Podpora udržitelnosti díky zelené výrobě amoniaku

Amoniak je sloučenina tvořená pouze dusíkem a vodíkem a je životně důležitá pro četné každodenní aplikace v moderním světě. A co je nejdůležitější, hraje klíčovou roli při produkci potravin jako primární zdroj dusíku pro hnojiva, což umožňuje dostatečné zemědělství pro nasycení rostoucí celosvětové populace.

Kromě zemědělství se čpavek široce používá v několika aplikacích průmyslových procesů, včetně:

• Chemická výroba, poskytující základ pro různé produkty, včetně plastů, vláken, barviv a výbušnin.
• Farmaceutická výroba, jako výchozí materiál pro různé aktivní farmaceutické přísady a ke kontrole pH.
• HVAC, pro chladivo díky jeho účinným vlastnostem přenosu tepla.
• Potravinářský průmysl jako přísada a konzervant.
• Úprava vody k čištění zásob vody tvorbou chloraminů, které pomáhají usnadňovat organickou dezinfekci.
• Čisticí prostředky, jako klíčová složka mnoha prostředků pro domácnost díky svým odmašťovacím a dezinfekčním vlastnostem.
• Textilní výroba, aplikovaná během dokončovacího procesu pro zlepšení hladkosti tkaniny a afinity k barvivu.

Zatímco čpavek je neocenitelnou chemickou látkou v mnoha průmyslových odvětvích, konvenční metody výroby čpavku mají dopad na životní prostředí a podporují hledání ekologičtějších alternativ.

Amoniak se primárně vyrábí pomocí Haber-Boschova procesu, při kterém se dusík kombinuje vodíkem při vysokém tlaku a teplotě v přítomnosti katalyzátoru.

Tyto kroky zahrnují:

• Extrakce dusíku: Dusík (N2) je extrahován ze vzduchu pomocí jednotky pro separaci vzduchu procesem zkapalňování a destilace. Alternativně adsorpce s kolísáním tlaku využívá specializované adsorpční materiály k selektivnímu zachycení molekul dusíku.
• Výroba vodíku: Přívod vodíku (H2) se běžně vyrábí pomocí parního metanu nebo autotermálního reformování.
• Syntéza amoniaku: Vyčištěné plyny dusíku a vodíku jsou smíchány a vedeny přes katalyzátor – typicky železo – při vysokém tlaku (> 200 atm/2 940 psi) a teplotě (> 450 °C/842 °F), čímž se vytváří určitý elementární dusík a vodík. , které se spojí za vzniku amoniaku (NH3).
• Chlazení čpavku a zbytkového vodíku a dusíku: Plyny opouštějí reaktor při teplotě > 450 °C/842 °F a jsou ochlazovány výměníkem tepla zdvojeným jako kotel na odpadní teplo. Vzniká tak přehřátá pára, která je následně využita v energetické jednotce.
• Separace amoniaku: Směs plynů se ochladí na přibližně -40 °C (-40 °F), což způsobí kondenzaci amoniaku, takže jej lze díky vyššímu bodu varu oddělit od nezreagovaných plynů dusíku a vodíku. Tyto nezreagované plyny jsou recyklovány zpět do procesu k dokončení jejich reakce.

Celkový proces je znázorněn jako: N2 + 3H2 ↔ 2NH3

Haber-Boschova metoda je energeticky náročná a procesy výroby hnědého, černého a šedého vodíku přispívají k emisím skleníkových plynů (GHG). Tento dopad na životní prostředí vede k upřednostňování zeleného vodíku z udržitelných zdrojů a pohonu výroby dusíku pomocí obnovitelných zdrojů.

Výroba vodíku použitého k výrobě čpavku představuje přibližně 1,8 % celosvětových emisí oxidu uhličitého, což je číslo srovnatelné s celým leteckým průmyslem. V reakci na tyto obavy týkající se životního prostředí je cílem konceptu „zeleného amoniaku“ podstatně snížit uhlíkovou stopu výroby amoniaku získáváním jeho dílčích plynů prostřednictvím procesů s nulovou čistotou, poháněných obnovitelnými zdroji energie.

Suroviny pro výrobu zeleného čpavku se skládají ze tří jednoduchých potřeb: vzduch, voda a obnovitelná energie pro pohon různých procesů.

Pomocí kryogenní destilace nebo adsorpce s kolísáním tlaku extrahují jednotky pro separaci vzduchu dusík z atmosféry. Kryogenní destilace funguje tak, že se vzduch ochlazuje na extrémně nízké teploty a oddělují se jeho složky plynů – včetně dusíku, potřebného pro výrobu čpavku – na základě jejich různých bodů varu. Alternativně adsorpce s kolísáním tlaku využívá specializované adsorpční materiály k selektivnímu zachycení molekul dusíku.

Primárním označením pro zelený amoniak je použití zelený vodík, který se vyrábí elektrolýzou vody z obnovitelných zdrojů, která vytváří nulové emise. Tento proces zahrnuje štěpení molekul vody na jejich jednotlivé atomy vodíku a kyslíku, přičemž plynný vodík se sbírá jako surovina pro syntézu amoniaku a neškodný kyslík se uvolňuje do vzduchu. Elektrolýza probíhá primárně pomocí buď alkalických elektrolyzérů – vyzrálá a prověřená technologie – nebo elektrolyzérů s protonovou výměnnou membránou (PEM), které jsou známé vyšší účinností a rychlejší dobou odezvy, avšak s vyššími náklady.

