Söker en lämplig kemisk energivektor
En lovande kandidat för denna roll är ammoniak; en ammoniakmolekyl består av en kväveatom och tre väteatomer (som jämförelse kan nämnas att en metanmolekyl består av en kolatom och fyra väteatomer). Ammoniak kan syntetiseras från råvaror som vi har i överflöd, nämligen vatten och luft, med hjälp av förnybar energi.
Ammoniak, NH3
Jordatmosfären består till ungefär 78 procent av kväve och detta kan lätt avskiljas från luften. Väte kan utvinnas ur vatten genom en process som kallas elektrolys. När väte och kväve har framställts kan de kombineras i en industristandardreaktion som kallas Haber-Bosch-processen för att framställa ammoniak. Om förnybar energi används för att driva dessa processer blir energin låst i ammoniakmolekylen, utan några direkta koldioxidutsläpp.
Ammoniakproduktionen uppgår redan till 180 miljoner ton/år och är värd 80 miljarder euro
Ammoniak, eller NH3 för att ge det dess korrekta kemiska namn, är redan en viktig kemikalie. Den nuvarande årliga globala produktionen är cirka 180 miljoner ton per år, med ett marknadsvärde på cirka 80 miljarder euro per år.
För närvarande används över 80 procent av denna ammoniak i gödselmedelsindustrin, men det finns andra mycket bredare användningsområden för den inom energiomställningen. Ammoniak har liknande lagringsegenskaper som flytande petroleumgas (LPG) eftersom den blir flytande vid -33 grader Celsius under omgivningstryck och vid cirka 10 bar i omgivningstemperatur. Ammoniak innebär en betydande risk för toxicitet, men lämplig utrustning och säkra hanteringsrutiner har etablerats under årtionden av produktion i industriell skala.
Ammoniak produceras i stora mängder över hela världen för jordbruksgödsel, men för närvarande används naturgas eller andra fossila bränslen för att tillhandahålla både vätgasråvaran och energin för att driva syntesprocessen. Befintliga ammoniakproduktionsanläggningar är en stor utsläppare av koldioxid och står för cirka 1,6 procent av de nuvarande globala utsläppen.
Grönt vätgas ökar ammoniakens potential
Sammantaget är det visserligen kostnadseffektivt för dagens industriella användningsområden för ammoniak, men användningen av fossila råvaror och energikällor innebär att ammoniak ännu inte har spelat någon roll som energivektor – men det håller nu på att förändras. Genom att gå över till grönt vätgas, dvs. vätgas som produceras med förnybar energi via vattenelektrolys, kan koldioxidutsläppen från produktion av ammoniak negeras.
Siemens Green Ammonia Demonstrator
Siemens Green Ammonia Demonstrator, som är baserad vid Rutherford Appleton Laboratory i Storbritannien, samlar all den teknik som krävs för att demonstrera den kompletta ammoniakens energicykel. Den gröna vätgasen produceras med hjälp av en elektrolysator på 13 kilowatt (kW) som producerar 2,4 normal kubikmeter vätgas per timme (Nm3/h). Kväve erhålls från en luftsepareringsenhet på 7 kW som utnyttjar principen om tryckväxlingsabsorption för att producera 9 Nm3/timme kväve. Förnybar el levereras av ett 20 kW vindkraftverk på testplatsen.
Vätgasen och kvävet kombineras för att producera ammoniak via en specialbyggd Haber-Bosch-syntesenhet med en kapacitet på 30 kg ammoniak per dag. Ammoniaken lagras som en trycksatt vätska i en tank med en kapacitet på 350 kg och används sedan för att driva en 30 kWe generator med fram- och återgående gnisttändning. Hela systemet styrs av ett skräddarsytt Siemens PCS7-kontrollsystem för obevakad drift.
Det är meningen att demonstratorn ska visa att denna process inte bara kan användas för att dramatiskt minska utsläppen från produktion av ammoniak för konventionella användningsområden, utan att ammoniak också kan vara en praktisk vätgasvektor, som ytterligare kan minska CO2-utsläppen i våra energisystem genom att möjliggöra lagring av förnybar energi i stor skala.
Tekniken för uppskalning är redan beprövad
En särskild fördel med ammoniak är att den teknik som krävs för att använda den som energivektor redan finns i den nödvändiga skalan: industriella luftseparationsprocesser för att producera kväve är rutinmässiga; vattenelektrolys utfördes på industriell basis innan metanreformering med ånga blev en billigare vätgaskälla; storskaliga ammoniakbehållare och tankbilar har använts rutinmässigt i årtionden. Fritz Haber fick sitt Nobelpris för syntesen av ammoniak från dess grundämnen 1918, Carl Bosch fick Nobelpriset 1931 för sina ansträngningar att utveckla detta till en process i industriell skala, och infrastrukturen för att stödja ammoniakindustrin har optimerats kontinuerligt sedan dess.
Chemical Energy v Batteries
Jag får ofta frågan om vilken lagringsteknik som är den ”bästa” lösningen för förnybar energi, och mitt svar är att vi måste använda en rad olika lagringstekniker som är lämpliga för en viss tillämpning. Batterier har en viktig roll att spela, men en nackdel är att lagringskostnaden med batterier är linjär: om du behöver dubbla kapaciteten blir det två batterier.
När det gäller kemisk energilagring kan man först frikoppla kraft och energi. Du kan välja gasturbin för att ge den effekt som krävs, sedan avgör hur länge du vill köra den motorn under hur stor tank du behöver. Om du vill ha en stor energikapacitet behöver du bara göra tanken större, vilket är relativt billigt – särskilt i stor skala.
Framtiden för ammoniak
För att lagra stora energimängder erbjuder kemiska bränslen ett energitätt och bekvämt medium – det är därför de är allestädes närvarande i dag. Utmaningen med de bränslen vi använder nu är de koldioxidutsläpp som uppstår vid förbränning av dem. Ett sätt att tänka på ammoniak är att den löser problemet med att ersätta kolvätebränslen med något som inte innehåller något kol, samtidigt som den övervinner utmaningarna med att lagra och distribuera vätgas i stora mängder. En av de lockande sakerna med ammoniak är att det finns en mycket etablerad ammoniakindustri i dag.
Det har gjorts många studier om vårt framtida energisystem, och även om dessa är användbara och informativa kommer det en tid när man måste börja bygga och testa system för att lära sig om de verkliga problemen med att använda dem. Och när det gäller ammoniak som en grön energivektor tror jag att den tiden är inne.
***
Ian Wilkinson är programchef på Siemens Gas & Power
.