Suurin osa maailmassa tuotetusta ammoniakista on tähän asti käytetty lannoitteiden valmistukseen. Uudessa ammoniakkitaloudessa ainetta hyödynnetään hiilettömänä laivaliikenteen polttoaineena ja muissa energiasovelluksissa.
Kalevi Rantanen
Maailman laivojen energiankulutuksesta yli 40 prosenttia saatetaan vuonna 2050 kattaa ammoniakilla. Näin kertoo kansainvälisen energiajärjestön IEA:n tiekartta.
Ammoniakin renessanssissa julkisuutta on saanut eniten juuri merenkulku. Muuttumassa on kuitenkin koko ammoniakkiketju, laivaliikenteessä muutospaineet vain ovat kovempia kuin maalla.
Fossiiliselle polttoaineelle on etenkin valtamerillä niukasti vaihtoehtoja. Ammoniakki houkuttelee täydellisen hiilettömyytensä takia. Varustamot ovatkin alkaneet vaatia uusilta aluksilta niin kutsuttua ammoniakkivalmiutta.
Metalliyhtiö Outokumpu ja suomalainen Langh Ship -varustamo ilmoittivat marraskuussa 2021 hankkivansa kiinalaiselta Wuhun telakalta kolme laivaa, joilla on valmius käyttää useita polttoaineita.
Alukset kulkevat nesteytetyllä luonnonkaasulla tai biokaasulla, mutta tarvittaessa ne pystyvät siirtymään myös metanoliin tai ammoniakkiin.
Outokummun ja Langh Shipin tilaamat laivat on suunniteltu liikennöimään Alankomaiden Terneuzenin ja Tornion välillä. Hollannista ne tuovat Outokummun Tornion tehtaan raaka-aineeksi teräsromua ja vievät vastakkaiseen suuntaan valmiita terästuotteita. Aluksista ensimmäinen saadaan käyttöön vuonna 2023.
Suomalaisyhtiöiden ratkaisu kertoo yritysten varautumisesta taloudellisiin ja poliittisiin muutoksiin. Kun on mahdotonta ennustaa erilaisten energiamuotojen hintakehitystä ja politiikan käänteitä, pitää tarvittaessa kyetä vaihtamaan polttoainetta nopeasti.
Ilmiö näkyy myös muissa maissa.
Norjalainen Höegh Autoliners -varustamo on sopinut kiinalaisen China Merchants Heavy Industryn kanssa uusien ammoniakkivalmiiden monipolttoainelaivojen rakentamisesta kiinalaisella Haimenin telakalla.
Maailman suurimpien autonkuljetusalusten kyytiin mahtuu 9 100 ajoneuvoa. Laivojen suunnittelusta vastaa suomalainen Deltamarin. Ensimmäinen laivoista valmistuu vuonna 2024.
Myös kiinalainen tutkimuslaitos Maric ja eteläkorealainen teollisuusjätti Cosco ovat saaneet luokituslaitosten hyväksynnät ammoniakkikäyttöiselle laivalle. Rakentamisen aikataulua ei ole ilmoitettu.
Wärtsilä kehittää ammoniakkimoottoria
Suomessa konepajayhtiö Wärtsilä tutkii ja kehittää osittain tai kokonaan ammoniakilla toimivia moottoreita. Yritys alkoi aktiivisesti arvioida ammoniakkia polttoaineena vuonna 2020.
Viime vuonna Wärtsilä teki ensimmäiset testit Vaasan moottorilaboratoriossaan käyttämällä ammoniakkisekoituksia yhdessä fossiilisten polttoaineiden kanssa. Moottori toimi hyvin polttoaineella, josta 70 prosenttia oli ammoniakkia.
Puhtaalla ammoniakilla toimivan moottorin Wärtsilä arvioi valmistuvan vuonna 2023.
Wärtsilän Vaasan moottorilaboratorion tiimi määrittää testeissään optimaaliset parametrit vety- ja ammoniakkipolttoaineilla toimiville moottoreille. Kuva: Wärtsilä.
