Haber-Bosch-prosessin sähköistäminen ja vihreän ammoniakin hyödyntäminen

Abstract

Fossiilisten polttoaineiden korvaaminen vaihtoehtoisilla energiankantajilla on kriittisessä asemassa kansainvälisten kasvihuonekaasupäästöjen vähentämisessä. Yksi potentiaaliseksi energiankantajaksi tunnistettu yhdiste on ammoniakki, jota valmistetaan nykyisin maatalouden ja teollisuuden tarpeisiin Haber-Bosch-prosessilla. Työssä tutkitaan olemassa olevaa kirjallisuutta liittyen vedyntuotantoon maakaasun höyryreformoinnilla ja elektrolyysillä, sekä ammoniakintuotantoon Haber-Bosch-prosessilla ja sähköenergiaa hyödyntävällä prosessilla. Lisäksi työssä tarkastellaan vihreän ammoniakin hyödyntämismahdollisuuksia nyt ja tulevaisuudessa. Työssä keskitytään kolmeen osa-alueeseen. Vedyntuotantoa koskevassa osiossa taustoitetaan ammoniakin tarvetta vihreänä vedynkantajana. Lisäksi tarkastellaan nykyisin laajalti käytössä olevia vedyntuotannon prosesseja: maakaasun höyryreformointia ja elektrolyysiä. Elektrolyysiä tarkastellaan kolmen keskeisimmän teknologian, alkalielektrolyysin, PEM-elektrolyysin ja kiinteäoksidielektrolyysin näkökulmasta. Toisessa luvussa tarkastellaan ammoniakin fysikaalisten ominaisuuksien lisäksi ammoniakintuotantoon käytettyä Haber-Bosch-prosessia sekä prosessissa käytetyn maakaasun höyryreformoinnin korvaamista elektrolyysillä. Kolmannessa osiossa tarkastellaan ammoniakin ominaisuuksia, hyödyntämistapoja energiavarastona, energiankantajana maa- ja meriliikenteessä sekä muilla hyödyntämisalueilla. Työn tuloksena havaittiin, että maakaasun höyryreformoinnin korvaaminen sähkökemiallisella elektrolyysiprosessilla, joka käyttää uusiutuvilla energialähteillä tuotettua sähköenergiaa, voidaan pienentää ammoniakintuotannon päästöjä merkittävästi. Elektrolyysi tuo myös energiatehokkuuden kannalta etuja prosessiin, mutta se ei kuitenkaan ole kilpailukykyinen maakaasusyötteisen Haber-Bosch- prosessin kanssa johtuen maakaasun vakiintuneesta markkina-asemasta ja kehittyvästä elektrolyysiteknologiasta. Työssä tunnistettiin vihreän ammoniakin hyödyllisiä ominaisuuksia energiankantajana, kuten maltillinen käsittelypaine ja -lämpötila, vakiintunut käsittely- ja varastointitekniikka ja polttokelpoisuus ilman hiilidioksidipäästöjä. Näiden ominaisuuksien avulla vihreän ammoniakin käyttö voi pienentää nykyisen ammoniakkimarkkinan päästöjä sekä vähentää fossiilisten polttoaineiden käyttöä merenkulun ja liikenteen polttoaineena.