KalendarzRolników.pl
PARTNERZY PORTALU
  • Partner serwisu Kujawsko-Pomorski Ośrodek Doradztwa Rolniczego
  • Partner serwisu KRAJOWY OŚRODEK WSPARCIA ROLNICTWA
  • Partner serwisu Województwo Podlaskie
  • Partner serwisu Narodowy Instytut Kultury i Dziedzictwa Wsi w Warszawie
  • Narodowy Instytut Wolności
  • Partner serwisu Krajowa Rada Izb Rolniczych

WYSZUKIWARKA

Azot zastąpi węgiel – zielony amoniak

Opublikowano 20.02.2022 r.
Amoniak to związek chemiczny znany od czasów starożytnego Egiptu, może stać się kluczową substancją dla następnych pokoleń. Już dziś uruchamiane są na skalę przemysłową nowe rozwiązania technologiczne, które zmienią nasz świat. 

amoniak

Amoniak1 to jeden ze związków chemicznych produkowanych w największych ilościach na świecie. Jest niezbędny dla ludzkości niemal na każdym kroku. Większość wytwarzanego amoniaku stosuje się jako nawóz w rolnictwie, ale z substancji tej korzystają także inne branże, m.in. tworzyw sztucznych, materiałów wybuchowych czy farmaceutyków.  Przez ostatnie 100 lat prosta cząsteczka miała niezwykle pozytywny wpływ na nasz świat. Amoniak, który zawiera trzy atomy wodoru związane z jednym atomem azotu, jest szeroko stosowany, aby nawozy umożliwiały nam wytwarzanie wystarczającej ilości żywności dla wszystkich na naszej planecie. To czyni go najważniejszą cząsteczkę po wodzie. Jednak produkcja amoniaku jest trzecim co do wielkości emiterem przemysłowym dwutlenku węgla, wytwarzającym pół miliarda ton CO2 rocznie – 1,8% globalnej emisji CO2.

Badania nad zielonym amoniakiem

Naukowcy z australijskiego Monash University2 są coraz bliżej opracowania procesu wytwarzania zielonego amoniaku3, który mógłby zastąpić problematyczną metodę Habera i Boscha. To może pozwolić na zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych nawet o 2%.

Podobne badania prowadzą naukowcy z Wielkiej Brytanii. Stworzyli oni zespół w Rutherford Appleton Laboratory w Oxfordshire4, który przygotował raport dla Royal Society. W raporcie tym pokazano, że wytwarzanie zielonego amoniaku o zerowej emisji dwutlenku węgla może obniżyć globalną emisję węgla o prawie 2%. Co więcej, może również przechowywać ogólnokrajowe ilości odnawialnych źródeł energii dla statków energetycznych, pociągów i pojazdów ciężarowych.

Amoniak jest zwykle wytwarzany przez reakcję metanu z parą w celu wytworzenia wodoru, a następnie poddany reakcji z azotem z powietrza za pomocą tak zwanego procesu Habera-Boscha. W procesie tym wydziela się również dwutlenek węgla. Natomiast zielony amoniak jest produkowany z wodorem oddzielonym od wody za pomocą odnawialnej energii elektrycznej.

Możliwe jest również rozbicie amoniaku z powrotem na wodór i azot, odzyskując w tym procesie energię. I może być spalany jak paliwa kopalne, takie jak olej napędowy. Oznacza to, że amoniak może być również stosowany jako magazyn energii.

W Rutherford Appleton Laboratory w Oxfordshire można zobaczyć demonstrację tzw. systemu zielonego amoniaku. Jest on zasilany przez turbinę wiatrową na miejscu i jest w stanie wyprodukować do 30 kg zielonego amoniaku dziennie. Może również w razie potrzeby dostarczać zieloną energię elektryczną z powrotem do sieci.

Wyzwanie, które sprawia, że ​​produkcja zielonego amoniaku staje się opłacalną alternatywą, obniża koszty, z czego 85% to energia elektryczna. W większości części świata energia odnawialna jest wciąż znacznie droższa niż metan stosowany w konwencjonalnym wytwarzaniu amoniaku. W warunkach brytyjskich koszt energii elektrycznej na obszarach o dużym potencjale odnawialnym dramatycznie spadł w ciągu ostatniej dekady, do około 1,7–3,4 pensa GBP za kWh. Oznacza to, że można wyprodukować zielony amoniak za około 220 funtów za tonę.

