Amoniac - công cụ quan trọng để giúp nhân loại hướng tới mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2050, nhưng nhược điểm sản xuất amoniac lại gây ô nhiễm và sử dụng nhiều năng lượng. Đề cập chủ đề này, chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam cập nhật giải pháp mới của các nhà khoa học Israel: Kết hợp nitơ từ không khí với hydro chiết xuất từ nước để tạo ra amoniac xanh dùng làm nhiên liệu.
Đôi nét về Amoniac:
Amoniac là một hợp chất của nitơ và hydro có công thức hóa học NH3, không màu, có mùi hăng. Nó là một hydride nhị phân ổn định và hydride pnictogen đơn giản nhất. Nó là một chất thải chứa nitơ phổ biến, đặc biệt là từ các sinh vật sống dưới nước, đóng góp đáng kể vào nhu cầu dinh dưỡng của các sinh vật trên cạn bằng cách đóng vai trò là tiền chất của thực phẩm và phân bón. Amoniac có nhiều trong tự nhiên. Với tính ăn mòn ở dạng đậm đặc, nó được phân loại là một chất cực kỳ nguy hiểm và phải tuân thủ các quy định về sản xuất, vận chuyển, bảo quản và sử dụng, nhất là với khối lượng lớn.
Sản lượng amoniac công nghiệp toàn cầu năm 2018 là 175 triệu tấn. Amoniac công nghiệp được mua, bán dưới dạng lỏng, hoặc lỏng khan có áp suất/hoặc làm lạnh được vận chuyển trong xe bồn, hoặc ống trụ. NH3 sôi ở -33,34 độ C ở áp suất tiêu chuẩn, do đó chất lỏng phải được bảo quản dưới áp suất, hoặc ở nhiệt độ thấp. Ứng dụng chủ yếu của amoniac là để sản xuất phân đạm, điều chế axit nitric, là chất sinh hàn, sản xuất hidrazin N2H4 dùng làm nhiên liệu cho tên lửa. Ngoài ra, dung dịch amoniac còn được dùng làm chất tẩy rửa gia dụng và gần đây được khai thác dưới dạng năng lượng mới.
Ví dụ, trung tuần tháng 12/2021, Đại học Wisconsin - Madison (UWM) của Hoa Kỳ đã đưa ra một phương pháp mới để chuyển đổi amoniac thành khí nitơ, tiến tới sử dụng amoniac thay thế cho nhiên liệu gốc cacbon. Kỹ thuật mới sử dụng chất xúc tác kim loại và giải phóng năng lượng nhưng không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Thế giới hiện đang vận hành nền kinh tế nhiên liệu cacbon. Nhưng đây không phải là nền kinh tế lý tưởng, bởi chúng ta đang đốt cháy hydrocacbon, gây phát thải CO2 vào trong khí quyển và làm gia tăng hiệu ứng khí nhà kính, nên sử dụng NH3 phi carbon được xem là hướng đi mới đầy hứa hẹn.
Giải pháp Nitrofix Solution trong sản xuất amoniac:
Khi nói đến amoniac, người ta nghĩ ngay tới các loại phân bón. Nhưng ngoài phân bón, amoniac còn là nguồn nhiên liệu phi cacbon để xử lý kim loại, sản xuất hóa chất, sản xuất vật liệu tổng hợp, ứng dụng trong ngành thực phẩm… Để hướng tới mục tiêu không phát thải cacbon trên thế giới vào năm 2050 do Liên Hợp Quốc đưa ra, các nhà khoa học cần xem xét sản xuất năng lượng từ các nguyên tố khác (ngoài cacbon) theo cách có trách nhiệm với môi trường. Điều duy nhất ngăn chặn việc sử dụng amoniac làm nhiên liệu là việc sản xuất gây ô nhiễm.
Amoniac có mật độ năng lượng như dầu, nó chứa năng lượng cao gấp 20 lần pin điện lithium-ion. Khi ở dạng lỏng nhiệt độ phòng, nó không cần một lượng điện lớn để làm mát thêm như hydro (một loại nhiên liệu thay thế khác cho nhiên liệu hóa thạch), chất này chỉ trở thành chất lỏng ở nhiệt độ âm 259,2 độ C. Amoniac không dễ cháy và không nổ như hydro, hoặc xăng.
Tất cả những điều này làm cho amoniac chính xác trở thành loại nhiên liệu thay thế giúp ngành giao thông bộ, thậm chí cả máy bay khỏi nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, để đạt được mục tiêu này thì phải có amoniac xanh, sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo để cung cấp năng lượng cho các phản ứng. Việc sản xuất amoniac từ nhiên liệu hóa thạch đặc biệt gây phát thải khí nhà kính: Sản xuất 1 tấn amoniac tạo ra 2,5 tấn CO2.
Để khắc phục nhược điểm này, một khởi nghiệp của Israel - hãng Nitrofix vừa phát triển thành công một cách tiếp cận mới mang tên: Giải pháp Nitrofix (Nitrofix Solution). Thay vì dựa vào lượng lớn điện được tạo ra từ bên ngoài, Nitrofix nghiên cứu một chất xúc tác chuyên dụng giúp giảm 90% lượng năng lượng cần thiết để sản xuất amoniac.
