Odlazak pod zemlju za čisti amonijak

Amonijak je danas najrasprostranjenija kemikalija u svijetu, a prvenstveno se koristi kao izvor dušičnog gnojiva. Njegova proizvodnja također je glavni izvor emisije stakleničkih plinova, najveće u cijeloj kemijskoj industriji.

Sada je tim istraživača s MIT-a razvio inovativan način proizvodnje amonijaka bez uobičajenih kemijskih postrojenja na fosilna goriva koja zahtijevaju visoku toplinu i pritisak. Umjesto toga, pronašli su način da iskoriste samu Zemlju kao geokemijski reaktor, proizvodeći amonijak pod zemljom.

Procesi koriste Zemljinu prirodnu toplinu i pritisak, kao i reaktivnost minerala koji su već prisutni u zemlji. Trik koji je tim smislio je ubrizgavanje vode pod zemlju, u područje podzemnih stijena bogatih željezom. Voda sa sobom nosi izvor dušika i čestice metalnog katalizatora, dopuštajući vodi da reagira sa željezom kako bi proizvela čisti vodik, koji zauzvrat reagira s dušikom i stvara amonijak. Zatim se koristi druga bušotina za pumpanje tog amonijaka na površinu.

Proces, koji je demonstriran u laboratoriju, ali još ne i u prirodnom okruženju, opisan je u časopisu Joule. Standardna metoda za proizvodnju amonijaka zove se Haber-Bosch proces, koji je razvijen u Njemačkoj početkom 20. stoljeća kako bi zamijenio prirodne izvore dušičnog gnojiva kao što su iskopane naslage guana od šišmiša. 

Ali Haber-Bosch proces je vrlo energetski intenzivan. Zahtijeva temperature od 400 stupnjeva Celzijusa i tlakove od 200 atmosfera, a to znači da su mu potrebne ogromne instalacije kako bi bio učinkovit. Neka područja svijeta, poput podsaharske Afrike i jugoistočne Azije, imaju malo ili nimalo takvih postrojenja u pogonu.

Kao rezultat toga, nedostatak ili iznimno visoka cijena gnojiva u tim regijama ograničila je njihovu poljoprivrednu proizvodnju. Izgaranje goriva za proizvodnju topline odgovorno je za oko 20 posto stakleničkih plinova koje biljke ispuštaju koristeći Haber-Bosch proces. Stvaranje vodika čini preostalih 80 posto.

Ali amonijak, molekula NH3, sastoji se samo od dušika i vodika. U formuli nema ugljika, pa odakle onda dolazi emisija ugljika? Standardni način proizvodnje potrebnog vodika je obrada plina metana s parom, razgradnja plina u čisti vodik, koji se koristi, i plin ugljični dioksid koji se ispušta u zrak.

Postoje i drugi procesi za proizvodnju vodika s niskim ili nikakvim emisijama, kao što je korištenje solarne ili vjetrogenerirane električne energije za razdvajanje vode na kisik i vodik, ali taj proces može biti skup. Zato su istraživači radili na razvoju sustava za proizvodnju onoga što nazivaju geološki vodik. Utvrđeno je da neka mjesta u svijetu, uključujući lokacije u Africi, prirodno stvaraju vodik pod zemljom kroz kemijske reakcije između vode i stijena bogatih željezom.

Ti džepovi prirodnog vodika mogu se eksploatirati, baš kao i prirodni rezervoari metana, ali su opseg i lokacije takvih naslaga još uvijek relativno neistraženi.

Potom su shvatili da se ovaj proces može stvoriti ili poboljšati pumpanjem vode u zemlju, pomiješane s česticama katalizatora bakra i nikla kako bi se ubrzao proces, na mjestima gdje su takve stijene bogate željezom već prisutne. To bi riješilo najveći problem podzemnog procesa proizvodnje vodika, a to je kako uhvatiti i pohraniti plin nakon što je proizveden.

Vodik je vrlo sićušna molekula, najmanja od svih, i teško ju je zadržati. Ali provedbom čitavog Haber-Boschovog procesa ispod zemlje, jedini materijal koji bi trebao biti poslan na površinu bio bi sam amonijak, koji je lako uhvatiti, pohraniti i transportirati.

Jedini dodatni sastojak potreban za dovršetak procesa bio je dodatak izvora dušika, poput nitrata ili plinovitog dušika, u smjesu vode i katalizatora koja se ubrizgava u zemlju. Zatim, kako se vodik oslobađa iz molekula vode nakon interakcije sa stijenama bogatim željezom, može se odmah povezati s atomima dušika koji se također nose u vodi, s dubokim podzemnim okruženjem koje osigurava visoke temperature i tlakove koje zahtijeva Haber-Bosch proces.

Druga bušotina u blizini injekcione bušotine zatim ispumpava amonijak u spremnike na površini. Dok transport vodika zahtijeva skupu opremu za njegovo hlađenje i ukapljivanje, a praktički ne postoje cjevovodi za njegov transport (osim u blizini rafinerija nafte), transport amonijaka je lakši i jeftiniji.

To je otprilike jedna šestina cijene transporta vodika, a samo u SAD-u već postoji više od 5000 milja cjevovoda za amonijak i 10.000 terminala. Štoviše, amonijak, za razliku od vodika, već ima značajno komercijalno tržište, s predviđanjem da će obujam proizvodnje porasti dva do tri puta do 2050., budući da se koristi ne samo za gnojivo, već i kao sirovina za široku paletu kemijskih procesa.

Na primjer, amonijak se može spaljivati izravno u plinskim turbinama, motorima i industrijskim pećima, pružajući alternativu fosilnim gorivima bez ugljika. Istražuje se za pomorski promet i zrakoplovstvo kao alternativno gorivo i kao moguće svemirsko pogonsko gorivo.

Još jedna prednost geološkog amonijaka je ta da bi nepročišćena otpadna voda, uključujući poljoprivredne vode, koje su već bogate dušikom, mogla poslužiti kao izvor vode i biti tretirana u procesu. 

Početni rad na ovome obavljen je u laboratoriju, pa će sljedeći korak biti dokazivanje procesa korištenjem stvarnog podzemnog nalazišta, a tim je podnio zahtjev za patent i namjerava raditi na iznošenju procesa na tržište.