Amonyak üretiminin geleceği elektrokimyada yatıyor

Amonyak, tarım sektöründe dünyanın en yaygın ve en çok kullanılan azot bazlı gübresidir. Son 140 yılda dünya nüfusunun katlanarak artması nedeniyle amonyağa olan talep de sürekli yükselmektedir. Tarımdaki değerinin yanı sıra amonyak, büyük miktarlardaki hidrojenin uzun mesafeler ve uzun süreler boyunca güvenli bir şekilde taşınmasını sağlayabilecek uygun bir hidrojen taşıyıcısı olma potansiyeli nedeniyle hidrojen ekonomisinde de önemli bir ilgi görmektedir. Bununla birlikte, geleneksel amonyak üretiminde reaksiyon için gerekli hidrojen kaynağı olarak metan gibi fosil yakıtlar kullanılmaktadır. Bu hidrojen kaynağının kullanılması nedeniyle amonyak üretimi, küresel CO₂ emisyonlarının yaklaşık %1,5-2'sinden sorumludur ve bu üretim yöntemi yaygın olarak «gri amonyak» olarak adlandırılmaktadır. Genellikle «yeşil amonyak» olarak tanımlanan, yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektrik kullanılarak elektrokimyasal yöntemlerle sentezlenen amonyak ise, sıfır karbon emisyonlu ve oldukça umut verici bir alternatif olarak öne çıkmaktadır.

2021 yılının sonlarında kurulan bir start-up şirketi olan  Swan-H, atmosferde serbest halde bulunan azotu bağlayarak amonyak üretiminin karbonsuzlaştırılmasına katkıda bulunmaktadır. Şirket, Toulouse Üniversitesi ve Fransız Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi (CNRS) ile birlikte patentini aldığı benzersiz bir azot aktivasyon süreci üzerinde aktif olarak çalışmaktadır. Yeşil amonyak üretimi ve Swan-H ekibinin geliştirmekte olduğu süreç hakkında daha fazla bilgi edinmek amacıyla; Dr. Augustin De Bettignies (kurumsal iletişim sorumlusu, CCO - Ticari İşler Direktörü), Dancheng Legrand (laboratuvar yöneticisi) ve Nicolas Mézailles (araştırma direktörü, CSO - Bilim Direktörü) ile bir röportaj gerçekleştirilmiştir.

Augustin, Swan-H yenilikçi amonyak üretimine odaklanan bir şirket. Ekibinizi ve ekip üyelerinin rollerini tanıtabilir misiniz?

Swan-H ekibi, dört kurucu ortak ve dört araştırmacıdan oluşan, sekiz kişilik uluslararası bir ekiptir. Bu uzman kadro; şirketin kurucusu ve araştırma lideri olan Dr. Nicolas Mézailles, CEO olarak görev yapan girişimci kimyager Dr. Steve van Zutphen, endüstriyelleştirme faaliyetlerinden sorumlu CTO Dr. Willem Schipper ve ticari faaliyetlerden sorumlu kişi olarak benim (Dr. Augustin De Bettignies) yer aldığı bir yapıdan oluşmaktadır.

Swan-H tarafından geliştirilen sentez yöntemi daha sürdürülebilir olarak tanımlanıyor. Peki bu yöntem, diğer amonyak üretim yöntemlerinden tam olarak nasıl farklılaşıyor?

NH₂ ve H₂'nin reaksiyona girerek NH₃ oluşturması son derece zorlu bir süreçtir. İyi bilinen Haber-Bosch prosesi, 20. yüzyılın başlarından itibaren amonyak üretiminde standart endüstriyel yöntem olarak yaygın şekilde benimsenmiştir. Bu endüstriyel proses, amonyak üretimini ancak yüksek sıcaklıklar (yaklaşık 400 °C) ve yüksek basınçlar (>100 bar) gibi oldukça zorlu çalışma koşullarında mümkün kılmakta ve ayrıca heterojen bir katalizör kullanımını gerektirmektedir [1]. Bunun yanı sıra, proseste kullanılan hidrojen molekülleri metan buhar reformlama (MSR, Methane Steam Reforming) yöntemiyle üretilmektedir [2].

Haber-Bosch prosesinin geliştirilmesi hakkında daha fazla bilgi için blog makalemize göz atabilirsiniz.

Kimya Tarihi – Bölüm 4

Bu reaksiyonun karbon ayak izini azaltmak amacıyla, bazı amonyak üreticileri artık elektrolizörlerde gerçekleştirilen su ayrıştırma (elektroliz) reaksiyonu ile üretilen H₂'yi kullanmaktadır. Bu modernize edilmiş Haber-Bosch prosesi sonucunda elde edilen ürün, “yeşil amonyak” olarak adlandırılmaktadır.Bununla birlikte, bu proses NH₃ sentezi için hâlâ yüksek sıcaklık, yüksek basınç ve bir katalizör gerektirmektedir. Ayrıca, prosesin sürekli çalışabilmesi için yüksek sıcaklık ve basınç koşullarının kesintisiz olarak sürdürülmesi gerektiğinden, rüzgâr ve güneş enerjisi santrallerinin değişken (kesintili) enerji üretim profiliyle uyumu da sınırlıdır.

