En sentral utfordring i integreringen av energi fra fornybare kilder som sol og vind i energisystemet er at denne energien ofte produseres langt fra tettbygde områder, og har en naturlig variasjon. En løsning er å lagre og transportere denne energien som molekyler. Slike molekylære energibærere bør ikke slippe ut karbondioksid når energien brukes, og det er derfor behov for alternativer til de klassiske, karbonholdige energibærerne. Et av de mest attraktive alternativene er ammoniakk, som lett kan komprimeres til en ikke-eksplosiv væske med nesten dobbelt så høy energitetthet som flytende hydrogen. Akkurat som hydrogen kan ammoniakk omdannes til elektrisitet eller brukes direkte som drivstoff i forbrenningsmotorer. For å realisere ammoniakks potensial som en bærekraftig, karbonfri energibærer, må imidlertid en stor utfordring overvinnes: Den nåværende energikrevende produksjonsprosessen må erstattes med en mer skånsom prosess basert på fornybar elektrisitet.
For å utvikle en slik prosess vil teamet hente inspirasjon fra bakterielle nitrogenase-enzymer, som effektivt produserer ammoniakk fra vann og atmosfærisk nitrogen ved romtemperatur. Enzymer er biologiske katalysatorer som akselererer kjemiske reaksjoner uten selv å bli forbrukt. En nøkkelingrediens i de mest aktive formene av nitrogenase-enzymet er molybden, et metall. Teamet vil utvikle industrielt anvendelige katalysatorer basert på molybden ved hjelp av en kombinasjon av databasert prediksjon og høyhastighets, robotbasert eksperimentering. Under utviklingen av katalysatoren vil energien og elektronene som driver ammoniakkprosessen komme fra en kjemisk forbindelse, et såkalt reduksjonsmiddel. I starten vil reduksjonsmiddelet bli forbrukt, men på lengre sikt vil teamet arbeide for å utvikle en metode for å regenerere denne ingrediensen ved hjelp av elektrisitet. Dersom dette lykkes, kan en slik prosess muliggjøre global tilgang til bærekraftig ammoniakk for bruk i gjødsel, drivstoff og energi, og dermed bidra til en grønn omstilling av økonomien, industrien og samfunnet.
I løpet av de første månedene av prosjektet har teamet arbeidet med å syntetisere en katalysator som er forutsagt ved hjelp av datamodellering. Teamet har også begynt å syntetisere reduksjonsmidler som forventes å være lettere å regenerere.
To meet the United Nations’ climate targets, the contribution from renewable energy and low-carbon solutions to the world’s energy mix must increase drastically. Much of this increase will come from solar and wind power, and fair amounts of this electricity will be produced far from densely populated and industrialized areas. Making this massive and largely remotely-produced energy resource accessible at times and locations where it is highest in demand, defines a strong drive for reliable, efficient and safe technology for converting, storing and transporting green energy commodities. Part of this technology will be based on hydrogen. However, due to the hazards of hydrogen, its low energy density, and the costs of compressing and liquifying hydrogen, ammonia emerges as an attractive carbon-free energy vector. The main challenge to realizing ammonia’s potential is to replace its current high-temperature, high-pressure production process with a more benign process based on renewable electricity.
To develop such a process, we have assembled a team of leading academic researchers in chemistry and company experts on renewable energy and maritime transport solutions. We will develop electrocatalytic processes for direct and benign water-based ammonia production. Superior electrocatalytic production efficiency will be achieved by computationally guided development of active and stable catalysts for water-based nitrogen fixation and implementation thereof in cells for electrocatalytic ammonia production. The project involves state-of-the-art and emerging methodology and expertise ranging from molecular design, via high-throughput synthesis and experimentation, to electrocatalysis. Finally, a successful electrocatalytic process could provide worldwide abundant and sustainable ammonia for fertilizers, fuel, and energy, and thus contribute to a green economic, industrial, and societal transition.