Yhdessä kolmen asiakkaansa, norjalaisen varustamon Knutsen OAS:n sekä energiayhtiöiden Repsolin ja Equinorin kanssa Wärtsilä aloittaa ammoniakin testaamisen nelitahtisessa merimoottorissa kestävien energioiden tutkimuskeskuksessa Norjan Stordissa.
Suomalaisyhtiö tutkii ammoniakin käyttöä myös polttokennojen polttoaineena Eidesvikin porauslautan huoltoaluksessa.
Viime kesänä Wärtsilä sopi eteläkorealaisen laivanrakentajan Samsung Heavy Industriesin kanssa yhteistyöstä ammoniakkikäyttöisen apumoottorin kehittämisessä. EU:n ShipFC-hankkeessa yhtiö rakentaa ammoniakin varastointi- ja jakelujärjestelmiä.
Muut moottorivalmistajat ovat vähintään yhtä kiinnostuneita ammoniakista kuin Wärtsilä. Saksalainen MAN ja nykyisin kiinalaisessa omistuksessa oleva sveitsiläisyritys WinGD kehittävät yhdessä ammoniakkitekniikkaa.
Ammoniakin rajoitteista pyritään eroon
Hiilettömyyden kääntöpuolena ammoniakilla on joukko rajoitteita. Ammoniakin energiatiheys on noin kolme kilowattituntia litraa kohden. Luku on paljon pienempi kuin dieselöljyn noin 10 kilowattituntia per litra.
Ammoniakki myös syttyy huonosti. Sytytystekniikasta on tullut oma tutkimuskohteensa.
Aalto-yliopiston viime vuonna käynnistämä ZeroC-hanke keskittyy ammoniakin palamisen tutkimukseen. Sytytyksen varmistamiseksi tutkitaan puristusta ja pienen dieselpolttoainemäärän ruiskutusta sekä sitä, kuinka palamista voitaisiin nopeuttaa lisäämällä mukaan vetyä.
Hankkeen tutkijat odottavat tekevänsä jopa ”radikaaleja uusia löydöksiä” ammoniakin reaktiivisuudesta ja syttymisestä. Heidän mukaansa on tärkeää selvittää myös sitä, miten päästöt saadaan minimoitua hyvän palamisen hallinnan avulla.
ZeroC-projekti on osa pohjoismaista Cahema-tutkimuskonsortiota, jota johtaa ruotsalainen Lundin yliopisto ja joka tutkii ammoniakin ja vedyn käyttöä laivakoneissa.
Norjalaiset tutkimuslaitokset NTNU ja Sintef ovat erikseen käynnistäneet hankkeen, jossa kehitetään niin ikään ratkaisuja ammoniakin käyttämiseksi laivakoneiden polttoaineena. Norjalaisten idea on ruiskuttaa moottoriin valoherkkää nanomateriaalia, joka sytytetään valolla ja joka puolestaan sytyttää ammoniakin.
Lannoitevalmistajan vihreä suunta
Yksi maailman suurimmista ammoniakin tuottajista on norjalainen lannoiteyhtiö Yara. Konsernilla on käynnissä kolme hanketta, joiden avulla se pyrkii kohti hiilidioksiditonta ammoniakkivalmistusta.
Ensimmäinen on meneillään Australian Pilbarassa, toinen Alankomaiden Sluiskilissa ja kolmas Norjan Porsgrunnissa. Australiassa on tarkoitus tuottaa vihreää vetyä aurinkoenergialla, Hollannissa tuulivoimalla ja Norjassa vesivoimalla. Mahdollinen vetylähde on myös teollisuuden ylijäämävety.
Vety on ammoniakin tuotannossa avainasemassa. Nykyään vetyä saadaan pääasiallisesti maakaasusta höyryreformoinnilla, jolloin syntyy hiilidioksidia.
Hiilettömällä sähköllä vedestä elektrolyysillä tuotettu vety leikkaa pois noin 35 prosenttia lannoitteiden hiilijalanjäljestä.
”Ammoniakki on peruskemikaali, josta suurin osa kuluu lannoitteisiin. Ammoniakkia tarvitaan urean valmistuksessa, mihin kuluu myös hiilidioksidia. Toinen reitti on typpihapon valmistus nitraattipohjaisten lannoitteiden tuotantoa varten”, kertaa perusasioita Yara Suomi Oy:n liiketoimintapäällikkö, kemisti Juha Sarlund.