Felsefe ve yaklaşım açısından Swan-H, Haber-Bosch endüstrisinden farklı bir bakış açısına sahiptir. Prosesimiz, oda sıcaklığında ve atmosfer basıncında gerçekleştirilmekte olup, günümüzde küresel enerji tüketiminin %1,5-2'sini oluşturan amonyak üretimi için gerekli enerji girdisini önemli ölçüde azaltmaktadır. Stratejimiz, azot molekülünü katalizör yardımıyla yüksek sıcaklık ve yüksek basınç altında zorlayarak parçalamak yerine, özel olarak tasarlanmış radikallerin oluşturulmasına dayanmaktadır. Bu radikaller, azot molekülüyle kademeli bir reaksiyon mekanizması üzerinden etkileşerek amonyak oluşumunu sağlamaktadır. Bu yaklaşım, geleneksel yöntemlerde kullanılan "kaba kuvvet" (yüksek sıcaklık ve yüksek basınç) prensibinden temelde ayrılmaktadır.

Swan-H yöntemi ayrıca hidrojen kaynağı olarak karbon bazlı hammaddeler yerine suyu kullanmaktadır. Bu yaklaşım, daha düşük enerji gereksinimine sahip, elektrot yüzeyinden bağımsız ve minimum karbon ayak izine sahip bir proses ortaya çıkarmaktadır."Elektrot yüzeyinden bağımsız" ifadesi, azot aktivasyonunun çözelti fazında gerçekleştiğini ifade etmektedir. Bu özellik, yukarıda belirtilen avantajlara ek olarak, prosesin daha sonraki aşamalarda endüstriyel ölçeğe büyütülmesi (scale-up) açısından da önemli faydalar sağlamaktadır. Bu yönüyle Swan-H prosesi, N₂ aktivasyonu ve indirgenmesini aynı yüzey üzerinde birleştiren diğer proseslerden ayrılmaktadır.

Su elektrolizi yoluyla sudan temiz ("yeşil") hidrojen üretimi hakkında daha fazla bilgi edinmek için blog makalelerimize göz atabilirsiniz.

Yeşil hidrojen, geleceğin yakıtı: Hidrojen üretimi için yeni katalizörlerin geliştirilmesinde potansiyostatların kullanımı

Yeşil hidrojen üretimi: Elektrokimyaya dayanan disiplinler arası bir zorluk

Araştırma ekibinizin geliştirmekte olduğu teknoloji, sabit bir potansiyel/akımla çalışan bir elektrolizör içinde gerçekleşiyor. Negatif elektrot (katot) veya katodik bölmede meydana gelen elektrokimyasal adımı biraz daha ayrıntılı açıklayabilir misiniz?

Swan-H teknolojisinin benzersiz yönü, azotu elektrot yüzeyinde aktive etmek yerine bir mediyatörü aktive edebilmesidir. Bu mediyatör daha sonra azot ile reaksiyona girmektedir. Bu yaklaşım, azot aktivasyon sürecinin yalnızca elektrot yüzeyiyle sınırlı kalmayıp çözeltinin tüm hacmi boyunca gerçekleşmesine olanak tanımaktadır. Bu doğrultuda, yüksek enerjili bir radikal türüne dönüşen kimyasal bir mediyatör elektrokimyasal olarak aktive edilmektedir. Oluşan bu radikal türü, elektrolit içerisinde çözünmüş halde bulunan N₂ molekülleriyle kimyasal reaksiyona girebilmektedir. Bir sonraki aşamada ise amin yapısındaki ürün (azot içeren türev), bir hidrojen kaynağıyla (örneğin su) reaksiyona girer ve böylece süreç genel olarak hibrit bir reaksiyon mekanizmasına (elektrokimyasal-kimyasal) dönüşür. Amonyak üretiminin toplam potansiyelini en üst düzeye çıkaran unsur, bu iki adımın bir araya getirilmesidir. Bu yaklaşım, her bir adımın temel avantajlarından yararlanarak sürecin genel verimliliğini ve etkinliğini artırmaktadır.

Hibrit reaksiyon prosesi temel alınarak bir reaktör prototipi tasarlandı ve test edildi. Bu prototipin mevcut durumu nedir?

İlk sürüm prototipimiz şu anda TRL 4 seviyesinde miligram düzeyinde üretimle aşamalı olarak çalışmaktadır ve TRL 4 (Teknoloji Hazırlık Seviyesi 4) düzeyindedir. Bu seviye, teknolojinin laboratuvar ortamında doğrulandığını ve temel işlevlerinin gösterildiğini ifade etmektedir.

Prototip ayrıca, farklı bilimsel disiplinler ve teknoloji sektörleri arasında güvenli ve standartlaştırılmış değerlendirmeler yapılmasına olanak sağlayarak ortak bir teknoloji olgunluk çerçevesinde iletişim kurulmasını mümkün kılmaktadır.

