Amoniak odgrywa dotychczas przede wszystkim rolę w produkcji nawozów sztucznych. Jednak w przyszłości gaz ten może stać się efektywnym nośnikiem wodoru i przyjaznym dla klimatu zamiennikiem paliw kopalnych, odgrywając kluczową rolę w transformacji energetycznej, jak twierdzi Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM, ponieważ można go wytworzyć bez emisji CO2 z azotu i wodoru. Ponadto oferuje wiele korzyści w transporcie i magazynowaniu.
„Amoniak to nośnik wielkiego potencjału dla zrównoważonej transformacji naszego systemu energetycznego”, wyjaśnia dr Gunther Kolb, szef działu energii i zastępca dyrektora instytutu Fraunhofer IMM w Moguncji.
Jak uzyskać transport z minimalnymi stratami?
Według niego wyzwanie transformacji energetycznej polega nie tylko na wystarczającej produkcji energii bezemisyjnej, ale także na transporcie z minimalnymi stratami do miejsc o niższym potencjale energetycznym - ponieważ zielona energia elektryczna może być produkowana w dużych ilościach szczególnie w miejscach o dużej wietrzności lub nasłonecznieniu, na przykład w Chile lub Australii.
Zastosowanie amoniaku mogłoby więc przynieść pewne korzyści. Według IMM zielony wodór H2 – jako możliwość magazynowania zielonej energii – w połączeniu z azotem N2 w stosunku 3:1 może być przekształcony w amoniak NH3 i w tej formie być przechowywany i transportowany z wyraźnie mniejszymi stratami.
Amoniak pozostaje płynny przy ciśnieniu atmosferycznym już przy ciśnieniu wynoszącym zaledwie 7,5 bara lub przy schłodzeniu do około -33 stopni Celsjusza. Z kolei
czysty wodór musi być wprowadzony do próżni i schłodzony do -253 stopni Celsjusza w celu skroplenia przy niskim ciśnieniu – a to wymaga dużego nakładu energii.
Ponadto amoniak ma większą gęstość energii objętościowej niż ciekły wodór, co oznacza, że może transportować więcej energii na jednostkę objętości.
„Do wytworzenia amoniaku z wodoru i azotu potrzeba tylko około pięciu procent więcej energii niż do wytworzenia wodoru z zielonej energii”, wyjaśnia Kolb i dodaje: „A zarówno produkcja, jak i rozszczepienie amoniaku są całkowicie wolne od CO2.”
Podkreśla, że amoniak jest toksyczny i palny, przez co uznawany jest za materiał niebezpieczny, wymagający odpowiednich środków ostrożności. Jednakże, już obecnie na potrzeby produkcji nawozów bezpiecznie transportuje się go na statkach i po torach kolejowych w ilości 25 milionów ton rocznie na całym świecie.
Do zastosowania w przemyśle chemicznym lub jako nośnik energii, według IMM, amoniak musi być ponownie rozszczepiany na swoje składniki, azot i wodór, w miejscu docelowym – jak najlepiej zmniejszając straty energii.
Gaz ten jest rozszczepiany w reaktorze przy temperaturze około 600 stopni Celsjusza z użyciem nieorganicznego katalizatora opartego na niklu o dużej powierzchni wewnętrznej.
„Obecnie w miejscach bogatych w zieloną energię, takich jak Australia czy Chile, budowane są pierwsze duże elektrolizery do produkcji amoniaku. Po stronie europejskiej, na przykład w Rotterdamie, powstaje jednocześnie jedna z
pierwszych dużych instalacji do rozszczepiania”, mówi Kolb.
Budowa sieci podstawowej dla wodoru
Odzyskany wodór ma być dystrybuowany rurociągami do miejsc wykorzystania. Jednak zainteresowani odbiorcy, zwłaszcza małe firmy, często nie mają dostępu do rurociągów wodorowych. W Niemczech infrastruktura wodorowa jest obecnie w fazie budowy.
Do 2032 roku ma powstać sieć podstawowa wodoru o całkowitej długości około 9 000 kilometrów – głównie poprzez przekształcenie rurociągów gazu ziemnego. Niemniej jednak, według IMM, także po tym terminie, duże obszary pozostaną bez połączenia z dostawą wodoru.
Lokalne zaopatrzenie dzięki zdecentralizowanej technologii rozszczepiania
Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM zajmuje się w tym celu w kilku projektach badawczych kwestią oszczędnej przestrzennie, efektywnej i przede wszystkim zdecentralizowanej technologii rozszczepiania amoniaku.
Zgodnie z wypowiedzią Kolba zdecentralizowana technologia rozszczepiania ma efektywnie i bezemisyjnie wypełnić tę lukę w zaopatrzeniu dla zapotrzebowania rzędu od 100 kilogramów do 10 ton wodoru dziennie.
„W ramach projektu Ammonpaktor wspieranego przez kraj związkowy Nadrenia-Palatynat, wspólnie z Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, już opracowaliśmy kompaktowy rozszczepianie amoniaku, który dzięki naszej innowacyjnej technologii płytowych wymienników ciepła i zintegrowanemu spalaniu gazów resztkowych wykorzystywanych w procesie adsorpcji ciśnieniowej uzyskuje wydajność na poziomie 90 procent – w porównaniu do 70 procent w przypadku tradycyjnych technologii”, mówi Kolb.
Do tej metody rozszczepiania nie potrzeba dodatkowego paliwa ani energii elektrycznej: energia do ogrzewania
reaktora generowana jest bezpośrednio w reaktorze rozdzielającym przy użyciu strumieni gazów resztkowych. Według badaczy reaktor Ammonpaktor jest również około 90 procent mniejszy niż konwencjonalne reaktory – co jest korzystne dla zastosowań mobilnych i w ograniczonej przestrzeni.
Inna zaleta: Dzięki wykorzystaniu gazów resztkowych technologia ta ma również mniejszy ślad węglowy niż koncepcje reaktorów ogrzewanych elektrycznie.
Różnicę czyni także innowacyjny płytowy wymiennik ciepła pokryty katalizatorem, opracowany przez Fraunhofer IMM.
„Zamiast jak zwykle w rurach ogrzewanych zewnętrznie do około 900 stopni Celsjusza, ciepło niezbędne do rozszczepienia w naszej technologii generowane jest bezpośrednio tam, gdzie jest potrzebne. Nasza instalacja ma dzięki temu znacznie lepszy transfer ciepła. Oznacza to ogromne oszczędności energii.”
W siedzibie Fraunhofer IMM w Moguncji znajduje się już gotowy prototyp, który ma umożliwić produkcję około 75 kg wodoru dziennie - co odpowiada mniej więcej dziennej wydajności ogniwa paliwowego o mocy 50 kW.
„Dzięki tej ilości można na przykład obsłużyć małą stację tankowania wodoru”, mówi Kolb.
Projekty badawcze
Co jest kolejnym celem rozwoju? Skala produkcji do dziesięciu ton dziennie, m.in. w ramach pięcioletniego morskiego projektu UE Gamma oraz wiodącego projektu Fraunhofera AmmonVektor.
Ostatni projekt obejmuje cały łańcuch wartości zielonego amoniaku, aby wodór był dostępny zdecentralizowanie i jak najtańszy. Trzyletni projekt wystartował na początku 2024 roku i jest prowadzony przez Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik
