Плазма, подібна до блискавки, зробить зелений аміак доступним

Шлях до зеленої аміачної економіки

Аміак, або NH3₃, вважається чудовим потенційним кандидатом на заміну рідкого палива, виготовленого з нафти та інших викопних видів палива. Це пояснюється тим, що його виготовляють з використанням надзвичайно рясного ресурсу – атмосферного азоту (N₂), і для його виробництва не обов'язково потрібна нафта чи метан.

Оскільки аміак є важливим добривом, його виробництво наразі є значною частиною хімічної промисловості, що робить його другою за обсягом виробництва хімічною речовиною у світі.

Аміак наразі виробляється здебільшого за допомогою процесу Габера-Боша, який передбачає поєднання азоту з воднем для отримання аміаку за високого тиску та високих температур, що робить його за своєю суттю енергоємним.

джерело: Angewandte Chemie

Однак джерело цього водню впливає на те, наскільки забруднюючим може бути виробництво аміаку. Сьогодні більша частина водню для виробництва аміаку отримується з викопного палива, що робить аміак відповідальним за 1.3% світових викидів вуглецю.

В ідеалі аміачна економіка спиралася б на так званий «зелений» аміак, отриманий з відновлюваних джерел енергії. Це відрізняє його від інші види аміаку:

• Сірий/коричневий аміак: виробляється з викопного палива.
• Синій нашатирний спирт: виробляється з викопного палива, але з уловлюванням вуглецю.
• Рожевий аміак (іноді його також називають жовтим аміаком): виробляється з ядерної енергії.
• Бірюзовий нашатирний спирт: виробляється в результаті піролізу метану. Це розщеплює метан на водень і твердий вуглець, а водень пізніше перетворюється на аміак. Твердий вуглець можна зберігати або використовувати для таких застосувань, як вуглецеві волокна.

Доки аміак не є переважно зеленим аміаком, його використання для заміни викопного палива в транспорті та промисловості є досить безглуздим, оскільки воно лише змінює точку споживання викопного палива.

«Попит промисловості на аміак лише зростає. Протягом останнього десятиліття світова наукова спільнота, включаючи нашу лабораторію, прагне знайти більш сталий спосіб виробництва аміаку, який не залежить від викопного палива».

Pr. Пі Джей Каллен – професор Сіднейського університету та Інститут чистого нуля

Ось чому нові відкриття, які повністю змінюють спосіб виробництва аміаку, відходячи від столітнього процесу Габера-Боша, можуть кардинально змінити правила гри.

Таке нововведення, можливо, було зроблено дослідниками з Університету Сіднея (Австралія) та Університету Чжецзян (Китай), які використовували плазму для отримання азоту з повітря. Вони опублікували свої результати в Angewandte Chemie.¹ під назвою "Регулювання багатофункціональних вакансій у кисні для плазмокерованого перетворення повітря на аміак".

Чому саме аміак?

Якщо аміак — це, по суті, перетворений водень, чому б не використовувати водень безпосередньо?

Різниця з воднем полягає в тому, що аміак є набагато більшою молекулою, ніж Н₂ і набагато стабільніше. Це значно полегшує його транспортування та зберігання. Аміак також має майже на 50% більше енергії, ніж рідкий водень.

джерело: Центр енергетичної політики Клейнмана

Така щільність енергії та легше зберігання роблять аміак основним кандидатом для використання в транспорті, особливо в енергоємних подорожах на далекі відстані, таких як морське судноплавство, про що ми детально розповідали в розділі «…Декарбонізація глобальних судноплавних шляхів за допомогою зеленого аміаку".

Це також зробило б аміак гарним кандидатом для річного або місячного зберігання, що є давньою проблемою для балансування енергетичних мереж, що залежать від зеленої енергії, оскільки, наприклад, надлишок сонячної енергії влітку або протягом тижнів з сильним вітром використовується для виробництва надлишку аміаку, який споживатиметься взимку або в сезони з низьким рівнем вітру.

Проблеми з виробництвом аміаку

Поки виробництво аміаку залежить від Haber-Bosch, цей перехід на більш екологічне паливо може зайняти деякий час.