To wciąż nie jest tak tanie, jak konwencjonalny proces. Ale aby nadal korzystać z tej metody, jednocześnie redukując emisję do zera netto, musielibyśmy połączyć wychwytywanie i składowanie dwutlenku węgla, aby powstały CO2 nie dostał się do atmosfery. I wtedy zielony amoniak może stać się konkurencyjny kosztowo.


Zielony amoniak może również rozwiązać jedno z największych nierozwiązanych wyzwań w wyścigu o zerową emisję netto: jak stworzyć elastyczne rezerwy paliw bezemisyjnych, które utrzymują się przez lata tak, jak obecne paliwa kopalne?

zielony amoniak

Prototyp innowacyjnego elektrolizera
Źródło: 1

Wdrożenia zielonego amoniaku w praktyce na świecie


Praktyczne działania w obszarze zielonego amoniaku podjęto w Norwegii, Stanach Zjednoczonych, Niderlandach, Korei Południowej. 
Dwóch światowych5 producentów nawozów – amerykański CF Industries Holdings i norweska Yara International stara się zarobić na wodorowej rewolucji, która zakłada odejście od emisyjnych paliw. Planują zmianę procesu produkcji amoniaku używanego do nawozów. Wytwarzany przy pomocy odnawialnych źródeł energii „zielony amoniak” może posłużyć jako nośnik wodoru i jako paliwo do statków. Spółki chcą wykorzystać energię z wiatru. Zapowiadają odpowiednie dostosowanie swoich fabryk w Stanach Zjednoczonych i Norwegii.

Koszty zielonego amoniaku mogą być 2–4 razy wyższe niż produkcja konwencjonalna, ale produkcja na dużą skalę znacznie może je zmniejszyć. Ponadto firmy liczą na dotacje. Wchodzą jako pierwsze na nowy rynek, który , jak podaje agencja Reuters za Citibankiem, będzie wart 6 mld euro do 2030 roku.


Z kolei kanadyjski gigant nawozowy Nutient już wytwarza „niskoemisyjny” amoniak poprzez zagospodarowanie CO2. Wydzielony dwutlenek węgla służy do intensyfikacji wydobycia ropy i jest składowany pod ziemią. Nutrient ogłosił, że emisyjność jego produktów spadnie o 30% do 2030 roku.
Inni dwaj wielcy producenci nawozów chcą pójść dalej i produkować wodór nie z gazu, ale w procesie elektrolizy przy wykorzystaniu OZE. Następnie można będzie łączyć ten wodór z azotem, tworząc zielony amoniak, który przemysł morski testuje jako paliwo. Amoniak nie wymaga ekstremalnie niskich temperatur i ma wyższą gęstość energii niż ciekły wodór, dzięki czemu jest bardziej wydajny w transporcie i przechowywaniu. Alternatywnie może wodór zasilać ogniwa paliwowe. Ten rynek w przyszłości może przerosnąć rynek nawozów.

Na razie to tylko projekty pilotażowe, a  statki oceaniczne już pływają na innych paliwach – LNG i metanolu. Jeden z największych stoczniowców na świecie, Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering z Korei Południowej, planuje skomercjalizować duże superstatki kontenerowe zasilane amoniakiem do 2025 r.


Podobnie jak Nutrient, Yara ma cel redukcji emisji CO2 o 30% do 2030 r.  


Norweski producent nawozów zamierza w pełni zelektryfikować swoją fabrykę w Porsgrunn, gdzie chce produkować 500 tys. ton zielonego amoniaku rocznie. W lutym tego roku podpisał umowę ze Statkraftem, największym producentem zielonej energii w Europie i firmą finansową Aker Horizons. Partnerzy skupią się na możliwościach wykorzystania ekologicznego wodoru i amoniaku w transporcie morskim, rolnictwie i zastosowaniach przemysłowych.  Zajmie to około 5–7 lat.


