Wspieranie zrównoważonego rozwoju poprzez produkcję zielonego amoniaku

Amoniak jest związkiem składającym się wyłącznie z azotu i wodoru i jest niezbędny w wielu zastosowaniach w świecie współczesnym. Jako główne źródło azotu w nawozach odgrywa kluczową rolę w produkcji żywności, umożliwiając uzyskanie wystarczających plonów dla wyżywienia rosnącej globalnej populacji.

Oprócz rolnictwa amoniak jest szeroko stosowany w różnych technologiach przemysłowych, w tym w:

• Produkcji chemikaliów, które służą jako surowce do różnych produktów, takich jak tworzywa sztuczne, włókna, barwniki i materiały wybuchowe.
• Produkcji farmaceutyków jako materiał wyjściowy dla różnych substancji czynnych leków i do kontroli pH.
• Systemach HVAC jako czynnik chłodniczy ze względu na doskonałe właściwości wymiany ciepła.
• Przemyśle spożywczym jako dodatek i środek konserwujący.
• Uzdatnianiu wody do oczyszczania zasobów wody poprzez tworzenie chloramin; które ułatwiają usuwanie zanieczyszczeń organicznych.
• Produktach czyszczących jako główny składnik wielu domowych środków czyszczących ze względu na odtłuszczające i dezynfekujące właściwości amoniaku.
• Produkcji tekstyliów podczas procesu wykańczania w celu zwiększenia gładkości tkanin i zwiększenia ich powinowactwa do barwników.

Chociaż amoniak jest niezbędny w wielu gałęziach przemysłu, konwencjonalne metody produkcji amoniaku mają negatywny wpływ na środowisko, co mobilizuje do poszukiwania alternatyw bardziej przyjaznych dla środowiska.

Główną technologią produkcji amoniaku jest metoda Habera-Boscha, polegająca na syntezie azotu z wodorem w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury i w obecności katalizatora.

Etapy procesu obejmują:

• Separacja azotu: Separacja azotu (N₂) z powietrza zachodzi w jednostce separacji powietrza w procesie skraplania i destylacji. Jako alternatywa, selektywne rozdzielanie cząsteczek azotu może być wykonywane za pomocą adsorpcji zmiennociśnieniowej przy użyciu specjalnych adsorbentów.
• Produkcja wodoru: Wodór (H₂) jest zwykle produkowany w procesie parowego reformingu metanu lub reformingu autotermicznego.
• Synteza amoniaku: Oczyszczony gazowy azot i wodór są mieszane i przepuszczane nad katalizatorem, zwykle żelazem, pod wysokim ciśnieniem (> 200 atm/2,940 psi) i w wysokiej temperaturze (> 450 °C/842 °F), tworząc pierwiastkowy azot i wodór, które łączą się ze sobą tworząc amoniak (NH₃).
• Chłodzenie amoniaku oraz resztkowego wodoru i azotu: Gazy opuszczające reaktor mają temperaturę > 450 °C/842 °F i są chłodzone w wymienniku ciepła, który służy również jako kocioł odzyskowy. To powoduje wytwarzanie pary przegrzanej, wykorzystywanej potem w generatorze energii.
• Oddzielanie amoniaku: Mieszanina gazów jest schładzana do około -40 °C (-40 °F), powodując kondensację amoniaku, który może być oddzielony od nieprzereagowanego gazowego azotu i wodoru ze względu na jego wyższą temperaturę wrzenia. Nieprzereagowane gazy są zawracane do procesu w celu dokończenia reakcji.

Cały proces jest opisany równaniem: N₂ + 3H₂ ↔ 2NH3

Metoda Habera-Boscha jest energochłonna, a procesy produkcji brązowego, czarnego i szarego wodoru przyczyniają się do emisji gazów cieplarnianych (GHG). Wpływ na środowisko jest silnym argumentem przemawiającym za wykorzystaniem zielonego wodoru ze zrównoważonych źródeł i produkcją azotu przy użyciu odnawialnych źródeł energii.

