O echipă de cercetători de la MIT a dezvoltat o modalitate inovatoare de a produce amoniac fără instalațiile chimice obișnuite alimentate cu combustibili fosili care necesită căldură și presiune ridicată. În schimb, au găsit o modalitate de a folosi Pământul însuși ca reactor geochimic, producând amoniac în subteran. Procesele utilizează căldura și presiunea naturale ale Pământului, precum și reactivitatea mineralelor deja prezente în pământ.
Echipa propune injectarea apei subterane într-o zonă de rocă subterană bogată în fier. Apa poartă cu ea o sursă de azot și particule de catalizator metalic, permițând apei să reacționeze cu fierul pentru a genera hidrogen curat, care, la rândul său, reacționează cu azotul pentru a produce amoniac. Un al doilea puț ar fi apoi folosit pentru a pompa acel amoniac până la suprafață.
Procesul, care a fost demonstrat în laborator, dar nu încă într-un cadru natural, este descris într-o lucrare cu acces deschis din revista Joule . Co-autorii lucrării sunt profesori MIT de știința materialelor și inginerie Iwnetim Abate și Ju Li, studentul absolvent Yifan Gao și alți cinci de la MIT.
Deși producția de amoniac este crucială pentru agricultura globală, aceasta are o amprentă substanțială de carbon. Aici, pentru prima dată, propunem și demonstrăm o metodă diferită pentru producția stimulată (proactivă) și in situ a amoniacului geologic (Geo-NH 3 ) direct din roci. Abordarea noastră a demonstrat că NH 3 poate fi generat eficient prin reacția mineralelor naturale (Fe, Mg) 2 SiO 4 (olivină) cu apă sursă de nitrați la 130°C–300°C și 0,25–8,5 MPa și chiar și la temperatura ambiantă și presiune. Folosind atât roci reale, cât și Fe(OH) 2 mineral sintetic , am investigat mecanismele și condițiile optimizate prin experimente și calcule teoretice. Am dezvăluit chimia de bază care permite producerea Geo-NH 3 : Fe 2+ conținut în roci reduce sursa de nitrați la NH 3 . Abordarea noastră, care implică doar injectarea de apă din sursă de nitrați în subsol pentru a utiliza căldura și presiunea subterană in situ, nu necesită H2 extern sau curent electric și nu emite CO2 direct , oferind o alternativă fezabilă la producția durabilă de NH3 la scară. .
— Gao și colab
Schema și configurația ciclului de abatere, reacția redox termochimică subterană pentru sinteza amoniacului. (A) Acesta cuprinde mai multe componente, inclusiv un puț de injecție, un aparat de livrare a fluidului, pasaje de curgere (foraje) și un puț de producție. Aceste componente sunt interconectate pentru comunicarea fluidelor. Elemente suplimentare, cum ar fi pompele, pot fi folosite pentru a regla debitul compusului. Apa, nitrații (NO 3 – ) și aditivii (de exemplu, catalizator, agent de pH, etc.) curg către patul de rocă ultramafic prin prima gaură de foraj (săgeți albastre). După reacțiile redox de la suprafața rocii, NH3 iese din subsol prin al doilea foraj (săgeată verde) pentru a fi colectat la suprafață (poate fi colectat fie sub formă de gaz, fie sub formă de NH3 dizolvat în apă). (B) Schema reacției la interfața rocă-fluid unde Fe 2+ din rocă este oxidat în timp ce reduce NO 3 – în NH 3 . Gao şi colab.
Metoda standard de fabricare a amoniacului este procedeul Haber-Bosch, care a fost dezvoltat în Germania la începutul secolului al XX – lea pentru a înlocui sursele naturale de îngrășăminte cu azot, cum ar fi zăcămintele minate de guano de lilieci, care se epuizau. Procesul Haber-Bosch este foarte consumator de energie – necesită temperaturi de 400 de grade Celsius și presiuni de 200 de atmosfere, iar asta înseamnă că are nevoie de instalații uriașe pentru a fi eficient. Unele zone ale lumii, cum ar fi Africa subsahariană și Asia de Sud-Est, au puține sau deloc astfel de fabrici în funcțiune. Drept urmare, deficitul sau costul extrem de ridicat al îngrășămintelor din aceste regiuni a limitat producția lor agricolă.
Procesul Haber-Bosch „este bun. Funcționează”, spune Abate. „Fără el, nu am fi putut să hrănim 2 din totalul de 8 miliarde de oameni din lume în acest moment, spune el, referindu-se la partea din populația lumii a cărei hrană este cultivată cu îngrășăminte pe bază de amoniac. Dar, din cauza emisiilor și a cererii de energie, este nevoie de un proces mai bun, spune el.
