Ultimativ energilagring: Ammoniak
Utmaningar med grön energi
Med tanke på att klimatförändringarna leder till allt oftare extrema väderförhållanden och att IPCC har satt upp mål om att minska utsläppen för att förhindra en temperaturhöjning på ytterligare 1,5 grader, gör världen ansträngningar för att övergå till förnybar energi. Med den globala övergången från fossila bränslen till grön energi på gång finns det ett behov av långsiktig lagring och långdistansöverföring av denna gröna energi. Ammoniak är väl lämpad för båda tillämpningarna, eftersom flytande ammoniak vid rumstemperatur är en mycket effektiv vätgasbärare som lätt kan transporteras. Bränsleceller som kan utnyttja vätgas från ammoniak erbjuder betydande genombrott när det gäller att övervinna de viktigaste utmaningarna för grön energi:
- Försörja grön energi när andra förnybara energikällor är tillgängliga intermittent
Solenergi produceras endast när solen skiner. Vindenergi produceras endast när det blåser. Det faktum att tillgången till dessa alltmer populära källor till förnybar energi begränsas av väderförhållanden ökar i betydelse i takt med att dessa energikällor utgör en större del av den totala energiproduktionen. Den bristande överensstämmelsen mellan produktionen av förnybar energi och konsumenternas efterfrågan visas i den numera berömda kurvan för förnybar energi; de fluktuationer i energibalansen som orsakas av förnybara energikällor skapar allvarliga utmaningar för de elbolag som måste tillgodose denna efterfrågan. Svaret på denna utmaning kommer att komma från lätt tillgängliga lösningar för lagring av förnybar energi. Bränsleceller med hög tillgänglighet kan vara en viktig del av dessa lösningar.
.png)
- Utnyttja överskottskapacitet från förnybara energikällor
Istället för att begränsa överskottskapaciteten som genereras av förnybara energikällor kan denna överskottsenergi lagras som flytande ammoniak för framtida användning i bränsleceller. Denna källa till ammoniak skulle vara ett rent alternativ till den industriella ammoniak som produceras via Haber-Bosch-produktionsprocessen.
- Ett grönt, billigare alternativ till diesel
Dieselgeneratorer har hittills spelat en viktig roll när det gäller att tillhandahålla el i fattiga nätekonomier i utvecklingsländer. Dessa generatorer är åtminstone delvis ansvariga för de luftföroreningar från diesel och andra fossila bränslen som orsakar 7 miljoner människors död i världen varje år. Att ersätta dieselbränsle med ”grön ammoniak” som energibärare skulle göra ren och pålitlig grön energi tillgänglig för de 3,5 miljarder människor som lever i områden som inte är anslutna till elnätet eller som är fattiga på elnätet. Lanseringen av GenCell A5-lösningen för telekomtorn och elektrifiering av landsbygden, som drivs med ammoniak, kommer att ge tillgång till energi för miljontals människor som nu fortfarande befinner sig utanför elnätet.
Ansatser för lagring av förnybar energi
Intill i dag har energimarknaden främst fokuserat på två huvudstrategier för lagring av förnybar energi – uppladdningsbara batterier och vätgas. Olika tekniker används för att utveckla uppladdningsbara batterier av olika typer och storlekar. Fördelarna med batterier är bland annat energieffektivitet och lång livslängd tack vare laddning och transportabilitet. Å andra sidan omfattar deras nackdelar deras betydande vikt och fotavtryck, deras höga produktionskostnader, snabba försämring, säkerhetsrisker och problem kring deras bortskaffande.
Parallellt med batterier är en annan populär trend för energilagring baserad på väteteknik, t.ex. tillämpningar som utnyttjar vätgas för att driva bränsleceller, laddningsbara fordon och mobila maskiner, bland andra innovativa tillämpningar. Tillämpningar som elektrolys producerar ren, grön vätgas från vatten med hjälp av överskott av förnybar energi; denna vätgas kan transporteras, lagras och möjliggöra återelektrifiering med hjälp av bränsleceller.
Lagringskapaciteten för energi i form av vätgas är mycket högre än för batterier. Så varför har denna teknik inte erövrat marknaden? Anledningen är att energilagring i form av väte är en utmaning. Det är inte enkelt att bygga upp en livskraftig vätgasinfrastruktur för leverans från produktions- till förbrukningsställen. Centraliserad massproduktion av vätgas, oavsett om den sker som gas eller vätska, medför höga leverans- och distributionskostnader, medan distribuerad produktion i små volymer är oöverkomligt dyr. Vätgasleveranserna begränsas av höga kostnader, energieffektivitetsförluster under transporten, problem med vätgasens renhet och risken för läckage.