Produkcja wodoru wykorzystywanego w produkcji amoniaku odpowiada za około 1.8 % globalnej wielkości emisji dwutlenku węgla, czyli jest porównywalna z wielkością emisji całej branży lotniczej. Ze względu na ochronę środowiska, koncepcja zielonego amoniaku ma na celu znaczne zmniejszenie śladu węglowego związanego z produkcją amoniaku, poprzez pozyskiwanie gazów wchodzących w jego skład w procesach o zerowej emisji netto, przy użyciu odnawialnych źródeł energii.

Surowce do produkcji zielonego amoniaku obejmują trzy główne składniki: powietrze, wodę i energię odnawialną do prowadzenia różnych procesów.

Do separacji azotu z atmosfery wykorzystywana jest destylacja kriogeniczna lub adsorpcja zmiennociśnieniowa. Destylacja kriogeniczna polega na schłodzeniu powietrza do ekstremalnie niskich temperatur, oddzielania gazów wchodzących w jego skład — w tym azotu, niezbędnego do produkcji amoniaku — dzięki ich różnym temperaturom wrzenia. Jako alternatywa, selektywne rozdzielanie cząsteczek azotu może być wykonywane za pomocą adsorpcji zmiennociśnieniowej przy użyciu specjalnych adsorbentów.

Głównym wyznacznikiem zielonego amoniaku jest wykorzystanie zielonego wodoru, produkowanego w procesie elektrolizy, przy użyciu energii z zeroemisyjnych źródeł odnawialnych. Proces polega na rozkładzie cząsteczek wody na atomy wodoru i tlenu, z którego wodór jest wykorzystywany jako surowiec do syntezy amoniaku a nieszkodliwy tlen jest uwalniany do powietrza. Elektroliza zwykle odbywa się w elektrolizerach alkalicznych, która jest dojrzałą i sprawdzoną technologią lub w elektrolizerach PEM z membraną protonowymienną. Technologia ta jest bardziej efektywna, zachodzi szybciej, ale jest również droższa.
Następnie azot i wodór reagują ze sobą w procesie Habera-Boscha, przy czym mniejszy jest jego ślad węglowy. Aby uzyskany amoniak był nazywany "zielonym", we wszystkich procesach musi być wykorzystywana wyłącznie energia odnawialna.

Rozkład amoniaku na wodór może zachodzić w procesie krakingu amoniaku, jednak reakcja ta jest dość energochłonna, gdyż wymaga temperatury 600 °C/1,112 °F i obecności katalizatora. Technologia ta jest wykorzystywana w niektórych aplikacjach do uzyskania wodoru, ponieważ obchodzenie się i magazynowanie amoniaku w dużych ilościach jest łatwiejsze, niż w przypadku czystego wodoru.

Podobnie jak w przypadku wielu technologii niskoemisyjnych, zwiększenie skali produkcji zielonego amoniaku wiąże się z pewnymi wyzwaniami, które dotyczą ograniczeń infrastrukturalnych i wysokich kosztów produkcji. Po pierwsze, mimo że sektor energii odnawialnej rozwija się w szybkim tempie, aby sprostać potrzebom przemysłu i dóbr konsumpcyjnych, zarówno poziom integracji z siecią jak i zdolności magazynowania energii elektrycznej muszą być zbliżone do systemów konwencjonalnych. Podobnie, powiększenie skali wciąż wymaga znacznych nakładów inwestycyjnych na elektrolizery do produkcji zielonego wodoru.

Jednak w miarę rozwoju zrównoważonych technologii i osiągania korzyści skali, produkcja zielonego amoniaku stanie się coraz bardziej konkurencyjna. W ostatnich latach koszt energii odnawialnej spadł i trend ten powinien się utrzymać co spowoduje, że zielony wodór i azot będzie bardziej opłacalny ekonomicznie.

