From Chisato Horiuchi in Tokyo, Japan
Amoniac, được sử dụng làm nguyên liệu cho phân bón hóa học và sợi tổng hợp, đang thu hút sự chú ý như một con át chủ bài để khử cacbon. Không chỉ là chất lỏng mang hydro mà còn do không thải ra khí cacbonic (CO2) khi đốt cháy nên nó được kỳ vọng là nhiên liệu sạch thay thế than đá. Do phương pháp sản xuất hiện tại tiêu thụ một lượng lớn năng lượng và nhiên liệu hóa thạch, nên chìa khóa là thiết lập một công nghệ tổng hợp sạch hơn và hiệu quả hơn. Với việc tham khảo báo cáo do Văn phòng Sáng chế Nhật Bản biên soạn, chúng tôi đã tìm kiếm các xu hướng phát triển công nghệ trên thế giới.
"Amoniac xanh" được làm từ năng lượng tái tạo và hoàn toàn không thải ra khí CO2. CF Industries, một công ty phân bón lớn, sẽ bắt đầu sản xuất thương mại 20.000 tấn mỗi năm vào năm 2023. Khoảng 100 triệu đô la (khoảng 11 tỷ yên) sẽ được đầu tư để xây dựng một cơ sở điện phân nước để sản xuất hydro tại một cơ sở sản xuất amoniac ở Louisiana. Cơ sở sản xuất hydro sử dụng 20.000 kW năng lượng tái tạo sẽ được chuyển giao bởi ThyssenKrupp, một công ty máy móc và thép lớn ở Đức.
CF Industries có kế hoạch khử cacbon chín cơ sở sản xuất amoniac của mình ở Bắc Mỹ và Vương quốc Anh. Tony Will, Chủ tịch kiêm Giám đốc điều hành cho biết: “Amoniac là một yếu tố quan trọng trong việc cho phép lưu trữ và vận chuyển hydro.
Việc chuyển đổi sang amoniac xanh đang là xu hướng toàn cầu và các kế hoạch tương tự cũng đang được tiến hành ở Nhật Bản. Asahi Kasei và JGC Holdings (HD) đang có kế hoạch xây dựng một cơ sở trình diễn ở Thị trấn Namie, tỉnh Fukushima, và sản xuất vài tấn mỗi ngày từ năm 2012. Ngoài cơ sở sản xuất hydro sử dụng 10.000 kilowatt điện do Asahi Kasei vận hành, một nhà máy tổng hợp amoniac sẽ được lắp đặt. Với sự hỗ trợ của chính phủ, thiết bị sản xuất hydro sẽ được tăng lên 40.000 kW vào năm 2015, nhằm giảm đáng kể chi phí sản xuất hàng loạt.
■ Dễ xử lý hơn hydro
Amoniac cũng dễ xử lý hơn hydro, không thải ra khí CO2 khi đốt cháy. Amoniac trở thành chất lỏng ở nhiệt độ khoảng 8,5 atm ở 20 độ C. So với hydro cần nhiệt độ thấp hơn 0 253 độ thì có thể sử dụng bình chứa hiện tại và vận chuyển dễ dàng. Một phương pháp đốt không thải ra các oxit nitơ có hại đã được tìm ra và nó cũng đang thu hút sự chú ý để làm nhiên liệu cho các nhà máy nhiệt điện than.
Theo công ty nghiên cứu Research and Markets của Ireland, thị trường amoniac xanh toàn cầu đã tăng từ khoảng 13 triệu USD vào năm 2019 lên 850 triệu USD vào năm 2016. Dự kiến sẽ tiếp tục mở rộng sau đó.
Amoniac được tạo ra bằng cách phản ứng hóa học với hydro và nitơ. Theo Tổ chức Nông lương Liên hợp quốc (FAO), sản lượng của thế giới vào khoảng 190 triệu tấn. Hydro tạo ra một lượng lớn CO2 do nó tiếp xúc với khí tự nhiên với hơi nước ở nhiệt độ cao và chiết xuất nó. Hầu hết amoniac được tạo ra bằng "phương pháp Haber-Bosch (phương pháp HB)" được phát triển vào đầu thế kỷ 20. Điều kiện 400 đến 500 độ C và 100 đến 300 atm là bắt buộc. Trong quá trình sản xuất 1 tấn amoniac, nó thải ra khoảng 1,6 tấn CO2. Nếu sử dụng hydro có nguồn gốc từ năng lượng tái tạo, lượng CO2 có thể giảm từ 70 đến 80%.