Theo Giáo sư Ronny Neumann - đồng sáng lập Nitrofix và cố vấn khoa học của Viện Khoa học Weizmann (Israel) cho biết: Tương lai amoniac sẽ trở thành phần quan trọng tiếp theo trong nhiên liệu không có cacbon nên là nguồn năng lượng tái tạo sạch hấp dẫn. Giáo sư Ronny Neumann vừa phát minh ra chất xúc tác mới và hiện đang tiến hành chuyển giao công nghệ để ứng dụng thương mại hóa. Amoniac bao gồm một nguyên tử nitơ và ba nguyên tử hydro (NH3), Nitrofix kết hợp nitơ từ không khí với hydro chiết xuất từ nước để tạo ra amoniac.
Đánh giá về vai trò của amoniac trong quá trình chuyển đổi năng lượng, nữ giám đốc điều hành Nitrofix Ophira Melamed cho hay: “Amoniac đích thực là giấc mơ về năng lượng tái tạo. Chỉ cần trộn không khí và nước sẽ có được loại nhiên liệu mạnh như dầu và sản phẩm phụ duy nhất là oxy. Đây cũng là một lý do tên công ty được đặt là Nitrofix (Cố định đạm hay Nitơ)”. Ophira Melamed cho biết thêm: Xúc tác của Nitrofix là ‘hợp chất kim loại hữu cơ’ giúp giữ nitơ cho phản ứng, do đó làm giảm năng lượng kích hoạt cần thiết. ‘Hợp chất kim loại hữu cơ’ (organo-metal), có nghĩa xúc tác chứa cả cacbon và oxit hữu cơ, cũng như một số nguyên tử kim loại (như sắt chẳng hạn).
Cách tiếp cận của giải pháp Nitrofix Solution khác với các phương pháp sản xuất amoniac hiện có, đòi hỏi sản xuất khí hydro chứ không phải nước để chiết xuất các nguyên tử thích hợp. Khí hydro có nhược điểm là chứa khí metan, dễ rò rỉ. Theo tính toán của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ: Khí metan có khả năng gây hiệu ứng nhà kính gấp 28 đến 36 lần so với CO2. Nitrofix có cách tiếp cận khác: Cải tiến “Kỹ thuật Haber-Bosch” được hầu hết các công ty sản xuất amoniac khác sử dụng.
Haber-Bosch qua hai khâu: Đầu tiên là sản xuất khí hydro, sau đó là phản ứng giữa khí hydro và nitơ. Hầu hết các cơ sở của Haber-Bosch đều sử dụng nhiên liệu hóa thạch để cung cấp năng lượng cho quá trình sản xuất hydro. Bất lợi của kỹ thuật này là đòi hỏi nhiệt độ cao và áp suất lớn (300 độ C và áp suất 400 atm), cả hai đều tiêu tốn rất nhiều năng lượng, nhưng giải pháp Nitrofix Solution lại ở nhiệt độ phòng, 50 độ C, áp suất 10atm, nên giảm tiêu hao năng lượng.
Triển vọng của Amoniac xanh:
Ngành giao thông vận tải là nơi Amoniac có thể đảm nhận làm nhiên liệu. Vận tải biển thải ra hơn 1 tỷ tấn cacbon mỗi năm. Vì vậy sẽ khiến ngành giao thông biển trở thành nguồn phát thải lớn thứ sáu trên thế giới (sau Trung Quốc, Hoa Kỳ, Ấn Độ, Nga và Nhật Bản). Hiện không có tàu nào chạy bằng amoniac, mặc dù Giám đốc điều hành Nitrofix Ophira Melamed cho biết: Tàu đầu tiên sẽ ra mắt vào cuối năm nay. Con tàu đó, có tên Kriti Future, thuộc sở hữu của hãng Avin International của Hy Lạp.
Một con tàu kéo khác chạy bằng amoniac, được sản xuất năm 1957, cập cảng New York, đang được trang bị thêm thiết bị và công nghệ mới bởi một công ty khởi nghiệp về amoniac khác là Amogy. Cho đến khi các tàu sử dụng amoniac ra đời, trên đất liền vẫn có rất nhiều cách sử dụng amoniac xanh. Khoảng 160 triệu tấn amoniac được sử dụng hàng năm, 80% trong số đó để làm phân bón. Amoniac cũng được sử dụng làm khí lạnh, để lọc nước và sản xuất nhựa, chất nổ, dệt may, thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm và các hóa chất khác.
Các ngành phi vận tải cũng quan tâm đến mục tiêu Net Zero. Chẳng hạn thuốc nhuộm tóc cần có amoniac, hay hãng McDonald cũng cần đến Amoniac dùng cho chế biến thực và cho cộng đoạn vận chuyển, giao hàng không có khí thải. Amoniac xanh cũng có thể dùng vận chuyển hydro an toàn và hợp lý hơn. Hydro được vận chuyển bởi amoniac ở dạng lỏng, sau đó được “bẻ khóa” để giải phóng hydro tại điểm tập kết hàng.
Hiện tại, Nitrofix đang bắt tay vào sản xuất một lượng amoniac quy mô nhỏ trước khi tối ưu hóa hiệu suất, mở rộng lên quy mô lớn hơn. Nitrofix hy vọng sẽ có sản phẩm thương mại vào cuối năm 2025, hoặc đầu năm 2026. Nhu cầu về amoniac dự kiến sẽ tăng gấp ba lần vào năm 2050. Nitrofix sẽ cấp phép công nghệ của mình cho các nhà sản xuất nhỏ. Một khi Nitrofix có thể tự sản xuất đủ amoniac “ở quy mô công nghiệp”, họ sẽ bán trực tiếp lượng amoniac đó cho khách hàng.
Nitrofix là công ty duy nhất có thể phá vỡ cách tiếp cận năng lượng hóa thạch thông thường để tạo ra con đường kinh tế nhằm khử cacbon cho ngành công nghiệp toàn cầu./.