Prowadzone są również projekty pilotażowe z amoniakiem jako bezemisyjnym nośnikiem energii, a w niektórych zastosowaniach testuje się nawet jego bezpośrednie spalanie, aby przezwyciężyć trudności wynikające z niestabilności energii słonecznej i wiatrowej. Ze względu na wysoką gęstość energii amoniaku, prowadzone są również badania nad jego wykorzystaniem jako paliwa w tradycyjnie wysokoemisyjnym transporcie morskim i dalekobieżnym.

Pomimo swego znaczenia, amoniak jest niebezpieczną substancją chemiczną, z którą należy obchodzić się ostrożnie. Wdychanie powietrza zawierającego zaledwie 0.5 % amoniaku może być śmiertelne dla ludzi. Jego silnie żrące i toksyczne właściwości wymagają surowych procedur bezpieczeństwa podczas produkcji, transportu i użytkowania.

Oprócz odpowiednich środków ochrony indywidualnej i gruntownego przeszkolenia pracowników, systemy wykrywania wycieków pomagają ograniczać zagrożenia w razie przypadkowej utraty szczelności. Systemy te składają się z elektrochemicznych detektorów gazu, przetworników ciśnienia oraz innej zaawansowanej aparatury i komponentów bezpieczeństwa.

Poza tym, w jednostkach rozdziału powietrza służących do separacji azotu z powietrza, wykorzystywanego do produkcji amoniaku, stosowane są analizatory TDLAS do analizy czystości oraz czujniki ciśnienia do kontroli procesu. W procesie elektrolizy wody czujniki przewodności monitorują jakość elektrolitu, zapewniając w ten sposób optymalną pracę i trwałość eksploatacyjną elektrolizera, a przepływomierze pomagają regulować produkcję wodoru i tlenu.

W pętli syntezy amoniaku do optymalizacji warunków reakcji i zapewnienia jakości produktu wykorzystywana jest różnorodna aparatura, w tym czujniki temperatury, przetworniki ciśnienia i analizatory gazu. Aparatura ta ciągle dostarcza dane wykorzystywane zarówno do kontroli w czasie rzeczywistym, jak i do analiz historycznych, co umożliwia personelowi optymalizację procesu i maksymalne zwiększenie wydajności, a jednocześnie utrzymywanie bezpiecznych warunków pracy.

W procesie rozkładu amoniaku przepływomierze są niezbędne do precyzyjnego podawania gazu i optymalizacji tempa reakcji, termopary do dokładnego pomiaru temperatury, a analizatory gazu do monitorowania składu strumienia produktu wodorowego, celem zapewnienia czystości.

Mimo, że amoniak jest niezwykle cennym składnikiem wielu procesów przemysłowych, często nie docenianym przez odbiorców, powszechne stosowanie zielonego amoniaku wciąż napotyka bariery. Infrastruktura do produkcji energii odnawialnej i do procesu elektrolizy jest wciąż ograniczona i wysokie są koszty inwestycji. Poza tym bezpieczeństwo transportu i magazynowania amoniaku wymaga szczególnej uwagi ze względu na jego niebezpieczny charakter, chociaż zatwierdzone metody są dobrze znane.

Główną zaletą zielonego amoniaku jest niezależność produkcji amoniaku od paliw kopalnych w celu zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych. Dlatego przyciągnął on uwagę zarówno organów administracyjnych, jak i przemysłu i te zainteresowane strony uwzględniają ten produkt w swych strategicznych planach zrównoważonego rozwoju. Jest to sposób na zmniejszenie śladu węglowego przemysłu produkcji nawozów oraz wielu innych branż, które są w dużym stopniu zależne od amoniaku.

Dalsze prace badawczo-rozwojowe, a także ciągłe innowacje technologii produkcji i wykorzystania będą miały fundamentalne znaczenie dla powszechnego stosowania zielonego amoniaku, ponieważ świat planuje osiągnąć zerową emisję netto do połowy stulecia.