Kolejny projekt dotyczący zielonego amoniaku zaplanowano w Holandii, gdzie Yara  i Orsted wykorzystają elektrownię wiatrową offshore do zasilania elektrolizera o mocy 100 MW. Odnawialny wodór posłuży do produkcji amoniaku w zakładzie Yara w Sluiskil w holenderskiej prowincji Zelandia. Firmy stwierdziły, że projekt może zostać uruchomiony w latach 2024–25, jeśli „zapewnione zostanie wymagane współfinansowanie publiczne i zostaną wprowadzone odpowiednie ramy regulacyjne”.


W Stanach Zjednoczonych CF przestawia swoją fabrykę w Donaldsonville w Luizjanie na produkcję zielonego amoniaku. Projekt ma być gotowy w 2023 roku, ze wstępną produkcją 20 tys. ton. Do 2026 roku produkcja  może osiągnąć 450 tys. ton, a do 2028 r. – 900 tys. ton. Firma przewiduje, że na wodorze, który będzie sprzedawać, osiągnie niemal 10-krotnie wyższą marżę niż obecnie na nawozach.

 

Zielony amoniak w Polsce


– „Aby produkować zielony wodór i amoniak potrzebne są odnawialne źródła energii (OZE). PKN ORLEN konsekwentnie powiększa udział OZE w miksie energetycznym, co docelowo pozwoli wykorzystywać część z nich do produkcji zielonych produktów (wodór, amoniak)” – odpowiada PKN Orlen.


Podobnie opowiada Grupa Azoty, która „dostrzega potencjał amoniaku wyprodukowanego z wodoru pochodzącego ze źródeł zeroemisyjnych”. Wśród wielu projektów Grupy Azoty wpisujących się w tzw. zieloną chemię są również projekty związane z wytwarzaniem wodoru z OZE. O szczegółach powiemy więcej na przestrzeni najbliższych miesięcy – informuje spółka.


Wodór to przyszłość. Teraźniejszość w Puławach to budowa ostatniego prawdopodobnie bloku węglowego – elektrociepłowni o mocy 100 MW.
Producent nawozów Anwil6 rozważa i bada możliwość wykorzystania amoniaku jako magazynu energii.


– „Dostrzegamy ciekawą zależność. Jeśli produkujemy zielony wodór, a sam wodór już w Anwilu produkujemy, a z niego wytworzymy zielony amoniak, który także produkujemy, to uzyskamy amoniak będący magazynem energii. Z amoniaku bardzo łatwo pozyskać wodór, ale podstawą jest tania energia” – powiedział Jacek Mendelewski Członek Zarządu Anwil z grupy PKN Orlen na Kongresie Polska Chemia.

Podsumowanie


Zielony amoniak może zmienić historię ludzkości, obecnie wiązane są z nim nadzieje na rozwiązanie kryzysu klimatycznego poprzez ograniczanie, a nawet eliminację paliw kopalnych opartych na węglu. Tworzenie zeroemisyjnego transportu morskiego i ciężarowego. Dostarczenie nieobciążającego środowiska źródła nawozów azotowych dla rolnictwa. Zielony amoniak ma też znaczenie polityczne, może wyeliminować gaz ziemny zarówno z produkcji nawozów azotowych, ale także jako magazyn energii. W praktyce producenci amoniaku mogą uniezależnić się od dostawców gazu. Jakie to ma znaczenie strategiczne widać w ostatnim czasie, gdy z dnia na dzień podrożały nawozy azotowe ze względu na rosnącą cenę gazu ziemnego. Oczywiście do realizacji przedstawionych zmian w technologiach potrzeba czasu, jednak podjęte decyzje o uruchomieniu masowej produkcji zielonego amoniaku przyniosą skutek zarówno dla środowiska, jak i ekonomii produkcji. Nie znaczy to, że będzie taniej, ale przynajmniej stabilniej i może bardziej niezależnie od światowych karteli paliwowych.  