Amonyağın iki temel uygulama alanı olarak gübre üretimi ve hidrojen teknolojilerinden bahsettiniz. Swan-H prosesi hangi kuruluşlar ve endüstriyel sektörler için özellikle fayda sağlayacaktır?

Dünya genelinde yalnızca yaklaşık 100-120 amonyak üretim tesisi bulunmaktadır ve bu tesisler toplamda yılda yaklaşık 200 milyon ton amonyak üretmektedir. Bu durum, üretimin oldukça merkezi bir yapıda olmasına ve bu üretim tesislerine güçlü bir bağımlılık oluşmasına neden olmaktadır. Amonyak üreticileri, üretim döngüsünü daha sürdürülebilir hale getirmenin yollarını aramaktadır. Bu kapsamda, yerel olarak mevcut yenilenebilir enerji kaynaklarıyla üretilen bir hidrojen kaynağıyla çalışmayı ve tercihen büyük ölçekli tesisler gerektirmeyen prosesleri tercih etmektedirler.

Swan-H teknolojisine dayalı, farklı ölçeklerde üretim yapabilen ünitelerin bölgesel düzeyde kurulmasını öngörüyoruz. Bu yaklaşım, amonyak üretimini merkezi yapıdan uzaklaştırarak yerelleştirecek ve yerel ekonomileri güçlendirecektir. Bu kapsamda, yabancı doğal gaz kaynaklarına bağımlı olmak istemeyen şirketler ve hatta ülkeler için de önemli fırsatlar sunulmaktadır. Ayrıca vizyonumuz, gerektiğinde devreye alınabilen, fazla enerjinin mevcut olduğu dönemlerde NH₃ üretebilen ve ihtiyaç olmadığında tekrar devreden çıkarılabilen ekipmanlar geliştirmektir. Bu şekilde kullanıldığında amonyak, yüksek hidrojen içeriğine sahip bir enerji depolama kimyasalı olarak işlev görecektir.

INTELLO destekli VIONIC kullanıcısı olarak, genel anlamda Metrohm Autolab ile deneyiminiz nasıldır ve VIONIC'in araştırmalarınızı ileri taşıyan özellikleri nelerdir?

Swan-H ekibi, Metrohm Autolab'ın Fransa'daki yerel destek ekibiyle son derece olumlu bir deneyim yaşamıştır ve yazılım üzerinde birlikte çalışmaktan memnuniyet duymuştur. INTELLO arayüzü kullanımı oldukça pratiktir ve aynı ekranda gerçekleştirilebilen analiz sayısı bakımından oldukça güçlü bir yazılımdır. Özellikle grafikleme erişilebilirliği ve gerçek zamanlı veri toplama süreçlerinin görünürlüğü öne çıkan özellikler olarak değerlendirilmiştir.

VIONIC'in yetenekleri göz önüne alındığında, araştırma koşullarımızda yüksek çözelti direnciyle karşılaşmayı öngörüyorduk. Ekip ayrıca, INTELLO’nun “untethering” özelliğini de oldukça beğendi; zira bu sayede, deney için tüm kaynaklarını ayırmak yerine, birkaç saat süren ölçümler sırasında bilgisayarlarını VIONIC’ten ayırabiliyor ve veri kurtarma amacıyla yeniden bağlayabiliyorlardı.

Özet

Elektrokimyasal ve kimyasal reaksiyonların birleşimiyle azot aktivasyonundan yararlanarak, daha sürdürülebilir bir amonyak üretim sürecine geçiş artık mümkün hale gelmiştir. Swan-H tarafından geliştirilmekte olan üretim yöntemi, geleneksel Haber-Bosch yöntemine kıyasla daha ucuz, daha güvenli ve daha çevre dostu bir seçenektir.

Ayrıca, Swan-H ekibi tarafından geliştirilen hibrit süreç, N₂'yi aktive etmek ve H₂ alımının ardından NH₃ olarak açığa çıkarmak için radikal aracılar kullanmaktadır. VIONIC powered by INTELLO gibi, uygulamanın gereksinimlerine uygun teknik özellikler ve performans sunan elektrokimyasal enstrümantasyon sistemleri, bu devrim niteliğindeki daha «yeşil» amonyak üretim sürecinin keşfedilmesi ve optimize edilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. 

VIONIC powered by INTELLO'nun ücretsiz bir demonstrasyonu için  ücretsiz INTELLO destekli VIONIC demosu için yerel Metrohm distribütörünüzle iletişime geçebilirsiniz. 

Referanslar

[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).

Bilgi birikiminiz

INTELLO destekli VIONIC – Elektrokimyanın geleceği saflıktır. VIONIC: tek bir cihaz, saf keşif. 

Video: Saf verimlilik:INTELLO destekli VIONIC

Broşür: INTELLO destekli VIONIC

Broşür: INTELLO destekli VIONIC - tüm teknik özellikler