Kun maailman väkiluku edelleen kasvaa, myös lannoitemarkkina kasvaa muutaman prosentin verran vuodessa, ja lannoitteet pitävät asemansa merkittävinä ammoniakkijalosteina.
Lannoitteen täsmälevitystä Yaran Kotkaniemen tutkimusasemalla. Yhtiön kehittämä, traktorin katolle kiinnitettävä anturi mittaa kasvuston biomassaa ja lehtivihreää ja kertoo niiden perusteella, paljonko lannoitusta tarvitaan. Kuva: Yara
Yara Internationalin pääjohtaja Svein Tore Holsether kertoi Glasgow’n ilmastokokouksessa marraskuussa 2021, että yhtiö liittyy First Movers Coalition -yhteisöön, jonka jäsenet toimivat ilmastotavoitteiden hyväksi kahdeksalla teollisuudenalalla.
Vihreää ammoniakkia kehittämällä Yara auttaa maataloutta ja pitkän matkan merikuljetuksia kohti hiilettömyyttä. Suunta on myös Sarlundin mukaan selvä.
”Kohti vihreää maailmantaloutta mennään.”
Sähköverkon rinnalle ammoniakkiverkko
Uusiutuvalla sähköllä tuotettu vihreä ammoniakki on kestävä polttoaine myös muihin kuin merenkulun sovelluksiin. Juha Sarlund nostaa esiin vedyn kuljetuksen ja varastoinnin.
Ammoniakki nesteytyy suhteellisen korkeassa, –33 celsiusasteen lämpötilassa. Vedyn nesteyttäminen vaatii –253 celsiusastetta.
Toinen vaihtoehto on paineella nesteyttäminen. Ammoniakin nesteyttämiseen huoneenlämmössä riittää 8–9 baarin paine. Vetyä säilytetään huoneenlämmössä pieneen tilaan puristettuna kaasuna, mutta silloinkin tarvitaan noin 700 baarin paine.
Lisäksi ammoniakki pysyy säiliössä pitkään, kun pieniatominen vety haihtuu vähitellen seinänkin läpi. Ammoniakkia on siksi helpompi käsitellä kuin vetyä.
”Vety voidaan sitoa ammoniakkiin kuljetusta ja säilytystä varten. Käyttökohteessa se voidaan helposti taas erottaa ammoniakista.”
Ammoniakki hajoaa vedyksi ja typeksi kuumentamalla sopivan katalyytin vauhdittaessa prosessia. Toinen mahdollisuus on elektrolyysillä hajottaminen.
Yhdysvaltalainen Air Products on ilmoittanut rakentavansa Louisianaan suuren puhtaan energian kompleksin tuottamaan sinistä vetyä, jota kuljetetaan ammoniakin avulla. Ensin tehdään maakaasusta vetyä tavalliseen tapaan, mutta hiilidioksidi varastoidaan kallioperään.
Osa vedystä menee suoraan käyttöön. Toisessa haarassa vety yhdistetään typpeen, joka on erotettu ilmasta.
Vedyn avulla valmistettu ammoniakki kuljetetaan eri puolille maailmaa. Käyttöpaikassa ammoniakista erotetaan uudestaan vety, joka hyödynnettäisiin liikenteessä.
Ammoniakki siis toimii vedyn tavoin ja vedyn kanssa ”toisena sähkönä”. Sähköverkon rinnalle voi tulevaisuudessa syntyä ammoniakin kuljetusverkko.
Uusia synteesejä laboratorioissa
Vaihtoehtoisten typpilähteiden tulosta huolimatta epäorgaanista ammoniakkia tarvitaan paljon. Vihreänkin ammoniakin tuotanto vaatii korkeiden lämpötilojen ja paineiden takia runsaasti energiaa.
Laboratorioissa etsitään ratkaisuja lämpötilan tai paineen tai mieluimmin molempien alentamiseksi. Tutkimusta tehdään laajalla rintamalla.
Jyväskylän yliopistossa tutkija Chris Gendy tutkii halpojen siirtymämetallikompleksien käyttöä typen pelkistämisessä ja muuttamisessa ammoniakiksi.
