som bränsle inom sjöfrakt och fjärrtransport, traditionellt koldioxidintensiva sektorer.

Oavsett vilket värde ammoniak har är det en farlig kemikalie som måste hanteras med försiktighet. Att andas in luft med en ammoniakkoncentration på så lite som 0,5 % kan vara dödligt för människor. Ammoniakens ytterst korrosiva och giftiga egenskaper kräver stränga säkerhetsrutiner under produktion, transport och användning.

Utöver vanlig personlig skyddsutrustning och omfattande utbildning av medarbetare kan läckageövervakningssystem bidra till att minska faror om en behållare börjar läcka. Dessa system består av elektrokemiska gasdetektorer, trycktransmittrar och andra avancerade säkerhetsinstrument och -komponenter.

Dessutom förlitar sig luftseparationsenheter , som används för att utvinna kväve ur luften för ammoniakproduktion, på instrument som TDLAS-analysatorer för renhetsanalys och trycksensorer för processtyrning. I samband med vattenelektrolys övervakar konduktivitetssensorer elektrolyternas kvalitet, säkerställer att elektrolysören har optimal prestanda och lång livslängd, medan flödesmätare hjälper till att reglera väte- och syreproduktionen.

Ammoniaksyntes förlitar sig på flera olika typer av instrumentering – bland annat temperatursensorer, trycktransmittrar och gasanalysatorer – för att optimera reaktionsförhållandena och säkerställa produktkvaliteten. Dessa instrument tillhandahåller kontinuerliga data för både realtidskontroller och analyser av historik, vilket hjälper personalen att optimera processen och maximera verkningsgraden samtidigt som de säkerställer säkra driftsförhållanden.

Nedbrytning av ammoniak kräver massflödesmätare för exakt gastillförsel och optimal reaktionshastighet, termoelement för noggrann temperaturmätning och gasanalysatorer för att övervaka vätgasflödet och säkerställa vätgasens renhet.

Även om ammoniak är extremt värdefullt i många industriella processer som konsumenter ofta tar för givna finns det fortfarande hinder för en mer utbredd användning av grön ammoniak. Infrastrukturen för förnybar energi och elektrolys förblir begränsad och investeringskostnaderna är höga. Dessutom kräver säker transport och lagring av ammoniak noggrant övervägande eftersom ammoniak är så farligt, även om det finns godkända, etablerade metoder för detta.

Den främsta fördelen med grön ammoniak är att ammoniakproduktionen rör sig bort från fossila bränslen, vilket ger minskade växthusgasutsläpp. Detta har gjort att såväl regeringar som industriföretag har fått upp ögonen för grön ammoniak och dessa intressenter införlivar strategiskt denna produkt i sina hållbarhetsplaner. Det banar väg för att minska koldioxidavtrycket både från gödselindustrin och de många andra branscher som är beroende av ammoniak i stor utsträckning.

Ytterligare forskning och utveckling, tillsammans med fortsatta innovationer inom produktions- och användningsteknik, kommer att vara grundläggande för en utbredd användning av grön ammoniak när världen kämpar för att uppnå nettonollmålen till mitten av århundrandet.