Основна причина полягає в тому, що виробництво зеленого водню є складним і дорогим, часто вимагаючи використання рідкісних металів, таких як платина, хоча це, ймовірно, зміниться завдяки прогресу в нанотехнологіях, наприклад, використанню наностержнів нікелю замість.

Інша причина полягає в тому, що виробництво аміаку з водню є багатоетапним процесом, кожен крок якого вимагає капіталовкладень і зменшує загальний вихід енергії від усього виробничого процесу:

• Зелена енергія повинна спочатку вироблятися за допомогою сонячних, вітрових або гідроенергетичних технологій.
• Потім ця електроенергія транспортується до електролізера, який виробляє водень.
• Потім водень використовується для виробництва аміаку.

Оскільки зелена енергетика, як правило, є більш періодичною та децентралізованою, це створює додаткові витрати, що вимагають централізованого виробництва водню та аміаку.

«Наразі виробництво аміаку вимагає централізованого виробництва та транспортування продукту на великі відстані. Нам потрібен недорогий, децентралізований та масштабований «зелений аміак»

Pr. Пі Джей Каллен – професор Сіднейського університету та Інститут чистого нуля

Як нетермічна плазма може революціонізувати зелений аміак

Що таке нетермічна плазма?

Окрім Габера-Боша, існують й інші методи виробництва аміаку. Загальна ідея полягає у використанні електрики для окислення азоту, а потім додаванні атомів водню (реакція відновлення азоту – eNRR).

Однак ці методи обмежені низькою розчинністю азоту та небажаними іншими реакціями в розчинах, що містять воду. Саме тому замість цього розглядається нетермічна плазма (НТП), оскільки НТП більше підходить для реакцій окислення, ніж хімічного відновлення.

джерело: Angewandte Chemie

Утворені нітрати (NO₃⁻) та нітрити (NO₂⁻) мають розчинність у воді майже в 40,000 XNUMX разів вищу, ніж N₂.

Ці методи є перспективними, але вимагають вилучення азоту та кисню з повітря та їх очищення, що збільшує витрати.

Ось чому використовуються підходи, де повітря безпосередньо активується для утворення NOx і результуючий НІx Привабливими є інтермедіати, що відновлюються до NH₄⁺ шляхом електрохімічного перетворення.

Мідно-залізний каталізатор

Дослідники використовували наносітку з міді (P-Cu), в якій для створення дефектів використовувалася атмосфера кисневої плазми (CuxO/Cu) та високореактивні частинки, такі як іони O⁻, атоми O та молекули O₃ (озону). Ці реактивні форми кисню взаємодіють з Cu, що призводить до поверхневого окислення.

Потім додавання атомів заліза створило стабільні місткові зв'язки Fe–O–Cu на поверхні.

джерело: Angewandte Chemie

Використовуючи енергодисперсійну рентгенівську спектроскопію (EDS), дослідники змогли вивчити дуже складні кристалічні структури, що утворюються в результаті цього процесу. Дуже маленькі стрижні та складні структури збільшували поверхню матеріалу, роблячи його кращим каталізатором.

джерело: Angewandte Chemie

Електрокаталіз аміаку

Наночастинки Fe₂O₃/Cu використовувалися як катод для виробництва аміаку з азоту та води, безпосередньо контролюючи як окислення азоту, так і електроліз води на водень.

Випробування довели, що введення Fe₂O₃ на мідь ефективно посилює електрокаталітичну активність.

джерело: Angewandte Chemie

Вони детально проаналізували, як відбувається виробництво аміаку, і підтвердили, що насправді це складна, багатошарова хімічна реакція, що відбувається дуже швидко, з утворенням NO.₂ перетворюється на Нью-Гемпшир₃.

джерело: Angewandte Chemie

Що ще важливіше, реакція мала майже 100% фарадеївський ККД при 300 мА, а це означає, що більша частина використаної електроенергії перетворюється на хімічну енергію, що робить її на порядок ефективнішою, ніж багатоетапний класичний електроліз води (для виробництва водню) та подальше перетворення азоту на аміак.