Energiankulutuksen vähentämisen lisäksi tavoitteena on saada myös pienistä tuotantolaitoksista kannattavia. Hankkeessa on mukana myös yhdysvaltalainen Yalen yliopisto.
Australialaisen Monashin yliopiston kemian professorin Douglas MacFarlanen tiimi kehittää menetelmää ammoniakin tuottamiseksi huoneenlämpötilassa. Typpeä pelkistetään sähkökemiallisesti ammoniakiksi fosfoniumsuolan avulla.
Saksalaisen Max Planck -instituutin katalyysitutkijan, professori Ferdi Schüthin ryhmä on valmistanut laboratoriossa ammoniakkia mekanokatalyyttisesti.
Kuulamyllyssä jauhetaan cesiumia ja rautakatalyyttiä. Cesium toimii katalyysin promoottorina eli tehostajana. Katalyytilla saatiin syntymään ammoniakkia jopa huoneenlämmössä ja yhden baarin paineessa.
Turvallisuus vaatii valppautta
Ammoniakin käsittelyn turvavaatimukset ovat periaatteessa vanhoja ja tuttuja. Valppaus vain pitää säilyttää.
”Ammoniakki vaatii tietysti täyden suojavarustuksen ja huolellista käsittelyä”, muistuttaa Yara Suomen Juha Sarlund.
”Ammoniakin käyttö tarkkojen työohjeiden, henkilösuojautumisen, suojalaitetekniikan ja varotoimenpiteiden avulla on turvallista.”
Ammoniakkia kuluu jatkossakin myös lannoitteisiin, muistuttaa Yara Suomi Oy:n Juha Sarlund. Kun maailman on kyettävä ruokkimaan yhä suurempi väestömäärä, pellot pitää saada kasvamaan.
Pelkkä ammoniakin haju ei ole huolenaihe. Aineen haistaa jo hyvin pienissä, reilusti alle sallittujen rajojen alle jäävissä pitoisuuksissa.
”Suuri määrä ammoniakkia puolestaan muodostaa näkyvän pilven, jolta on suojauduttava ja odotettava sen hajoamista. Tämä on kuitenkin äärimmäisen harvinaista, kun käyttö on huolella suunniteltu ja tehty.”
Ammoniakki ei myöskään ole yhtä vaarallista kuin esimerkiksi metanoli, joka on ”äärimmäinen myrkky”. Vertailun vuoksi: metanolin YK-vaaraluokka on 6, ammoniakin 2.
Huolellista käsittelyä edellyttää silti myös urea, josta voi tulla ammoniakkihöyryjä.
”Kaikki pitää ottaa tosissaan”, Sarlund painottaa.
Turvattavana sekä ihminen että ympäristö
Ammoniakin osalta turvatyön tarpeellisuudesta muistutti Vancouverissa vuonna 2017 sattunut onnettomuus.
Jäähallin jäähdytysjärjestelmästä vuoti ammoniakkia suljettuun tilaan, ja kolme ihmistä kuoli. Tapaus käynnisti suuren määrän tarkastuksia ja turvatoimia Kanadan jäähalleissa ja luistelukeskuksissa.
Teollisuudessa turvallisuutta on parannettu jatkuvalla kehitystyöllä. Yara kertoo yhteenvetoraportissaan, että loukkaantumisten määrä miljoonaa työtuntia kohti on yhtiössä pudonnut vuoden 2016 luvusta 2,5 lukuun 1,3 vuonna 2020.
Merellä ammoniakin käyttö polttoaineena tuo uusia vaatimuksia. On estettävä ammoniakkivuodot miehistötiloihin, mutta myös ympäristöä on suojeltava päästöiltä. Ammoniakki on erityisen vaarallinen vesieliöille.
Wärtsilä muistuttaa, että ammoniakkia ei voi dumpata veteen eikä päästää ilmaan. MAN-yhtiö on puolestaan kertonut tutkivansa kaksinkertaista seinää polttoainetankissa.
Vakuutusyhtiö DNV julkaisi ensimmäiset luokitusmääräykset ammoniakille laivapolttoaineena kesällä 2021.
