Mula Ammonia Tungo sa Hydrogen: Paano bumubuo ang South Korea ng mas malinis na kadena ng suplay ng panggatong

Bakit tumataya ang mga mananaliksik sa South Korea sa ammonia para mapaunlad ang malinis na hydrogen

Nagpakita ang mga siyentipiko sa South Korea ng paraan para makagawa ng hydrogen nang hindi nagsusunog ng fossil fuel: pinaghihiwalay ang ammonia tungo sa hydrogen at nitrogen sa mataas na temperatura. Sa Korea Institute of Energy Research, iniulat ng mga inhinyero ang isang reaktor na gumagana sa temperaturang malapit sa 1,112 degrees Fahrenheit (humigit-kumulang 600 C) at naghahatid ng hydrogen na 99.97 porsiyento ang kadalisayan. Ang ganitong produkto ay angkop para sa mga fuel cell na maaaring magpaandar ng mga sasakyan o gusali. Layunin ng proyekto na bawasan ang carbon dioxide mula sa kadena ng suplay ng hydrogen habang gumagamit ng mga materyales at prosesong maaaring palawakin ang produksyon.

Ginagamit na ang hydrogen sa mga tren, eroplano para sa mga pagsubok na lipad, kotse, bus, at barko. Gayunman, karamihan sa hydrogen ngayon ay ginagawa mula sa natural gas sa pamamagitan ng steam methane reforming, na naglalabas ng carbon dioxide. Lumalawak ang mga paraang malinis sa kapaligiran, kabilang ang electrolysis ng tubig gamit ang enerhiya mula sa hangin at araw. Hamon din ang pagdadala ng hydrogen. Napakababa ng densidad ng gas kaya kailangan itong siksikin o tunawin sa napakababang temperatura para maipadala sa malalayong lugar. Nag-aalok ng alternatibo ang ammonia, ang pamilyar na kemikal na ginagamit sa pataba. Nananatili itong likido sa katamtamang mga kondisyon at taglay nito ang hydrogen sa mga molekular na bigkis nito. Kung mapaghihiwalay ang ammonia sa pinagdadalhan nito upang maging malinis na hydrogen at nitrogen, magiging praktikal itong tulay sa pagitan ng mga lugar na sagana sa nababagong enerhiya at mga lugar na malaki ang pangangailangan.

Sa loob ng reaktor ng KIER: ginagawang hydrogen na panggatong ang ammonia

Payak na kemistri ang paghihiwalay ng ammonia. Nahahati ang mga molekula ng ammonia, NH3, tungo sa hydrogen at nitrogen kapag pinainit sa presensiya ng katalista. Sa balanseng reaksiyon, mula sa dalawang molekula ng ammonia ay nabubuo ang isang molekula ng nitrogen at tatlong molekula ng hydrogen. Karaniwang pinipili ang ruthenium, isang mamahaling metal na kahawig ng platinum, bilang katalista dahil mahusay itong gumagana sa temperaturang nasa 600 C. Ginagamit ng sistema ng KIER ang paraang ito na pinapagana ng katalista, at saka nililinis pa ang daloy ng gas para makuha ang hydrogen na angkop sa fuel cell.

Habang lumalabas ang hydrogen sa panghiwalay, nahahalo ito sa nitrogen at kaunting ammonia na hindi nagreaksiyon. Pinaghihiwalay ng pressure swing adsorption, isang karaniwang hakbang sa paglilinis sa mga refinery, ang mga gas. Sinasala ng mga sapin ng buhaghag na materyales ang mga kontaminante habang may presyon at naglalabas ng hydrogen na mataas ang kadalisayan kapag ibinaba ang presyon. Salit-salitang dumaraan sa adsorption at regeneration ang sunod-sunod na sapin upang tuloy-tuloy ang suplay. Inilalarawan ng KIER ang reaktor bilang kagamitang nakakulong sa parisukat na metal na balangkas, na may mga tubo, hose, panukat, at silindro. May sistema rin ito ng pagkontrol na nagbabalik ng bahagi ng mga gas mula sa proseso upang mapanatili ang mataas na temperatura nang hindi nagsisindi ng hydrocarbon burner. Iniiwasan ng paraang ito ang direktang pagbuga ng carbon dioxide sa mismong proseso ng pagpapalit ng ammonia.

