‘De waterstof-economie zou in de praktijk wel eens een ammonia-economie kunnen worden’

De winter komt eraan en Nederland draait de thermostaat omhoog. We vertrouwen op aardgas als energiereserve, ook al komt dat steeds vaker uit Rusland. Maar hoe gaat dat over twintig of veertig jaar met steeds meer energie uit zon en wind? Hoe kunnen we die duurzame energie opslaan? Het aloude ammonia (formule NH3) lijkt daarbij een cruciale rol te gaan spelen.

Dag- en nachtritmes zijn goed op te vangen met opslag van elektriciteit uit zonne- en windenergie in batterijen. Voor de energieopslag over een periode van dagen tot weken zijn stuwmeren, al dan niet natuurlijk, prima geschikt. Maar wat te doen voor seizoensopslag? Hoe bewaar je de zomerzon voor de winterdag?

Professor Fokko Mulder doet bij Technische Natuurwetenschappen onderzoek naar materialen voor energieopslag. Hij heeft een schatting gemaakt van de hoeveelheid energie die we in 2030 of 2050 moeten opslaan. Hij gaat daarbij uit van de projecties van het IIASA, een toekomstgerichte denktank uit Oostenrijk. Die voorziet wereldwijd een verdubbeling van het huidige energiegebruik in 2050 waarbij ongeveer een derde uit duurzame bron komt. Het gevolg is een aanbod van elektrische energie, dat schommelt met het ritme van dag en nacht, maar ook met de seizoenen.

Van maart tot september is er lang en veel zon, maar de energie daarvan zullen we moeten opslaan. Niet alleen voor een leeslampje of de televisie ’s avonds, maar ook als wintervoorraad. Dat vraagt om een elektrochemische omzetting van elektriciteit naar een energiehoudende drager. Waterstof is een mogelijkheid, net als koolwaterstoffen dat zijn of ammonia.

“Ammonia heeft veel mee”, vindt Mulder. Waterstof is lastig op te slaan (als molecuul alleen onder hoge druk of bij extreem lage temperaturen) en ook koolwaterstoffen maken is niet erg praktisch. “Vanuit het oogpunt van het klimaat is de concentratie van CO2 in de atmosfeer te hoog (rond 400 deeltjes per miljoen, red), maar om er chemisch iets mee te doen is die veel te laag”, aldus Mulder.

Nee, dan ammonia. De grondstoffen water en stikstof zijn alom voorhanden, bij de verbranding komt geen CO2 vrij, het is makkelijk op te slaan (het wordt vloeibaar bij min 35 graden Celsius en atmosferische druk of onder 10 bar bij kamertemperatuur) en je kunt gebruikmaken van de bestaande infrastructuur van opslagtanks, transportschepen en pijpleidingen. Er is in verband met de toekomstige energievoorziening veel gepraat over ‘de waterstofeconomie’, maar dat zou in de praktijk wel eens een ammonia-economie kunnen worden.

Proces van de eeuw

Precies honderd jaar geleden werd ammonia voor het eerst op industriële schaal geproduceerd. Dat was kort voor de eerste wereldoorlog bij BASF in het Duitse Oppau. Het was een treffend voorbeeld van hoe nood vindingrijk maakt. De Duitsers waren op zoek naar ammonia als grondstof van nitraat voor hun explosieven. De Britten haalden hun natriumnitraat uit afzettingen in Chili (chilisalpeter genoemd als onderscheid met gebruikelijker kaliumsalpeter of kaliumnitraat), maar de Duitsers hadden daar geen toegang toe. Zij moesten hun stikstof uit de lucht zien te halen (78 procent van de atmosfeer bestaat uit N2). De chemicus Fritz Haber slaagde daar in 1909 in, en Carl Bosch wist het proces op te schalen tot industrieel proces.

Stikstof is overal, maar de drievoudige binding van de twee stikstofatomen maakt het gas N2 chemisch vrijwel inert. Haber wist stikstof in reactieve vorm te krijgen door het stikstofmolecuul onder hoge druk (150–200 bar) en temperatuur (300-550 graden Celsius) open te breken. Stikstof bindt zich dan aan ijzer dat als katalysator dient. Langsstromend waterstof bindt zich aan de stikstofatomen en weekt ze los van het ijzer. Het proces verloopt in etappes die ieder een beperkte omzetting van zo’n vijftien procent hebben. Maar na herhaaldelijk recyclen van de gassen is de omzetting met 97 procent nagenoeg compleet. Stikstof is in de vorm van ammonia een van de belangrijkste grondstoffen van de chemische industrie.

Het is niet overdreven te stellen dat het Haber-Bosch-proces de twintigste eeuw mede heeft bepaald. Het belang werd in Stockholm erkend met twee Nobelprijzen voor zowel Haber (1918) als Bosch (1931). Het proces stond aan de wieg van de ongekende vernietigingen van de Eerste Wereldoorlog, maar betekende ook een groene revolutie die miljarden mensen van voedsel heeft voorzien. Het Haber-Bosch-proces produceert tegenwoordig ieder jaar 500 miljoen ton stikstofhoudende kunstmest en voedt daarmee een derde van de wereldbevolking.