Arderea combustibilului pentru a genera căldură este responsabilă pentru aproximativ 20% din gazele cu efect de seră emise de plante prin procesul Haber-Bosch. Producerea hidrogenului reprezintă restul de 80%. Dar amoniacul, molecula NH 3 , este format doar din azot și hidrogen. Nu există carbon în formulă, deci de unde provin emisiile de carbon? Modul standard de producere a hidrogenului necesar este procesarea gazului metan cu abur, descompunerea gazului în hidrogen pur, care este utilizat și gaz de dioxid de carbon care este eliberat în aer.
Există și alte procese pentru a produce hidrogen cu emisii scăzute sau fără emisii, cum ar fi utilizarea energiei solare sau eoliene pentru a împărți apa în oxigen și hidrogen, dar acest proces poate fi costisitor. De aceea, Abate și echipa sa au lucrat la dezvoltarea unui sistem care să producă ceea ce ei numesc hidrogen geologic. S-a descoperit că unele locuri din lume, inclusiv unele din Africa, generează în mod natural hidrogen în subteran prin reacții chimice dintre apă și rocile bogate în fier. Aceste buzunare de hidrogen natural pot fi extrase, la fel ca rezervoarele naturale de metan, dar amploarea și locațiile acestor zăcăminte sunt încă relativ neexplorate.
Abate și-a dat seama că acest proces ar putea fi creat sau îmbunătățit prin pomparea apei, împletită cu particule de catalizator de cupru și nichel pentru a accelera procesul, în pământ în locurile în care astfel de roci bogate în fier erau deja prezente. „Putem folosi Pământul ca o fabrică pentru a produce fluxuri curate de hidrogen”, spune el.
El își amintește că s-a gândit la problema emisiilor de amoniac din producția de hidrogen: „Aha! Momentul pentru mine era să mă gândesc, ce zici să legăm acest proces de producere geologică de hidrogen cu procesul de producere a amoniacului Haber-Bosch?
Aceasta ar rezolva cea mai mare problemă a procesului de producere a hidrogenului subteran, care este modul de captare și stocare a gazului odată ce este produs. Prin implementarea întregului proces Haber-Bosch în subteran, singurul material care ar trebui trimis la suprafață ar fi amoniacul în sine, care este ușor de captat, depozitat și transportat.
Singurul ingredient suplimentar necesar pentru finalizarea procesului a fost adăugarea unei surse de azot, cum ar fi nitrat sau azot gazos, în amestecul apă-catalizator injectat în pământ. Apoi, pe măsură ce hidrogenul este eliberat din moleculele de apă după ce a interacționat cu rocile bogate în fier, se poate lega imediat de atomii de azot transportați și în apă, mediul subteran adânc oferind temperaturile și presiunile ridicate cerute de Haber-Bosch. proces. Un al doilea puț lângă puțul de injecție pompează apoi amoniacul în rezervoare de la suprafață.
Numim acest amoniac geologic deoarece folosim temperatura subterană, presiunea, chimia și rocile existente din punct de vedere geologic pentru a produce direct amoniac. — Iwnetim Abate
În timp ce transportul hidrogenului necesită echipamente scumpe pentru a-l răci și lichefia și practic nu există conducte pentru transportul acestuia (cu excepția zonelor din apropierea rafinăriilor de petrol), transportul amoniacului este mai ușor și mai ieftin. Este aproximativ o șesime din costul transportului hidrogenului și există deja peste 5.000 de mile de conducte de amoniac și 10.000 de terminale doar în SUA.
Amoniacul poate fi ars direct în turbine cu gaz, motoare și cuptoare industriale, oferind o alternativă fără carbon la combustibilii fosili. Este explorat pentru transport maritim și aviație ca combustibil alternativ și ca posibil propulsor spațial.
Un alt avantaj al amoniacului geologic este că apele uzate netratate, inclusiv scurgerile agricole, care tinde să fie deja bogate în azot, ar putea servi drept sursă de apă și pot fi tratate în acest proces.
Lucrarea inițială asupra procesului a fost făcută în laborator, așa că următorul pas va fi demonstrarea procesului folosind un sit subteran real. Echipa a solicitat un brevet și își propune să lucreze pentru a aduce procesul pe piață.
Resurse
- Yifan Gao, Ming Lei, Bachu Sravan Kumar, Hugh Barrett Smith, Seok Hee Han, Lokesh Sangabattula, Ju Li, Iwnetim I. Abate, Geological ammonia: Stimulated NH3 production from rocks, Joule , 2025