Vetenskapsmännen arbetar på nya vätgasbärare för att övervinna dessa begränsningar. Vätgasbärare kan lagra vätgas i ett annat kemiskt tillstånd än fria vätgasmolekyler. En intressant metod för att leverera vätgas innebär att man hydrider en kemisk förening på produktionsplatsen och sedan dehydriderar den på leveransplatsen eller i en bränslecell. Potentiella bärare är bland annat kemisk och fysisk lagringsteknik som metallhydrider, kol eller andra nanostrukturer och reversibla kolväten. Andra metoder innebär att man pumpar in vätgas i underjordiska grottor, av vilka många har skapats i samband med gruvdrift, där vätgasen lagras på ett säkert sätt. Power to Gas-tekniken injicerar vätgas i naturgas som transporteras via befintlig infrastruktur. Vid förbränning frigörs energin; genom att ersätta 20 % av kolet med väte minskar utsläppen på samma sätt med 20 %.
Ammoniak som energibärare
Ett annat alternativ är att använda ammoniak som energibärare. Fördelarna är många. För det första är ammoniak ekonomisk. Tillgänglighet – den näst mest producerade kemikalien i världen, 200 miljoner ton ammoniak produceras per år. Transportabilitet – ammoniak är lätt att lagra och kräver ingen högtrycksförvaring. En annan viktig fördel är ammoniakens kemiska kompatibilitet med alkaliska bränsleceller som använder en alkalisk elektrolyt. Och när ammoniak krackas för att producera vätgas släpps inga skadliga föroreningar ut. Eftersom det inte finns något kol produceras inte heller några biprodukter av kol – ammoniak är alltså ett ”koldioxidneutralt” alternativ för framtiden. Ammoniak är visserligen en giftig kemikalie med en stark lukt, men när den hanteras med omsorg och i enlighet med bestämmelserna används den på ett säkert sätt inom bland annat jordbruk, kylning, halvledare, hårfärgningsmedel och vattenrening. Men den största fördelen med ammoniak som vätgasbärare är att den som vätska, med mild trycksättning och utan kryogena begränsningar, erbjuder en hög lagringstäthet för vätgas.
Redan i dag har GenCell utvecklat en bränslecell som utnyttjar flytande ammoniak för att driva en kraftlösning utanför elnätet som fungerar som ett autonomt ”nanokraftverk” bortom elnätet, vilket gör det möjligt för oss att ersätta förorenande dieselgeneratorer när det gäller att tillhandahålla el bortom elnätet. I dag drivs dessa bränsleceller med industriellt framställd ammoniak, som huvudsakligen framställs genom den allmänt använda men mycket förorenande Haber-Bosch-processen. I Haber-Bosch-processen för ammoniaksyntes reagerar kväve med väte med hjälp av en metallkatalysator. Processen genomförs vid ett tryck på 200 atm och höga reaktionstemperaturer på nästan 500 °C. Det finns påståenden om att Haber-Bosch-processen är en av de största orsakerna till att reaktivt kväve byggs upp i biosfären. För att kunna erbjuda helt grön energi arbetar vi med att utveckla en miljövänlig process för att skapa grön ammoniak som kan ersätta den förorenande Haber-Bosch-processen. Detta skulle möjliggöra industriell produktion av ren ammoniak med hjälp av förnybar energi för ett brett spektrum av tillämpningar, från gödningsmedel och vattenrening till att tillhandahålla bränsle för alkaliska bränslecellslösningar. Eftersom denna ekvation inte innehåller något kol kommer denna teknik, när den är färdigutvecklad, att göra det möjligt för oss att ha 100 % grön distribuerad elproduktion. Vi tänker oss att vi kan möjliggöra ett helt rent energikretslopp genom att producera grön ammoniak på plats med hjälp av sol- och vindenergi, använda ammoniaken för att driva alkaliska bränslecellsgeneratorer var som helst utanför elnätet, möjliggöra elektrifiering av landsbygden och föra världen närmare elnätets likvärdighet. För mer information, kontakta oss på [email protected].
.