Il futuro della produzione di ammoniaca è l'elettrochimica

L'ammoniaca è il fertilizzante a base di azoto più diffuso e diffuso al mondo nel settore agricolo. A causa della crescita esponenziale della popolazione mondiale negli ultimi 140 anni, la domanda di ammoniaca continua a crescere. Oltre al suo valore in agricoltura, l'ammoniaca ha anche ricevuto una considerazione significativa all'interno dell'economia dell'idrogeno per il suo potenziale come valido vettore di idrogeno per consentire il trasporto sicuro su lunghe distanze e periodi in grandi quantità. Tuttavia, la produzione tradizionale di ammoniaca utilizza combustibili fossili, come il metano, come fonte dell'idrogeno necessario per la reazione. L'utilizzo di questa fonte di idrogeno la rende responsabile dell'1,5–2% delle emissioni globali di CO₂, una tecnologia colloquialmente definita «grigia». Comunemente definita «ammoniaca green», l'ammoniaca sintetizzata elettrochimicamente con l'utilizzo di energia elettrica da fonti rinnovabili è un'interessante alternativa a zero emissioni di carbonio. 

Swan-H, una start-up fondata alla fine del 2021, contribuisce alla decarbonizzazione della produzione di ammoniaca fissando l'azoto liberamente disponibile dall'atmosfera. Stanno lavorando attivamente a un processo unico di attivazione dell'azoto brevettato insieme all'Università di Tolosa e al French Research Council (CNRS). Per saperne di più sulla produzione di ammoniaca green e sul processo che il team Swan-H sta sviluppando, abbiamo intervistato il Dr. Augustin De Bettignies (comunicatore esterno, CCO – Chief Commercial Officer), Dancheng Legrand (responsabile del laboratorio) e Nicolas Mézailles (direttore della ricerca , CSO – Chief Science Officer).

Augustin, Swan-H è una società dedicata alla nuova produzione di ammoniaca. Puoi presentare il tuo team e i loro ruoli?

Il team Swan-H è un gruppo internazionale di otto persone, composto da quattro fondatori e quattro ricercatori. Questa raccolta di esperti include il Dr. Nicolas Mézailles - il fondatore dell'azienda e capo della ricerca, il chimico imprenditoriale Dr. Steve van Zutphen come CEO, il Dr. Willem Schipper in qualità di CTO responsabile dell'industrializzazione, e io (Dr. Augustin De Bettignies) sono il partito degli affari.

Si dice che il percorso sintetico inventato da Swan-H sia più sostenibile, ma in cosa differisce esattamente da altri tipi di produzione di ammoniaca?

La reazione tra N₂ e H₂ per produrre NH₃ è particolarmente difficile. Il noto processo Haber-Bosch è stato ampiamente adottato come procedura industriale standard per la produzione di ammoniaca dall'inizio del XX secolo. Questo processo industrializzato facilita la produzione di ammoniaca solo in condizioni molto impegnative di temperature (400 °C) e pressioni elevate (>100 bar) e richiede anche l'uso di un catalizzatore eterogeneo [1]. Inoltre, le molecole di idrogeno utilizzate nel processo sono generate dal metano steam reforming (MSR) [2].

Scopri di più sullo sviluppo del processo Haber-Bosch nel nostro blog post.

Storia della chimica – Parte 4

Per ridurre l'impronta di carbonio di questa reazione, alcuni produttori di ammoniaca ora utilizzano H₂ prodotto da una reazione di scissione dell'acqua in un elettrolizzatore. Il risultato di questo processo Haber-Bosch modernizzato è noto come «ammoniaca verde». Tuttavia, questo processo richiede ancora temperature e pressioni elevate e un catalizzatore per sintetizzare NH₃. È anche chiaramente meno compatibile con la produzione di energia intermittente dei parchi eolici e solari perché l'alta temperatura e la pressione devono essere sostenute per far funzionare il processo in ogni momento.

Filosoficamente, Swan-H ha una mentalità diversa rispetto all'industria Haber-Bosch. Il nostro processo viene eseguito a temperatura ambiente e pressione atmosferica, riducendo significativamente l'input energetico richiesto per la produzione di ammoniaca, che attualmente rappresenta l'1,5–2% del consumo energetico globale. La nostra strategia si basa sulla generazione di radicali accuratamente progettati che reagiscono in un meccanismo graduale con la molecola di azoto piuttosto che usare la «forza bruta» (alta temperatura e pressione) per dividerla usando il catalizzatore.

Il metodo Swan-H utilizza anche l'acqua come fonte di idrogeno invece di materiali a base di carbonio. Ciò si traduce in un processo che richiede meno energia, è indipendente dalla superficie dell'elettrodo e ha un'impronta di carbonio minima. «Indipendente dalla superficie dell'elettrodo» si riferisce al fatto che l'attivazione dell'azoto avviene in soluzione e, oltre ai suddetti vantaggi, presenta vantaggi per il successivo scale-up. Ciò distingue il processo Swan-H dagli altri che combinano l'attivazione e la riduzione di N₂ sulla stessa superficie.

Scopri di più sulla produzione di idrogeno pulito («green») dall'acqua tramite elettrolisi nei nostri blog posts.

Idrogeno green, carburante futuro: utilizzo di potenziostati per sviluppare nuovi catalizzatori per la produzione di idrogeno 

Generazione di idrogeno green: una sfida interdisciplinare radicata nell'elettrochimica

La tecnologia che il tuo team di ricerca sta sviluppando si svolge in un elettrolizzatore alimentato da un potenziale/corrente costante. Puoi descrivere un po' più in dettaglio il passaggio elettrochimico che si verifica al terminale negativo o al compartimento catodico?

