Sopivaa kemiallista energiavektoria etsitään
Yksi lupaavaksi ehdokkaaksi tähän tehtävään on ammoniakki; ammoniakkimolekyyli koostuu yhdestä typpiatomista ja kolmesta vetyatomista (vertailun vuoksi, metaanimolekyylissä on yksi hiiliatomi ja neljä vetyatomia). Ammoniakkia voidaan syntetisoida uusiutuvalla energialla raaka-aineista, joita meillä on runsaasti, eli vedestä ja ilmasta.
Ammoniakki, NH3
Maailman ilmakehässä on noin 78 prosenttia typpeä, ja se voidaan helposti erottaa ilmasta. Vedystä voidaan saada vetyä elektrolyysiksi kutsutun prosessin avulla. Kun vetyä ja typpeä on tuotettu, ne voidaan yhdistää teollisuusstandardin mukaisessa reaktiossa nimeltä Haber-Bosch-prosessi ammoniakin tuottamiseksi. Jos uusiutuvaa energiaa käytetään näiden prosessien voimanlähteenä, energia sitoutuu ammoniakkimolekyyliin ilman suoria hiilidioksidipäästöjä.
Ammoniakin tuotanto on jo nyt 180 miljoonaa tonnia vuodessa ja sen arvo on 80 miljardia euroa
Ammoniakki eli NH3, joka on sen oikea kemiallinen nimi, on jo nyt merkittävä kemikaali. Nykyinen maailmanlaajuinen vuosituotanto on noin 180 miljoonaa tonnia vuodessa, ja sen hyödykemarkkina-arvo on noin 80 miljardia euroa vuodessa.
Nykyisin yli 80 prosenttia tästä ammoniakista käytetään lannoiteteollisuudessa, mutta sille on muitakin paljon laajempia käyttötarkoituksia energiamurroksessa. Ammoniakilla on samanlaiset varastointiominaisuudet kuin nestekaasulla (LPG), sillä se nesteytyy -33 celsiusasteessa ympäristön paineessa ja noin 10 baarissa ympäristön lämpötilassa. Vaikka ammoniakki sisältää merkittävän myrkyllisyysriskin, sopivat laitteet ja turvalliset käsittelymenetelmät on vakiinnutettu vuosikymmeniä kestäneen teollisen tuotannon aikana.
Ammoniaa tuotetaan maailmanlaajuisesti valtavia määriä maatalouden lannoitteita varten, mutta nykyisin se käyttää maakaasua tai muita fossiilisia polttoaineita sekä vedyn raaka-aineena että synteesiprosessin käyttövoimana käytettävän energian tuottamiseen. Nykyiset ammoniakin tuotantolaitokset aiheuttavat suuria hiilidioksidipäästöjä, noin 1,6 prosenttia nykyisistä maailmanlaajuisista päästöistä.
Vihreä vety lisää ammoniakin potentiaalia
Kustannustehokas ammoniakin nykyisissä teollisissa käyttötarkoituksissa, mutta fossiilisten raaka-aineiden ja energialähteiden käyttö tarkoittaa, että ammoniakilla ei ole vielä merkitystä energiavektorina – mutta tämä on nyt muuttumassa. Siirtymällä vihreään vetyyn eli vetyyn, joka tuotetaan uusiutuvalla energialla vesielektrolyysin avulla, ammoniakin tuotannosta aiheutuvat hiilidioksidipäästöt voidaan poistaa.
Siemens Green Ammonia Demonstrator
Siemens Green Ammonia Demonstrator sijaitsee Yhdistyneessä kuningaskunnassa Rutherford Appleton Laboratory -laboratoriossa, ja sen avulla voidaan demonstroida ammoniakin täydellistä energiakiertoa. Vihreää vetyä tuotetaan 13 kilowatin (kW) elektrolyyserillä, joka tuottaa vetyä 2,4 normaalikuutiometriä tunnissa (Nm3/h). Typpi saadaan 7 kW:n ilmanerotusyksiköllä, joka hyödyntää painevaihteluabsorptioperiaatetta ja tuottaa typpeä 9 Nm3/h. Uusiutuvaa sähköä tuottaa testialueella sijaitseva 20 kW:n tuuliturbiini.