Bakit mahusay na tagapagdala ng hydrogen ang ammonia

Mahirap itago at ipadala ang hydrogen. Kailangan ng likidong hydrogen ng mga tangkeng cryogenic na nasa humigit-kumulang minus 253 C. Kailangang kontrolin ang mga pagkalugi dahil sa pagsingaw, at malaki ang puhunan sa transportasyon. Nagiging likido ang ammonia sa humigit-kumulang minus 33 C o sa katamtamang presyon. Matagal na itong iniluluwas at inililipat ng industriya ng kemikal sa malalaking dami sa iba’t ibang panig ng mundo. Para sa enerhiya, nangangahulugan ito na maaaring gumawa ang mga prodyuser ng ammonia sa mga lugar kung saan mura ang nababagong enerhiya, ipadala ito sa barko, at paghiwa-hiwalayin malapit sa mga end user.

Nagbibigay ng kredibilidad sa modelong ito ang mga pagsubok sa industriya sa South Korea. Sinubukan ng Syzygy Plasmonics at Lotte Chemical sa Ulsan ang sistemang ganap na de-kuryente para sa paghihiwalay ng ammonia. Umabot sa 81 porsiyento ang episyensiya ng yunit, 99 porsiyento ang conversion, at humigit-kumulang 290 kilo ng hydrogen bawat araw ang nagawa nito. Iniulat na nasa humigit-kumulang 11 kilowatt-hour bawat kilo ng hydrogen ang nagamit na enerhiya, habang 8 kWh bawat kilo ang target ng mga disenyo. Plano ng mga katuwang na bumuo ng maliit na planta-komersiyal upang matugunan ang lokal na pangangailangan. Ipinahihiwatig ng mga resultang tulad nito ang posibilidad ng rutang pang-angkat para sa Korea, Japan, at iba pang rehiyong malaki ang pangangailangan sa enerhiya.

Mula laboratoryo tungo sa mga kalsada at barko: paano mababago nito ang transportasyon

Nangangailangan ang mga sasakyang gumagamit ng fuel cell ng napakalinis na hydrogen dahil sensitibo sa mga dumi ang mga katalista sa mga stack na polymer electrolyte membrane. Tugma sa mga pangangailangang ito ang 99.97 porsiyentong kadalisayang iniulat ng KIER. Malamang na magsisimula ang pagpapalawak sa mga sentrong panrehiyon na tatanggap ng ammonia, maghihiwalay nito sa lugar, at mamamahagi ng purified hydrogen sa mga istasyon ng pagkakargahan. Likas na lokasyon para sa mga unang sistema ang mga pagawaan ng barko, daungan, at sentrong pang-logistika dahil humahawak na ang mga ito ng mapanganib na materyales at malalaking daloy ng enerhiya.

Mga makinang direktang pinatatakbo ng ammonia

Sinisiyasat din ng mga inhinyero sa Korea ang direktang paggamit ng ammonia bilang panggatong. Ipinakilala ng koalisyong pinangungunahan ng Korea Institute of Machinery and Materials kasama ang Hyundai Motor at Kia ang makinang gumagamit ng mataas na presyon at direktang nag-iiniksiyon ng purong ammonia sa silid-pagsunog. Pinahusay ng pangkat ang katatagan at lakas sa pamamagitan ng pagsabay ng multiyugto na iniksiyon ng panggatong sa pabagu-bagong tiyempo ng balbula at pinatibay na sistema ng pag-aapoy. Binabawasan ng eksklusibong pakete ng after-treatment ang nitrogen oxide at ammonia na hindi nasunog upang matugunan ang mga suliranin sa kalidad ng hangin. Inaalis ng disenyo ang pangangailangan sa gaseous ammonia reformer, kaya napapasimple ang ilang aplikasyon. Itinatakda ito para sa pagpapaandar ng mga barko, suplay ng kuryente sa mga lugar na wala sa grid, at mabibigat na sasakyan. Sinusuri pa ang mga plano para sa paggamit nito pagsapit ng 2027.

Pagtatayo ng kadena ng suplay: mga barko, tangke, at pabrika

Mangangailangan ng mga espesyal na barko at imbakan ang malakihang kalakalan ng hydrogen. Nakuha ng HD Korea Shipbuilding and Offshore Engineering ang Approval in Principle mula sa American Bureau of Shipping para sa tangke ng tagapagdala ng hydrogen na gumagamit ng vacuum insulation upang mapanatili ang napakababang temperaturang malapit sa minus 253 C. Pinag-aaralan ng kumpanya at mga katuwang nito ang isang tagapagdala ng likidong hydrogen na may kapasidad na 80,000 cubic meter. Kasabay ng pag-usad sa mga tangke para sa likidong hydrogen ang kasalukuyang pangkat ng mga barkong tagapagdala ng ammonia, na maaari ring sumuporta sa pagpapadala ng enerhiya.

