Søger efter en egnet kemisk energivektor
En lovende kandidat til denne rolle er ammoniak; et ammoniakmolekyle består af et nitrogenatom og tre hydrogenatomer (til sammenligning har et metanmolekyle et kulstofatom og fire hydrogenatomer). Ammoniak kan syntetiseres fra råstoffer, som vi har i overflod, nemlig vand og luft, ved hjælp af vedvarende energi.
Ammoniak, NH3
Den jordiske atmosfære består af ca. 78 procent kvælstof, og dette kan let udskilles fra luften. Brint kan udvindes af vand via en proces, der kaldes elektrolyse. Når brint og kvælstof er fremstillet, kan de kombineres i en industristandardreaktion kaldet Haber-Bosch-processen for at fremstille ammoniak. Hvis der anvendes vedvarende energi til at drive disse processer, bliver energien låst inde i ammoniakmolekylet uden direkte kulstofemissioner.
Ammoniakproduktionen er allerede 180 mio. tons/år til en værdi af 80 mia. euro
Ammoniak, eller NH3 for at give det sit korrekte kemiske navn, er allerede et vigtigt kemikalie. Den nuværende årlige globale produktion er på ca. 180 mio. tons om året med en markedsværdi på ca. 80 mia. euro om året.
På nuværende tidspunkt anvendes over 80 % af denne ammoniak i gødningsindustrien, men der er andre langt bredere anvendelsesmuligheder inden for energiomstillingen. Ammoniak har samme opbevaringsegenskaber som LPG (Liquified Petroleum Gas), idet det bliver flydende ved -33 grader Celsius under omgivende tryk og ved ca. 10 bar ved omgivende temperatur. Selv om ammoniak indebærer en betydelig risiko for toksicitet, er passende udstyr og sikre håndteringsprocedurer blevet veletableret gennem årtiers produktion i industriel skala.
Ammoniak produceres i store mængder på verdensplan til landbrugsgødning, men i øjeblikket anvendes naturgas eller andre fossile brændstoffer til at levere både brintråstoffet og energien til at drive synteseprocessen. De eksisterende ammoniakproduktionsanlæg er en stor udleder af CO2 og tegner sig for ca. 1,6 % af de nuværende globale emissioner.
Grønt brint øger ammoniakens potentiale
Selv om det er omkostningseffektivt til de nuværende industrielle anvendelser af ammoniak, betyder brugen af fossile råmaterialer og energikilder, at ammoniak endnu ikke har spillet en rolle som en energivektor – men det er nu ved at ændre sig. Ved at gå over til grøn brint, dvs. brint, der produceres ved hjælp af vedvarende energi via vandelektrolyse, kan kulstofemissionerne fra produktionen af ammoniak ophæves.
Siemens Green Ammonia Demonstrator
Med base på Rutherford Appleton Laboratory i Det Forenede Kongerige samler Siemens Green Ammonia Demonstrator alle de teknologier, der er nødvendige for at demonstrere den komplette ammoniak-energicyklus. Den grønne brint produceres ved hjælp af en 13 kilowatt (kW)-elektrolyser, der producerer 2,4 normale kubikmeter brint i timen (Nm3/h). Kvælstof fremstilles ved hjælp af en luftseparationsenhed på 7 kW, der udnytter princippet om tryk-svingningsabsorption til at producere 9 Nm3/time kvælstof. Vedvarende elektricitet leveres af en 20 kW vindmølle på forsøgsområdet.
Ved brint og kvælstof kombineres til fremstilling af ammoniak via en specialbygget Haber-Bosch-syntesenhed med en kapacitet på 30 kg ammoniak pr. dag. Ammoniakken opbevares som en væske under tryk i en tank med en kapacitet på 350 kg og anvendes derefter til at drive en 30 kWe generator med frem- og tilbagegående gnisttænding. Hele systemet styres af et skræddersyet Siemens PCS7-kontrolsystem til uovervåget drift.
Demonstratoren har til formål at vise, at denne proces ikke blot kan bruges til at reducere emissionerne fra produktionen af ammoniak til konventionelle anvendelser dramatisk, men at ammoniak også kan være en praktisk brintenergivektor, der yderligere reducerer CO2-emissionerne i vores energisystemer ved at sikre lagring af vedvarende energi i stor skala.
Teknologien til opskalering er allerede afprøvet
En særlig fordel ved ammoniak er, at den teknologi, der er nødvendig for at anvende den som energivektor, allerede findes i den nødvendige skala: industrielle luftseparationsprocesser til produktion af kvælstof er rutinemæssige; vandelektrolyse blev udført på industriel basis, før dampmetanreforming blev en billigere brintkilde; ammoniakbeholdere og tankskibe i stor skala har været i rutinemæssig drift i årtier. Fritz Haber fik sin Nobelpris for syntesen af ammoniak fra dets grundstoffer i 1918; Carl Bosch blev anerkendt for sin indsats for at udvikle denne proces til en proces i industriel skala med en Nobelpris i 1931; og infrastrukturen til støtte for ammoniakindustrien er blevet optimeret løbende lige siden.
Kemisk energi mod batterier
Jeg bliver ofte spurgt, hvilken lagringsteknologi der er den “bedste” løsning for vedvarende energi, og mit svar er, at vi er nødt til at anvende en række lagringsteknologier, der er egnede til en given anvendelse. Batterier har en vigtig rolle at spille, men en ulempe er, at lageromkostningerne ved batterier er lineære: Hvis man har brug for dobbelt så stor kapacitet, er det to batterier.
Når det gælder kemisk energilagring, kan man først afkoble effekt og energi. Man kan vælge gasturbinen til at levere den nødvendige effekt, og så bestemmer hvor længe man ønsker at køre denne motor i, hvor stor en tank man har brug for. Hvis man ønsker en stor energikapacitet, skal man blot gøre tanken større, hvilket er relativt billigt – især i store skalaer.
Fremtiden for ammoniak
Til opbevaring af store mængder energi giver kemiske brændstoffer et energitæt og praktisk medium – det er derfor, de er allestedsnærværende i dag. Udfordringen med de brændstoffer, vi bruger nu, er de kulstofemissioner, der opstår ved afbrænding af dem. En måde at tænke på ammoniak på er, at det løser det gådefulde problem med at erstatte kulbrintebrændstoffer med noget, der ikke indeholder kulstof, samtidig med at det overvinder udfordringerne ved at lagre og distribuere brint i store mængder. En af de lokkende ting ved ammoniak er, at der i dag er en meget etableret ammoniakindustri.
Der er blevet gennemført mange undersøgelser af vores fremtidige energisystem, og selv om disse er nyttige og informative, kommer der et tidspunkt, hvor man er nødt til at begynde at bygge og afprøve systemer for at lære om de reelle problemer, der er forbundet med at anvende dem i praksis. Og for ammoniak som en grøn energivektor tror jeg, at tiden er inde nu.
***
Ian Wilkinson er programchef hos Siemens Gas & Power