 

Pierwszy opisany związek amoniaku – salmiak (chlorek amonu), otrzymany został ok. roku 332 p.n.e. z odchodów wielbłądów w pobliżu świątyni Amona w oazie Siwa na terenie dzisiejszego Egiptu. Stąd pochodzi nazwa «amoniak» używana w różnych formach w większości języków świata. Cyt. za:  Wayne L. Felty. From camel dung. „J. Chem. Educ.”. 59 (2), s. 170 (1982). doi:10.1021/ed059p170.3. Gregory C. Miller. From camel dung (the author replies). „J. Chem. Educ.”. 59 (2), s. 170 (1982). doi:10.1021/ed059p170.4 .
2 https://www.chip.pl/2021/11/innowacyjna-metoda-wytwarzania-zielonego-amoniaku-ekolodzy-beda-zadowoleni/
3 Szacuje się, że rocznie produkuje się ponad 230 milionów ton amoniaku, a popyt na ten związek może wzrosnąć wraz z coraz większym zainteresowaniem rozwiązaniami ekologicznymi. Amoniak jest w stanie magazynować duże ilości energii, więc można go stosować jako ekologiczne paliwo w wielu dziedzinach, w których dekarbonizacja jest trudna. Większość amoniaku na świecie jest wytwarzana metodą Habera i Boscha, która wykorzystuje naturalny metan do produkcji wodoru, a ten z kolei reaguje z azotem atmosferycznym, tworząc amoniak. Niestety, prawie cała obecna produkcja amoniaku na świecie wykorzystuje brudny wodór reformowany parą wodną. W procesie tym powstaje ok. 1,8% światowej emisji dwutlenku węgla, ale także duże ilości groźnego podtlenku azotu. Naukowcy z Monash University mają pomysł, jak usprawnić metodę Habera i Boscha, by całkowicie wykluczyć gaz ziemny z procesu produkcyjnego amoniaku. Pracując nad innym projektem mającym na celu wytworzenie wybielacza ze słonej wody poprzez elektrolizę, dr Bryan Suryanto i prof. Doug MacFarlane postanowili sprawdzić, czy można zastosować ciecze jonowe do produkcji amoniaku w procesie elektrolitycznym. Okazało się, że tak. Proces jest bardzo podobny do produkcji wodoru w elektrolizerze wodnym, z tą różnicą, że używa się elektrolitów, które są dobrze znane w świecie baterii litowych. Na powierzchni katody jest elektrolit i związek zwany rozpuszczonym azotem gazowym – azotek litu (Li3N). Elektrolit musi też zawierać nośniki jonów wodorowych lub protonów. W naszej pracy pokazaliśmy, że sole fosfonowe mogą działać jako takie nośniki protonów, aby produkować amoniak w bardzo wydajny sposób. Kiedy jony wodoru docierają do katody, wypierają atomy litu w każdej cząsteczce azotku litu, tworząc NH3, czyli amoniak. Jest on uwalniany z powierzchni katody i wychwytywany. Jony fosfonowe krążą pomiędzy dwiema elektrodami – dostarczając protony na katodę i anodę, proces zachowuje ciągłość i można go prowadzić nawet cztery dni. W procesie powstaje ok. 53 nanomoli amoniaku na sekundę, a wydajność Faradaya procesu to ok. 69%. Warto wspomnieć, że najwyższa uzyskana wcześniej wydajność elektrolizy amoniaku wynosiła ok. 60%. Naukowcy przekonują, że opracowana przez nich metoda jest masowo skalowalna, możliwa do wykorzystania na skalę przemysłową, jak i w małych zakładach. Technologia została już opatentowana, a jej twórcy założyli firmę Jupiter Ionics. Cyt. za https://www.chip.pl/2021/11/innowacyjna-metoda-wytwarzania-zielonego-amoniaku-ekolodzy-beda-zadowoleni/ 
4 https://pl.climateimpactnews.com/adaptation/5633-green-ammonia-could-slash-emissions-from-farming-and-power-ships-of-the-future
5 https://wysokienapiecie.pl/36744-producenci-nawozow-chca-zarobic-na-wodorowej-rewolucji/
6 https://biznesalert.pl/zielony-amoniak-anwil-orlen-kongres-polska-chemia-2020/

 
Marek J. Nowacki 
"Wieś Kujawsko-Pomorska", styczeń 2022 r. Kujawsko-Pomorski Ośrodek Doradztwa Rolniczego w Minikowie 
 
Zainteresował Cię ten artykuł? Masz pytanie do autora? Napisz do niego tutaj
Komitet do spraw pożytku publicznego
NIW
Sfinansowano ze środków Narodowego Instytutu Wolności – Centrum Rozwoju Społeczeństwa Obywatelskiego w ramach Rządowego Programu Rozwoju Organizacji Obywatelskich na lata 2018-2030
PROO