Lumalawak din ang kapasidad sa pagmamanupaktura sa lupa. Sinimulan ng Hyundai Motor ang pagtatayo ng bagong pasilidad sa Ulsan na gagawa ng mga susunod na henerasyon ng hydrogen fuel cell at electrolyzer na polymer electrolyte membrane. Mahigit 644 milyong dolyar ang inilaan sa proyekto. Nakatakdang matapos ang planta sa 2027 at gumawa ng humigit-kumulang 30,000 fuel cell bawat taon. Layunin ng plano na pahusayin ang pagganap at pababain ang gastos, at panatilihin sa Korea ang mahahalagang teknolohiya para sa produksyon ng hydrogen.

Mga pahayag ng mga lider sa industriya

Itinuturing ng mga ehekutibo ng HD KSOE na bahagi ng mas malawak na pagsisikap na bawasan ang carbon emissions sa transportasyon ng enerhiya ang mahalagang hakbang na ito para sa tangke.

Patuloy kaming makikipagtulungan sa mga nangungunang pandaigdigang kumpanya upang isulong ang transisyon sa enerhiya at makamit ang mga layuning net-zero.

Ipinakikita ng kombinasyon ng mga bagong tangke, makina, at pagmamanupaktura ng fuel cell ang magkakaugnay na pagsisikap na gawing ganap na kadena ng suplay ang mga proyektong piloto.

Lumilitaw ang iba’t ibang paraan ng malinis na produksyon ng hydrogen sa Korea

Isinusulong ng mga laboratoryo sa Korea ang maraming paraan ng paggawa ng malinis na hydrogen. Bumuo ang Korea Institute of Machinery and Materials ng 20 kilowatt na solid oxide electrolysis system na mahusay na gumawa ng hydrogen nang mahigit 3,000 oras. Gumagana sa mataas na temperatura ang solid oxide electrolysis, kaya nagagamit nito ang init mula sa mga prosesong pang-industriya upang bawasan ang konsumo ng kuryente. Ang paraang ito ay maaaring ipares nang mahusay sa mga gilingan ng bakal at planta ng kemikal.

May iba pang pangkat na nagsasaliksik ng mga komplementaryong reaksiyong kemikal. Iniulat ng mga siyentipiko sa KIER ang isang katalista na nagpapalit ng carbon dioxide tungo sa carbon monoxide, isang mahalagang sangkap sa mga sintetikong panggatong. Nagpakita ang mga grupong akademiko ng mga paraang makagawa ng berdeng ammonia sa mga electrochemical cell sa temperatura ng silid. Nagpahiwatig ng interes ang mga bansang kabilang ang Japan at Korea sa pag-angkat ng berdeng ammonia na kaugnay ng mga proyektong gumagamit ng enerhiya mula sa hangin at araw, dahil mas madaling itago at ipadala ang molekulang ito kaysa hydrogen.

Kailangang malinis ang ammonia upang makamit ang mga benepisyo sa klima

May mahalagang paalala: malaki ang carbon footprint ng ammonia na ginawa mula sa hydrogen na nagmula sa fossil fuel. Hindi inaalis ng paghihiwalay sa ammonia sa pinagdadalhan nito ang mga emisyong naganap sa mga naunang yugto ng produksyon. Nagbabala rin ang mga analyst na maliit lamang ang benepisyo sa klima ng sabayang pagsusunog ng ammonia o hydrogen sa mga planta ng kuryenteng gumagamit ng karbon o gas kapag isinama sa pagtutuos ang kabuuang gastos sa enerhiya at logistik. Pinakamainam gamitin muna ang hydrogen sa mga sektor na mahirap patakbuhin gamit ang kuryente, gaya ng bakal, kemikal, pandaigdigang pagpapadala sa karagatan, at pana-panahong imbakan ng enerhiya. Isinasaalang-alang ng mga tagapagplano sa Korea ang mga kompromisong ito habang nagtatakda sila ng mga target at pamantayan.