L'unicità della tecnologia Swan-H è quella di poter non attivare l'azoto sulla superficie dell'elettrodo, ma piuttosto di attivare un mediatore che poi reagisce con l'azoto. Ciò consente al processo di attivazione dell'azoto di avvenire nell'intero volume della soluzione e non essere limitato dalla superficie dell'elettrodo. Pertanto, attiviamo elettrochimicamente un mediatore chimico che diventa una specie di radicali ad alta energia. Questa specie radicalica riesce a reagire chimicamente con le molecole di N₂ disciolte nell'elettrolita. Nella fase successiva, il prodotto amminico (derivato contenente azoto) reagisce con una fonte di idrogeno (ad esempio acqua) trasformando l'intero processo in una reazione di tipo ibrido (elettrochimica-chimica). È la combinazione di entrambi i passaggi che sfrutta le proprietà principali dei singoli eventi, massimizzando il potenziale complessivo della produzione di ammoniaca.

È stato progettato e testato un prototipo di reattore basato sul processo di reazione ibrida. Qual è il suo stato attuale?

Il nostro primo prototipo di versione funziona attualmente in lotti con una produzione di milligrammi a TRL 4  (Technology Readiness Level 4). IConsente discussioni normalizzate in diversi campi e settori tecnologici in modo sicuro.

Stiamo raccogliendo dati per quantificare la quantità di energia necessaria per unità di ammoniaca generata utilizzando VIONIC powered by INTELLO. ntro la fine dell'anno, questo prototipo dovrebbe evolversi in una produzione più autonoma e continua con una produttività più elevata che raggiunge TRL 5.

Lei ha citato due principali settori di applicazione dell'ammoniaca: i fertilizzanti e la tecnologia dell'idrogeno. Quali particolari organizzazioni e istituzioni beneficeranno del processo Swan-H?

Ci sono solo circa 100-120 impianti di produzione di ammoniaca in tutto il mondo, il che significa che si tratta di una produzione molto centralizzata per circa 200 milioni di tonnellate/anno complessive. Ciò crea una forte dipendenza da questi impianti di produzione. I produttori di ammoniaca stanno cercando modi per rendere il ciclo produttivo più green lavorando con una fonte di idrogeno prodotta con energia rinnovabile disponibile localmente, preferibilmente con processi che non richiedano grandi impianti.

Abbiamo previsto la produzione di unità di diverse dimensioni basate sulla tecnologia Swan-H a livello regionale decentralizzando la produzione di ammoniaca e rafforzando le economie locali. Ciò include le società, e persino i paesi, che mirano a essere indipendenti dalle fonti estere di gas naturale. Inoltre, la nostra visione è quella di essere in grado di fornire apparecchiature che possano essere accese, produrre NH₃ quando l'energia in eccesso è disponibile e quindi essere nuovamente spente. Usata in questo modo, l'ammoniaca fungerà da sostanza chimica per l'accumulo di energia con un elevato contenuto di idrogeno.

Come utente di VIONIC powered by INTELLO, qual è la tua esperienza con Metrohm Autolab in generale e quali sono le caratteristiche di VIONIC che fanno avanzare la tua ricerca?

Il team Swan-H ha avuto l'interazione più piacevole con il supporto locale di Metrohm Autolab in Francia e ci è piaciuto lavorare insieme sul software. L'interfaccia INTELLO è molto comoda da usare ed è un software abbastanza potente per quanto riguarda il numero di analisi sullo stesso schermo. Ci hanno evidenziato l'accessibilità del tracciato e la visibilità dell'acquisizione in tempo reale.

Considerando le capacità di VIONIC, prevediamo un'elevata resistenza della soluzione nelle condizioni di ricerca e questo strumento è in grado di gestire tensioni elevate e requisiti di conformità, facendoci decidere su Metrohm Autolab e VIONIC. Il team ha anche apprezzato la funzione di untethering di INTELLO perché può liberare i propri computer da VIONIC durante diverse ore di misurazioni e ricollegarli per il recupero dei dati invece di dedicare tutte le risorse all'esperimento.

Riassunto

La transizione verso un processo di produzione di ammoniaca più sostenibile è a portata di mano, utilizzando l'attivazione dell'azoto tramite reazioni elettrochimiche-chimiche accoppiate. Il metodo di produzione sviluppato da Swan-H è un'opzione più economica, più sicura e più rispettosa dell'ambiente rispetto alla tradizionale procedura Haber-Bosch.

Inoltre, il processo ibrido inventato dal gruppo Swan-H utilizza mediatori radicali per attivare N₂ e liberarlo come NH₃ dopo l'assorbimento di H₂. La strumentazione elettrochimica con specifiche e caratteristiche che si adattano alle esigenze dell'applicazione, come VIONIC powered by INTELLO, svolge un ruolo importante nella scoperta e nell'ottimizzazione del rivoluzionario processo di ammoniaca «più green».

Contatta il tuo distributore Metrohm locale per una dimostrazione grautita del VIONIC powered by INTELLO.

Riferimenti

[1] Haber-Bosch process. Britannica. https://www.britannica.com/technology/Haber-Bosch-process (accessed 2023-05-11).

[2] Methane Steam Reforming - an overview. ScienceDirect Topics. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/methane-steam-reforming (accessed 2023-05-11).

Ulteriori informazioni

VIONIC powered by INTELLO – The future of electrochemistry is pure. VIONIC: one instrument, pure discovery.

Video: Pure efficiency: VIONIC powered by INTELLO

Brochure: VIONIC powered by INTELLO

Brochure: VIONIC powered by INTELLO - full specifications