Amoniak i jego potencjał w roli ekologicznego nośnika wodoru
Energia odnawialna z wiatru lub paneli fotowoltaicznych charakteryzuje się nieregularnością i niestabilnością produkcji, a zaspokojenie zapotrzebowania wymaga jej skutecznego magazynowania. Bogaty w wodór amoniak jest łatwy w transporcie i może być przechowywany w dużych ilościach przez długi czas. Dzięki temu jest doskonałym potencjalnym nośnikiem zielonego wodoru, który może zostać wykorzystany w pojazdach elektrycznych i procesie wytwarzania energii, a także jako potencjalne paliwo do silników spalinowych i ogniw paliwowych z tlenkiem stałym. Amoniak jest przede wszystkim bezemisyjny. „W praktyce oznacza to, że można wytwarzać i transportować amoniak, a jego rozbijanie nie powoduje emisji dwutlenku węgla do atmosfery", wyjaśnia José Luis Viviente, koordynator projektu ARENHA(odnośnik otworzy się w nowym oknie), który pełni również funkcję kierownika projektu i starszego badacza w hiszpańskim ośrodku rozwoju technologii TECNALIA(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Udało nam się wykazać, że amoniak może być wykorzystywany jako nośnik wodoru”, mówi Viviente. W ramach projektu zespół opracował także szereg innowacyjnych prototypów. „Skupiliśmy się na całym łańcuchu wartości, biorąc pod uwagę każdy szczebel, począwszy od energii ze źródeł odnawialnych, a kończąc na wykorzystaniu amoniaku. Opracowaliśmy innowacyjne technologie produkcji wodoru, syntezy amoniaku i rozbijania amoniaku, a także możliwości wykorzystania tych rozwiązań w transporcie, energetyce, przemyśle i rozwoju energii odnawialnej”, wyjaśnia badacz.
Łatwy transport i magazynowanie amoniaku
„Amoniak jest wykorzystywany do produkcji nawozów, zatem jego obróbka przemysłowa nie jest nam obca”, zauważa Viviente. „Mamy infrastrukturę pozwalającą na jego magazynowanie i transport, musimy jedynie przejść na jego ekologiczną produkcję”. Transport i przechowywanie amoniaku wiąże się z szeregiem korzyści w porównaniu z wodorem - amoniak przechodzi do ciekłego stanu skupienia w temperaturze wynoszącej około minus 35 stopni Celsjusza przy standardowym ciśnieniu atmosferycznym, z kolei ciekły wodór wymaga utrzymania temperatury niższej o około 253 stopni od temperatury pokojowej, co utrudnia jego transport. „Dzięki amoniakowi zielony wodór może być produkowany w miejscach z dostępem do taniej energii odnawialnej i transportowany do innych krajów. Można też dostarczyć amoniak do miejsc, w których nie ma rurociągów pozwalających na przesył wodoru”, wyjaśnia badacz.
Opracowanie prototypów elektrolizerów
W ramach projektu badacze opracowali prototypy dwóch rodzajów elektrolizerów opartych na tlenkach stałych. „Nasz zespół poprawił właściwości elektrolizerów dzięki modyfikacji mikrostruktury i materiałów, zmniejszając ilość energii potrzebnej do wytworzenia stałej ilości wodoru”, zauważa Viviente. Umożliwiło to przekazanie jednego z prototypów spółce Nucera(odnośnik otworzy się w nowym oknie), będącej jednym z czołowych dostawców zielonych technologii wodorowych, w celu opracowania wersji komercyjnej rozwiązania.
Prototypowe rozwiązanie do syntezy amoniaku
Trzecie prototypowe rozwiązanie posłużyło do syntezy amoniaku i pozwoliło na wytwarzanie 10 kilogramów amoniaku dziennie. Niestety, urządzenie nie doczekało się testów ze względu na opóźnienia spowodowane przez pandemię COVID-19 i problemy z dostawami materiałów. Mimo to badaczom udało się zgromadzić istotne dane. Jak zauważa Viviente: „Nowy obieg syntezy amoniaku wykorzystuje nowatorską konfigurację i materiały, które pozwalają nam produkować amoniak w łagodniejszych warunkach niż w przypadku istniejących rozwiązań komercyjnych”.
Prototypowe rozwiązanie do krakingu amoniaku
Badacze zaprezentowali także nową koncepcję krakingu amoniaku - chemicznego rozkładu amoniaku w celu uzyskania wodoru o wysokiej czystości. „Nowy proces wykorzystuje katalityczny reaktor membranowy umożliwiający pracę w niższych temperaturach niż konwencjonalne rozwiązania”, dodaje Viviente. Skuteczność tej koncepcji została wykazana w ramach innych procesów chemicznych badanych w kontekście dotychczasowych projektów finansowanych ze środków Unii Europejskiej, takich jak DEMCAMER i ReforCELL, w których reakcja i separacja odbywają się jednocześnie w pojedynczym katalitycznym reaktorze membranowym. „Dzięki połączeniu membran z reaktorem, rozkład i separacja wodoru są przeprowadzane jednocześnie w tym samym miejscu, poprawiając wydajność rozkładu amoniaku w porównaniu z konwencjonalnym procesem”, zauważa badacz. „Ogranicza to liczbę etapów procesu do zaledwie jednego”. „Dzięki temu możemy także obniżyć bardzo wysokie temperatury, w których odbywa się proces krakingu, obniżając koszty i zmniejszając zapotrzebowanie procesu na energię”.