Mga panganib, episyensiya, at mga susunod na dapat bantayan

Mahalagang panukat ang konsumo ng enerhiya. Iniulat sa pagsubok ng panghiwalay ng ammonia sa Ulsan ang humigit-kumulang 11 kilowatt-hour bawat kilo ng hydrogen, habang 8 kWh bawat kilo ang target ng mga disenyo. Makababawas sa gastos ang mas mababang bilang. Bilang paghahambing, nasa humigit-kumulang 33 kilowatt-hour bawat kilo ang mababang heating value ng hydrogen. Makababawas sa enerhiyang nasasayang sa paghihiwalay ang pagpapahusay sa mga katalista, pagsasama-sama ng paggamit ng init, at pag-init gamit ang kuryente.

Nangangailangan ng maingat na disenyo ang kaligtasan at mga emisyon. Nakalalason ang ammonia at matapang ang amoy nito, kaya mangangailangan ang mga operator ng pagsubaybay, bentilasyon, at mga planong pang-emergency. Kapag ginamit ito sa mga makina, kailangan ang after-treatment upang makontrol ang nitrogen oxide. Babantayan ng mga operator ang tibay ng mga katalista at lamad, pati na ang mga iskedyul ng pagpapanatili ng mga compressor at bomba. Dinidisenyo ng mga kumpanya ang mga sistemang panghiwalay na ganap na umaandar sa kuryente, kaya mas madaling patakbuhin ang mga ito gamit ang enerhiya mula sa hangin at araw. Pinag-aaralan din ng KIER ang mga hydrogen fuel cell para sa mga gusali, na nagpapahiwatig na maaaring sabay na lumawak ang paggamit nito sa transportasyon at nakapirming suplay ng kuryente.

Mahahalagang Punto

• Nagpakita ang KIER ng paghihiwalay ng ammonia sa temperaturang malapit sa 600 C upang makapaghatid ng hydrogen na 99.97 porsiyentong dalisay nang hindi nagsusunog ng fossil fuel sa mismong proseso.
• Gumagamit ang proseso ng ruthenium catalyst at pressure swing adsorption upang linisin ang hydrogen para sa mga fuel cell.
• Sinubukan ng Syzygy at Lotte sa Ulsan ang sistemang ganap na de-kuryente para sa paghihiwalay ng ammonia. Umabot ito sa 81 porsiyentong episyensiya, 99 porsiyentong conversion, at humigit-kumulang 290 kilo bawat araw na produksyon. Nasa halos 11 kWh bawat kilo ang konsumo ng enerhiya, habang 8 ang target ng mga disenyo.
• Praktikal na tagapagdala ng hydrogen ang ammonia dahil nagiging likido ito sa katamtamang mga kondisyon at may matatag nang pandaigdigang imprastraktura sa pagpapadala.
• Ipinakilala ng KIMM, Hyundai, at Kia ang makinang gumagamit ng mataas na presyon at purong ammonia, na may after-treatment upang bawasan ang mga emisyon. Nilalayon itong gamitin sa mga barko, suplay ng kuryente sa mga lugar na wala sa grid, at mabibigat na sasakyan pagsapit ng 2027.
• Nakuha ng HD KSOE ang Approval in Principle para sa malaking tangke ng likidong hydrogen at pinag-aaralan nito ang konsepto ng tagapagdala na may kapasidad na 80,000 cubic meter.
• Nagtatayo ang Hyundai sa Ulsan ng plantang nagkakahalaga ng 644 milyong dolyar para gumawa ng mga fuel cell at electrolyzer na polymer electrolyte membrane, na may layuning gumawa ng 30,000 fuel cell bawat taon pagsapit ng 2027.
• Isinusulong din ng Korea ang solid oxide electrolysis para sa berdeng hydrogen at mga katalistang nagiging sangkap sa paggawa ng malinis na panggatong mula sa carbon dioxide.
• Nagbabala ang mga analyst na limitado ang benepisyo sa klima ng sabayang pagsusunog ng hydrogen o ammonia sa mga planta ng kuryente na gumagamit ng fossil fuel kapag isinama sa pagtutuos ang enerhiyang kailangan sa kadena ng suplay. Kabilang sa mga dapat unahin ang bakal, kemikal, pagpapadala sa dagat, at pana-panahong imbakan ng enerhiya.
• Kabilang sa mahahalagang dapat bantayan ang enerhiyang kailangan sa paghihiwalay ng ammonia bawat kilo, pagkontrol sa nitrogen oxide, mga hakbang sa kaligtasan sa paghawak ng ammonia, pagmumulan ng berdeng ammonia, at mga demonstrasyong malakihan.