Op zoek naar een geschikte chemische energiedrager
Een veelbelovende kandidaat voor deze rol is ammoniak; een ammoniakmolecuul bestaat uit één stikstofatoom en drie waterstofatomen (ter vergelijking: een methaanmolecuul heeft één koolstofatoom en vier waterstofatomen). Ammoniak kan worden gesynthetiseerd uit grondstoffen die we in overvloed hebben, namelijk water en lucht, met behulp van hernieuwbare energie.
Ammoniak, NH3
De atmosfeer van de aarde bestaat voor ruwweg 78 procent uit stikstof en dit kan gemakkelijk uit lucht worden afgescheiden. Waterstof kan worden verkregen uit water, via een proces dat elektrolyse heet. Zodra de waterstof en stikstof zijn geproduceerd, kunnen zij worden gecombineerd in een industriële standaardreactie die het Haber-Bosch-proces wordt genoemd, om ammoniak te produceren. Als hernieuwbare energie wordt gebruikt om deze processen aan te drijven, wordt die energie opgesloten in de ammoniakmolecule, zonder directe koolstofemissies.
De ammoniakproductie is nu al 180 miljoen ton/jaar en vertegenwoordigt een waarde van 80 miljard euro
Ammoniak, of NH3 om het zijn correcte chemische naam te geven, is nu al een belangrijke chemische stof. De huidige jaarlijkse wereldproductie bedraagt ongeveer 180 miljoen ton per jaar, met een marktwaarde van ongeveer 80 miljard euro per jaar.
Momenteel wordt meer dan 80 procent van deze ammoniak gebruikt in de kunstmestindustrie, maar er zijn andere veel ruimere toepassingen voor in het kader van de energietransitie. Het heeft soortgelijke opslageigenschappen als LPG (vloeibaar petroleumgas): het wordt vloeibaar bij -33 graden Celsius onder omgevingsdruk, en bij ongeveer 10 bar bij omgevingstemperatuur. Hoewel ammoniak een aanzienlijk toxiciteitsrisico inhoudt, zijn geschikte apparatuur en veilige hanteringsprocedures in de tientallen jaren dat het op industriële schaal wordt geproduceerd, goed ingeburgerd geraakt.
Ammoniak wordt wereldwijd in grote hoeveelheden geproduceerd voor landbouwmeststoffen, maar gebruikt momenteel aardgas of andere fossiele brandstoffen om zowel de waterstofgrondstof als de energie voor het syntheseproces te leveren. Bestaande ammoniakproductiefabrieken zijn een belangrijke uitstoter van CO2, goed voor ongeveer 1,6 procent van de huidige wereldwijde uitstoot.
Groene waterstof stimuleert potentieel van ammoniak
Hoewel het kosteneffectief is voor de huidige industriële toepassingen van ammoniak, betekent het gebruik van fossiele grondstoffen en energiebronnen dat ammoniak nog geen rol heeft gespeeld als energiedrager – maar dat is nu aan het veranderen. Door over te schakelen op groene waterstof, dat wil zeggen waterstof die wordt geproduceerd met hernieuwbare energie via waterelektrolyse, kan de koolstofuitstoot bij de productie van ammoniak worden tenietgedaan.
Siemens Green Ammonia Demonstrator
De Siemens Green Ammonia Demonstrator is gevestigd in het Rutherford Appleton Laboratory in het Verenigd Koninkrijk en omvat alle technologieën die nodig zijn om de volledige ammoniak-energiecyclus te demonstreren. De groene waterstof wordt geproduceerd met behulp van een 13 kilowatt (kW) elektrolyser, die 2,4 normale kubieke meter waterstof per uur (Nm3/hr) produceert. Stikstof wordt verkregen uit een luchtsplitsingseenheid van 7 kW, die gebruik maakt van het Pressure Swing Absorption-principe om 9 Nm3 stikstof per uur te produceren. Hernieuwbare elektriciteit wordt geleverd door een windturbine van 20 kW die zich op de testlocatie bevindt.