Dusík a vodík pak reagují podle Haber-Boschova procesu, ale se sníženou uhlíkovou stopou. Aby byl výsledný amoniak klasifikován jako „zelený“, musí být všechny procesy podél cesty poháněny obnovitelnými zdroji energie.

Amoniak může být také rozložen na vodík prostřednictvím procesu krakování amoniaku, ačkoli tato reakce je poměrně energeticky náročná, vyžaduje teplo 600 °C/1 112 °F v přítomnosti katalyzátoru. Tento proces se používá pro některé aplikace, které vyžadují vodík, protože s amoniakem se snadněji manipuluje a skladuje se ve velkém než čistý vodík.

Stejně jako u mnoha nízkouhlíkových procesů, škálování výroby zeleného čpavku přináší problémy týkající se omezení infrastruktury a vysokých výrobních nákladů. Za prvé, sektor obnovitelných zdrojů energie – i když rychle roste – se ještě musí přiblížit úrovni integrace sítě a ukládání energie konvenčních systémů, což je vyžadováno pro splnění požadavků průmyslových a spotřebitelských produktů. Podobně elektrolyzéry pro výrobu zeleného vodíku stále vyžadují značné investice, aby se rozšířily.

Jak však udržitelné technologie dospívají a dochází k úsporám z rozsahu, výroba zeleného čpavku bude stále nákladově konkurenceschopnější. Náklady na energii z obnovitelných zdrojů v posledních letech klesají a očekává se, že tento trend bude pokračovat, čímž se zelený vodík a dusík stanou ekonomicky dostupnějšími.

Amoniak je také testován jako bezuhlíkový nosič energie – a dokonce i pro přímé spalování v některých aplikacích – pomáhá řešit problémy s přerušováním solární a větrné energie. Navíc jeho vysoká energetická hustota vedla k průzkumu jako paliva pro lodní dopravu a přepravu na dlouhé vzdálenosti, což jsou tradičně aplikace s vysokým obsahem uhlíku.

Bez ohledu na jeho hodnotu je čpavek nebezpečná chemická látka a je třeba s ním zacházet opatrně. Vdechování pouze 0,5% vzduchu koncentrovaného amoniaku může být pro člověka smrtelné. Jeho vysoce korozivní a toxická povaha vyžaduje přísné bezpečnostní protokoly během výroby, přepravy a používání.

Kromě standardních osobních ochranných prostředků a komplexního školení zaměstnanců pomáhají systémy detekce úniků zmírňovat nebezpečí v případě neplánovaného narušení kontejnmentu. Tyto systémy se skládají z elektrochemických detektorů plynů, snímačů tlaku a dalších vyspělých bezpečnostních přístrojů a komponent.

Jednotky pro separaci vzduchu používané k extrakci dusíku ze vzduchu pro výrobu čpavku navíc spoléhají na přístroje, jako jsou analyzátory TDLAS pro analýzu čistoty a tlakové senzory pro řízení procesu. V procesu elektrolýzy vody sledují senzory vodivosti kvalitu elektrolytu a zajišťují optimální výkon a dlouhou životnost elektrolyzéru, zatímco průtokoměry pomáhají regulovat produkci vodíku a kyslíku.

The ammonia synthesis loop relies on a wide variety of instrumentation - including temperature sensors, pressure transmitters and gas analyzers - to optimize reaction conditions and ensure product quality. These instruments provide continuous data for both real-time control and historical analysis, empowering personnel to optimize the process and maximize efficiency, while maintaining safe operating conditions.

Smyčka syntézy amoniaku se opírá o širokou škálu přístrojů – včetně teplotních senzorů, tlakových vysílačů a analyzátorů plynů – k optimalizaci reakčních podmínek a zajištění kvality produktu. Tyto přístroje poskytují nepřetržitá data pro řízení v reálném čase i pro historickou analýzu, čímž umožňují personálu optimalizovat proces a maximalizovat efektivitu při zachování bezpečných provozních podmínek.

Zatímco čpavek je neuvěřitelně cenný v mnoha průmyslových procesech, které spotřebitelé často považují za samozřejmé, rozšířené přijetí zeleného čpavku stále naráží na překážky. Infrastruktura obnovitelné energie a elektrolýzy zůstává omezená a investiční náklady jsou vysoké. Bezpečná přeprava a skladování čpavku navíc vyžaduje pečlivé zvážení kvůli jeho nebezpečné povaze, ačkoli schválené metody jsou dobře zavedené.

Hlavním přínosem zeleného amoniaku je oddělení výroby amoniaku od závislosti na fosilních palivech, aby se snížily emise skleníkových plynů. Výsledkem je, že přitáhl pozornost vlád i průmyslu a tyto zúčastněné strany tento produkt strategicky začleňují do plánů udržitelnosti. Poskytuje cestu ke snížení uhlíkové stopy průmyslu hnojiv a nesčetných dalších odvětví, která jsou silně závislá na čpavku.

Další výzkum a vývoj spolu s pokračujícími inovacemi v technologiích výroby a využití budou zásadní pro šíření zeleného čpavku, protože svět se snaží dosáhnout iniciativ s nulovou čistotou do poloviny století.