Vety ja typpi yhdistetään ammoniakin tuottamiseksi räätälöidyllä Haber-Bosch-synteesilaitteistolla, jonka kapasiteetti on 30 kg ammoniakkia päivässä. Ammoniakki varastoidaan paineistettuna nesteenä 350 kg:n säiliöön, ja sitä käytetään sitten 30 kWe:n edestakaisen kipinäsytytysgeneraattorin käyttövoimana. Koko järjestelmää ohjataan Siemensin PCS7-ohjausjärjestelmällä, joka on räätälöity valvomatonta käyttöä varten.
Demonstraattorin tavoitteena on osoittaa, että tämän prosessin avulla voidaan vähentää huomattavasti ammoniakin tuotannosta tavanomaisiin käyttötarkoituksiin aiheutuvia päästöjä ja että ammoniakki voi olla myös käytännöllinen vetyenergiavektori, joka vähentää entisestään hiilidioksidipäästöjä kaikissa energiajärjestelmissämme varastoimalla mittakaavassa uusiutuvaa energiaa.
Mittakaavoitusteknologiaa on jo kokeiltu ja testattu
Ammoniakin erityisenä etuna on se, että teknologia, jota tarvitaan ammoniakin käyttämiseen energiavektorina, on jo olemassa tarvittavassa mittakaavassa: teolliset ilmanerotusprosessit typen tuottamiseksi ovat rutiinikäytäntöjä; vesielektrolyysia suoritettiin teollisesti ennen kuin höyryllä tapahtuvasta metaanin reformoinnista tuli edullisempi vedyn lähde; suuren mittakaavan ammoniakkisäiliöt ja -säiliöajoneuvot ovat olleet rutiininomaisessa käytössä vuosikymmeniä. Fritz Haber sai Nobel-palkintonsa ammoniakin synteesistä alkuaineista vuonna 1918; Carl Bosch sai Nobel-palkinnon vuonna 1931 ponnisteluistaan tämän prosessin kehittämiseksi teolliseen mittakaavaan; ja ammoniakkiteollisuutta tukevaa infrastruktuuria on optimoitu jatkuvasti siitä lähtien.
Kemiallinen energia vs. akut
Minulta kysytään usein, mikä varastointiteknologia on ”paras” ratkaisu uusiutuvalle energialähteelle, ja vastaukseni on se, että meidän on hyödynnettävä erilaisia varastointitekniikoita, jotka soveltuvat tiettyyn sovellukseen. Akuilla on tärkeä rooli, mutta yksi haittapuoli on se, että akkujen varastointikustannukset ovat lineaariset: jos tarvitaan kaksinkertainen kapasiteetti, tarvitaan kaksi akkua.
Kemiallisessa energian varastoinnissa teho ja energia voidaan ensin irrottaa toisistaan. Voit valita kaasuturbiinin tuottamaan tarvittavan tehon, ja sitten se, kuinka kauan haluat käyttää kyseistä moottoria, määrittää tarvittavan säiliön koon. Jos haluat suuren energiakapasiteetin, sinun tarvitsee vain tehdä säiliöstä suurempi, mikä on suhteellisen halpaa – etenkin suurissa mittakaavoissa.
Ammoniakin tulevaisuus
Kemialliset polttoaineet tarjoavat suurten energiamäärien varastointiin energiatiheän ja kätevän väliaineen – siksi ne ovat nykyään kaikkialla läsnä. Nykyisin käyttämiemme polttoaineiden haasteena ovat niiden poltosta aiheutuvat hiilidioksidipäästöt. Yksi tapa ajatella ammoniakkia on se, että se ratkaisee ongelman hiilivetypolttoaineiden korvaamisesta jollakin, joka ei sisällä lainkaan hiiltä, ja samalla se ratkaisee vedyn varastointiin ja jakeluun irtotavarana liittyvät haasteet. Yksi ammoniakkiin liittyvistä houkuttelevista seikoista on se, että ammoniakkiteollisuus on nykyään hyvin vakiintunutta.
Tulevaisuuden energiajärjestelmästä on tehty paljon tutkimuksia, ja vaikka ne ovatkin hyödyllisiä ja informatiivisia, tulee aika, jolloin on alettava rakentaa ja testata järjestelmiä, jotta opitaan tuntemaan niiden käyttöönottoon liittyvät todelliset ongelmat. Ja ammoniakin osalta vihreänä energiavektorina uskon, että tämä aika on nyt.
***
Ian Wilkinson on ohjelmapäällikkö Siemens Gas & Power
:ssä.