De waterstof en stikstof worden gecombineerd om ammoniak te produceren via een speciaal gebouwde Haber-Bosch-synthese-eenheid met een capaciteit van 30 kg ammoniak per dag. De ammoniak wordt als vloeistof onder druk opgeslagen in een tank met een capaciteit van 350 kg en vervolgens gebruikt om een generator met vonkontsteking van 30kWe aan te drijven. Het hele systeem wordt bestuurd door een op maat gemaakt Siemens PCS7-besturingssysteem voor onbemande werking.
Het doel van het demonstratiemodel is aan te tonen dat dit proces niet alleen kan worden gebruikt om de uitstoot bij de productie van ammoniak voor conventionele toepassingen drastisch te verminderen, maar dat ammoniak ook een praktische vector voor waterstofenergie kan zijn, die de CO2-uitstoot in onze energiesystemen verder vermindert door te voorzien in de opslag van hernieuwbare energie op schaal.
Opschalingstechnologie is al beproefd
Een bijzonder voordeel van ammoniak is dat de technologie die nodig is om het als energiedrager in te zetten, al op de vereiste schaal bestaat: industriële luchtsplitsingsprocessen om stikstof te produceren zijn routine; waterelektrolyse werd op industriële basis toegepast voordat methaanreforming met stoom een goedkopere bron van waterstof werd; grootschalige ammoniaktanks en -tankers zijn al tientallen jaren routine in gebruik. Fritz Haber won zijn Nobelprijs voor de synthese van ammoniak uit zijn elementen in 1918; Carl Bosch werd voor zijn inspanningen om dit proces tot een proces op industriële schaal te ontwikkelen erkend met een Nobelprijs in 1931; en de infrastructuur ter ondersteuning van de ammoniakindustrie is sindsdien voortdurend geoptimaliseerd.
Chemische energie versus batterijen
Ik krijg vaak de vraag welke opslagtechnologie de “beste” oplossing is voor hernieuwbare energie, mijn antwoord is dat we een reeks opslagtechnologieën moeten inzetten die geschikt zijn voor een bepaalde toepassing. Batterijen spelen een belangrijke rol, maar een nadeel is dat de opslagkosten met batterijen lineair zijn: als je twee keer zoveel capaciteit nodig hebt, dan zijn het twee batterijen.
Wanneer het gaat om de opslag van chemische energie, kun je eerst vermogen en energie ontkoppelen. Je kunt de gasturbine kiezen om het benodigde vermogen te leveren, vervolgens bepaalt hoe lang je die motor wilt laten draaien de grootte van de tank die je nodig hebt. Als je een grote energiecapaciteit wilt, hoef je de tank alleen maar groter te maken, wat relatief goedkoop is – vooral op grote schaal.
De toekomst voor ammoniak
Voor de opslag van grote hoeveelheden energie bieden chemische brandstoffen een energiedicht en handig medium – daarom zijn ze vandaag de dag alomtegenwoordig. Het probleem met de brandstoffen die we nu gebruiken, zijn de koolstofemissies die het gevolg zijn van de verbranding ervan. Eén manier om over ammoniak na te denken is dat het een oplossing biedt voor het probleem van het vervangen van koolwaterstofbrandstoffen door iets dat geen koolstof bevat, terwijl het ook de uitdagingen van het opslaan en distribueren van waterstof in bulk oplost. Een van de aantrekkelijke kanten van ammoniak is dat er vandaag de dag een zeer gevestigde ammoniakindustrie bestaat.
Er zijn veel studies verricht naar ons toekomstige energiesysteem en hoewel deze nuttig en informatief zijn, komt er een moment dat je moet beginnen met het bouwen en testen van systemen om meer te weten te komen over de werkelijke problemen bij de toepassing ervan. En voor ammoniak als groene energiedrager denk ik dat die tijd nu is gekomen.
***
Ian Wilkinson is programmamanager bij Siemens Gas & Power