Để tổng hợp amoniac, cần điều áp và tăng nhiệt độ, tiêu tốn năng lượng. Công nghệ cho phép phản ứng tiến hành ngay cả trong các điều kiện nhẹ như nhiệt độ thấp và áp suất thấp là không thể thiếu.
Theo "Báo cáo khảo sát xu hướng công nghệ đáp ứng nhu cầu" của Văn phòng Sáng chế Nhật Bản, các công ty và trường đại học Nhật Bản và châu Âu nổi bật với các bằng sáng chế và thành tựu đáng kể trong công nghệ tổng hợp amoniac.
Về số lượng bằng sáng chế được nộp trong giai đoạn 2003-17, gã khổng lồ kỹ thuật Thụy Sĩ Casale dẫn đầu. Năm công ty châu Âu xếp hạng trong mười công ty hàng đầu, bao gồm ThyssenKrupp ở Đức ở vị trí thứ ba và Halder Topsaw ở Đan Mạch ở vị trí thứ năm. Nhật Bản cũng có 4 công ty và trường đại học, bao gồm Mitsubishi Heavy Industries, Toyota Motor Corporation và Tokyo Institute of Technology.
AIST và JGC HD đã phát triển một chất xúc tác cho phép phản ứng xảy ra ngay cả ở khoảng 50 atm, và trình diễn nó tại một cơ sở ở thành phố Koriyama, tỉnh Fukushima (ảnh do JGC cung cấp).
JGC HD và Viện Công nghệ và Khoa học Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia (AIST) đã phát triển một chất xúc tác sử dụng kim loại quý ruthenium làm thành phần chính và hoạt động ở 400 độ và 50 atm, và đã thành công trong hoạt động trình diễn. Nỗ lực tăng áp suất của hydro được tạo ra bởi năng lượng tái tạo bị giảm xuống.
Chất xúc tác mới của Tokyo Tech được tạo thành từ canxi (Ca), flo (F), hydro (H) và ruthenium (Ru).
Nghiên cứu về chất xúc tác hoạt động ngay cả trong điều kiện nhẹ hơn cũng sẽ được tiến hành. Giáo sư Towakazu Hara và Giáo sư Hideo Hosono của Học viện Công nghệ Tokyo đã phát triển một chất xúc tác kết hợp một chất làm từ canxi, flo và hydro với các hạt mịn của ruthenium, và xác nhận rằng phản ứng vẫn tiến hành ngay cả ở nhiệt độ dưới 50 độ C. Chất xúc tác này phân hủy các phân tử hydro ở nhiệt độ trên 200 độ C, và khi các điện tử dư đi qua ruthenium đến các phân tử nitơ, các liên kết bị phá vỡ. Có một kế hoạch thử nghiệm sản xuất amoniac bằng cách sử dụng điện được tạo ra từ năng lượng gió ở làng Ogata, tỉnh Akita.
Giáo sư Hitoshi Nishibayashi của Đại học Tokyo và những người khác đã phát triển một chất xúc tác phản ứng nitơ trong không khí với nước (thí nghiệm trong bình do giáo sư cung cấp).
Chất xúc tác cuối cùng có thể được sử dụng ngay cả ở "nhiệt độ và áp suất bình thường" là 20 độ C và 1 bầu khí quyển đã bắt đầu có kết quả. Giáo sư Hitoshi Nishibayashi của Đại học Tokyo và những người khác đã thành công trong việc tổng hợp amoniac từ nước và không khí. Một chất xúc tác có chứa samarium iotua và molypden kim loại được sử dụng rộng rãi được sử dụng để phản ứng nitơ trong không khí với nước. Người ta nói rằng sẽ có thể tiết kiệm rất nhiều năng lượng mà không cần sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Giáo sư Nishibayashi tâm huyết cho rằng "chất xúc tác có hiệu suất cao và có thể được đưa vào sử dụng thực tế nếu cải tiến để có thể sử dụng lâu dài. Chúng tôi muốn sử dụng phương pháp sau HB để giải quyết các vấn đề môi trường xung quanh thế giới."