«Цей новий підхід є двоетапним процесом, а саме поєднанням плазми та електролізу. Ми вже зробили плазмовий компонент життєздатним з точки зору енергоефективності та масштабованості».

Pr. Пі Джей Каллен – професор Сіднейського університету та Інститут чистого нуля

Рух вперед

Загалом, цей метод демонструє, що існують інші шляхи виробництва аміаку, які можуть повністю обійти процес Габера-Боша та необхідність окремого виробництва зеленого водню.

Це також являє собою покращення порівняно з попередня версія цієї технології, в якій замість заліза мав використовуватися мідно-паладієвий каталізатор, з паладієм як дорогим металом.

Це дослідження було здебільшого зосереджено на розробці ефективного каталізатора для окислення азоту безпосередньо з нефільтрованого та очищеного повітря.

Щоб зробити це економічно вигідним, компонент електролізера, що виробляє водень, все ще потребуватиме вдосконалення. На щастя, прогрес у виробництво водню з використанням каталізаторів, що раніше не використовувалися або навіть самооптимізуючі каталізатори виготовляється.

Тож, найімовірніше, у середньостроковій перспективі ми побачимо поєднання різних технологій у комерційній машині для виробництва аміаку, таких як пряме окислення азоту плазмою з використанням міді та заліза, а також електроліз води з використанням таких же дешевих металів.

Ці установки можна було б встановити безпосередньо на місцях виробництва зеленої енергії, а отриманий аміак зберігати у відносно дешевому резервуарі (порівняно з воднем) для подальшого транспортування трубопроводами, вантажівками або танкерами.

Найбільшу вигоду від таких конструкцій, найімовірніше, отримають компанії, здатні вертикально інтегрувати виробництво зеленої енергії, виробництво аміаку та його транспортування.

Аміачна компанія

Aker Horizons ASA (АХ.ОЛ)

Aker Horizon є дочірньою компанією групи Aker, що спеціалізується на зеленій енергетиці. Група є великим норвезьким конгломератом, що спеціалізується на відновлюваних джерелах енергії та морському/офшорному бізнесі.

джерело: Акер

Aker Horizon є холдинговою компанією кількох дочірніх компаній, включаючи зелений водень, наземні та морські вітрові електростанції, а також сонячні електростанції. До неї входить Mainstream Renewable Power, комунальна компанія, яка розробляє 20.4 ГВт відновлюваної енергії в Південній Африці (12.3 ГВт) та інших країнах (Азія, Південна Америка, Європа).

Компанія, зокрема, дуже активно займається виробництвом водню та зеленого аміаку з метою декарбонізації арктичного судноплавства, а також зацікавлюється центрами обробки даних.

джерело: Акер

Aker не є виключно компанією, що займається виробництвом зеленого аміаку, але може впоратися з усією вертикальною інтеграцією зеленого аміаку, від морських вітряків до виробництва водню (поки що) та виробництва зеленого аміаку. Вона також працює над такими проектами, як перетворення відходів на енергію у Франції, завод з виробництва біомаси в Німеччині та уловлювання вуглецю на Близькому Сході (Саудівська Аравія та ОАЕ).

У травні 2025 року Aker розглядала можливість реструктуризації через низькі ціни в секторі зеленої енергетики., що по суті має на меті повністю повернути собі свої операції з уловлювання вуглецю, а також реінтеграцію AKH Holding (проекти Mainstream Renewable Power та зеленого аміаку в Нарвіку) до складу Aker Horizon після окремого лістингу деяких її акцій.

джерело: Акер

Це робить його гарним варіантом для інвесторів, які шукають довгострокового впливу на сектор зеленої енергетики загалом, з сильним акцентом на зелений аміак, а також інші види зеленої енергії та певною географічною диверсифікацією від північноамериканських акцій.

Посилання на дослідження

^{1. Wanping Xu, Jiaqian Wang, Tianqi Zhang, Jungmi Hong, Qiang Song, Zhongkang Han, Patrick Cullen. (2025) Регулювання багатофункціональних кисневих вакансій для плазмокерованого перетворення повітря на аміак. Angewandte Chemie. 22 квітня 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202508240}