Một công ty nhỏ của Úc cho biết họ không chỉ có thể thay thế phương pháp sản xuất amoniac truyền thống mà còn có thể chiếm được một phần đáng kể thị trường mà các nhà sản xuất máy điện phân hydro xanh nhắm đến.
Đó là nếu công nghệ đơn giản nhưng cực kỳ phức tạp của nó hoạt động trên quy mô lớn.
PlasmaLeap cho biết gần như đã hoàn thành việc xây dựng một nguyên mẫu thương mại quy mô lớn của hệ thống chuyển plasma thành amoniac, một quy trình bổ sung thêm các ý tưởng xuất hiện vào những năm 2010 xung quanh việc khử cacbon trong quy trình sản xuất amoniac.
Giám đốc điều hành Frere Bryne cho biết: “Công nghệ chúng tôi xây dựng là một lò phản ứng hóa học sử dụng các khí có sẵn trong môi trường như không khí và carbon dioxide”.
“Nó sử dụng điện để kích thích những khí này lên trạng thái vật chất cao hơn gọi là plasma, khiến chúng có khả năng phản ứng cao. Sau đó chúng tôi tương tác các plasma này với nước.
“Lợi ích của công nghệ của chúng tôi là khả năng tương thích cao với năng lượng tái tạo, hoạt động trong điều kiện khí quyển [bình thường], sử dụng không khí và nước có sẵn dồi dào và tiết kiệm năng lượng hơn để tổng hợp trực tiếp nhiên liệu điện tử và hóa chất hơn bất kỳ thứ gì chúng tôi có thể tìm thấy. .
Cách thức hoạt động của nó là sủi bọt không khí, là sự kết hợp của khoảng 70% nitơ và 30% oxy, qua nước. Càng nhiều bong bóng thì càng tốt, vì những bong bóng này sau đó sẽ được điện bắn vào, tạo ra những tia chớp nhỏ giống như bão sét bên trong.
Việc nạp điện cho các phân tử không khí theo cách này sẽ “kích thích” các electron nitơ và biến bong bóng thành plasma – một loại khí oxit nitric tích điện. Plasma bị giữ lại dưới dạng bong bóng trong dung dịch nước.
Tuy nhiên, giờ đây, liên kết ba electron cực kỳ mạnh giữ các nguyên tử nitơ lại với nhau đã bị phá vỡ, nghĩa là nó có thể liên kết với các nguyên tố khác và bắt đầu hoạt động.
Nitơ có thể sử dụng
Là một dung dịch nước, nó có thể được phun lên cây trồng dưới dạng phân bón ngay lập tức hoặc có thể được đưa vào nửa sau của quy trình PlasmaLeap: một tế bào điện hóa sử dụng chất xúc tác đồng để đẩy phản ứng đi xa hơn, loại bỏ nitơ ra khỏi plasma và liên kết nó với hydro trong nước để tạo ra amoniac.
Hệ thống này loại bỏ yêu cầu tạo ra hydro và sử dụng nó làm thành phần trong công thức amoniac, vì nó chỉ đơn giản lấy trực tiếp các nguyên tử hydro từ nước.
Bryne cho biết ứng dụng thương mại đầu tiên của công nghệ này trong năm nay sẽ là sản xuất phân bón tại chỗ cho các trang trại, với một loạt công ty ở Tasmania và bờ biển phía đông Australia muốn thử nghiệm thuốc xịt nitơ DIY. Nếu mọi việc suôn sẻ, các đơn vị thương mại sẽ được thiết kế vào năm 2024.
Họ cũng có thể tạo ra nhiên liệu điện tử hydrocarbon từ lò phản ứng điện hóa, bằng cách hoán đổi carbon dioxide thành hydro và sử dụng chất xúc tác khác cũng như các vật liệu khác nhưng những sản phẩm này chỉ dành cho tương lai xa.
PlasmaLeap đã bán lò phản ứng plasma cho các trung tâm nghiên cứu và học thuật của công ty.
Trên thực tế cắt giảm lượng khí thải amoniac
Tuy nhiên, trò chơi chính sẽ là tạo ra amoniac làm phương tiện để vận chuyển hydro xanh đi một quãng đường dài mà không cần máy điện phân và phương pháp sản xuất amoniac hiện nay là hệ thống Haber Bosch được thiết kế năm 1908.
Gần 2% nguồn cung cấp điện của thế giới được sử dụng hàng năm để biến khí nitơ thành oxit có thể sử dụng làm phân bón, nhiên liệu tên lửa, chất nổ, thuốc nhuộm và vô số sản phẩm khác.
Hiện tại, hệ thống sản xuất amoniac của Haber-Bosch thải ra khoảng 300 triệu tấn carbon dioxide mỗi năm và sử dụng từ 3 đến 5% sản lượng khí hóa thạch hàng năm của thế giới.
Việc xanh hóa hệ thống đó là điều khó khăn vì các nhà máy của Haber-Bosch cần phải lớn và cần nguồn điện liên tục.
Các học giả Annemie Bogaerts và Erik C. Neyts của Đại học Antwerp đã viết rằng việc kết hợp chúng với việc tạo ra năng lượng gió và mặt trời vào ban ngày sẽ làm giảm sản lượng từ khoảng 2000 tấn NH3/ngày, sản lượng thông thường của một nhà máy thương mại lớn, xuống dưới 10 tấn NH3/ngày. Tạp chí Thư ACS.
Họ viết: “Giới hạn lý thuyết về mức tiêu thụ năng lượng của quá trình cố định N2 dựa trên plasma thấp hơn 2,5 lần so với mức tiêu thụ năng lượng của quá trình H–B”.
Năm 2018, họ nhận thấy hiệu suất từ phương pháp huyết tương là khoảng 25–30 g NH3/kWh, cần cải thiện khi so sánh với 150–200 g NH3/kWh đối với phương pháp Haber-Bosch.
PlasmaLeap dự kiến sẽ thu được 20kWh/kg amoniac từ phương pháp của mình sau khi hoàn thành vào cuối năm 2023, nhưng để đạt được điều đó là một chặng đường phức tạp.
Byrne cho biết cần phải làm việc rất nhiều để tìm ra cách đưa càng nhiều bong bóng vào nước càng tốt và tìm ra chất xúc tác phù hợp cho phản ứng điện hóa.
Byrne nói: “Khoảng 10 năm trước, khi mọi người bắt đầu nói về việc phủ xanh Haber Bosch, hai lộ trình chính đã xuất hiện, lộ trình hydro xanh và plasma”.
“[Plasma] là vật lý rất phức tạp, theo một cách nào đó thì nó rất đơn giản và theo cách khác thì nó cực kỳ phức tạp.”