Energiehongerig

Behalve veelzijdig – ammonia is grondstof voor ondermeer kleurstoffen, plastics, kunstvezels, geneesmiddelen, kunstmest en wapens - is het Haber-Bosch-proces ook extreem energiehongerig. De productie van een ton ammonia vraagt bij de huidige stand van techniek 11 duizend kilowattuur en brengt 1,8 ton CO2 in de lucht. De jaarlijkse productie van 130 miljoen ton is goed voor een tot twee procent van het wereldenergieverbruik in de vorm van drie tot vijf procent van het aardgasgebruik. “Een flesje ammoniaoplossing bij de bouwmarkt bevat net zoveel energie als een liter waterstof onder tweehonderd bar druk”, illustreert Mulder de energie-inhoud. Zo’n fles bevat ongeveer twaalf procent ammonia opgelost in water. Dat gaat niet branden, maar het gas ammonia met een beetje hulp wel.

De Belgische dieselbussen reden in de Tweede Wereldoorlog op ammoniagas (gemengd met een beetje stadsgas) toen de dieseltoevoer was afgesneden. Een moderne variant presenteerde de Italiaanse bandenmaker Marangoni eerder dit jaar: de Marangoni-Toyota Eco-Explorer, een strak gelijnde coupé die volgens fabrieksopgave 178 kilometer op een tank ammonia rijdt.

“Ammonia is gebruikt in gasturbines en gasmotoren” zegt Mulder. “Het kan allemaal, maar het meest efficiënt lijkt toch de brandstofcel.” In een brandstofcel oxideert ammonia met zuurstof uit de lucht tot stikstof en water. Dat elektrochemische proces produceert elektriciteit als een accu.

Ammonia bevat dus veel energie (ongeveer de helft van een gelijke massa benzine), het past goed binnen de bestaande energie-infrastructuur, is broeikasgasvrij te produceren en te gebruiken.

Traditioneel komt de waterstof voor het Haber-Bosch-proces uit steenkolen (via kolenvergassing) en tegenwoordig vooral uit aardgas. Maar hoe zit het met de mogelijkheden voor duurzame ammoniaproductie? Valt ammonia ook te produceren met elektriciteit uit duurzame bron?

Stroomopslag

Op het terrein van de universiteit van Minnesota staat sinds 2005 een flinke windturbine (1,5 megawatt). Het is een uithangbord voor de duurzame interesse van de universiteit (waarom doen we dat in Delft niet?) en de bron van 25 ton duurzame kunstmest per jaar. Aan de voet van de mast staan twee hokjes. In het ene vindt elektrolyse plaats om waterstof te produceren. In het andere is een miniatuurversie van het Haber-Bosch proces ondergebracht. De omzetting van stikstof en waterstof naar ammonia vindt bij 420 graden plaats en onder hoge druk. Na afkoeling condenseert het ammonia en loopt in een opslagreservoir. De restgassen stromen terug in het proces.

In al zijn compactheid is deze duurzame ammoniafabriek de enige ter wereld, denkt projectleider Mike Reese. De drijfveer was hier trouwens niet energieopslag, maar de wens om landbouw minder afhankelijk te maken van fossiele brandstof. Binnen dat kader past ook het onderzoek naar een fossielvrije tractor, in samenwerking met Toro. Testvoertuigen rijden er elektrisch, met brandstofcellen, op waterstof en ammonia. Praktijktests moeten uitwijzen wat het beste werkt.

Mulder heeft bedenkingen bij de technologie. Zowel elektrolyse als ammoniasynthese heeft een energetisch rendement van zo’n zestig procent. In combinatie is het ketenrendement met zo’n dertig tot veertig procent wel wat laag, vindt Mulder.

Zijn groep doet onderzoek naar ‘elektrosynthese’ van ammonia. “We brengen stikstof in de elektrolyse”, zegt Mulder. Stikstof bevindt zich aan de ene kant van het elektrolyseapparaat en water aan de andere kant. Daartussen zitten twee elektroden en een elektrolyt (een medium dat ionen geleidt). Zodra stikstof zich aan de negatieve elektrode bindt, moeten er gelijk meteen de oplossing protonen bijkomen om er ammonia van te maken. Mulder denkt op die manier een hoger rendement te bereiken van veertig tot zestig procent.

Hoopvol

Het Delftse onderzoek bevindt zich nog in een pril stadium, maar Mulder is er hoopvol over. “Het lijkt erop dat we nu een elektrode hebben die goed werkt.” Over het materiaal van de elektrode kan hij geen mededeling doen. Wel over de complicaties. Zo produceert de opstelling naast NH3 ook waterstof, wat ten koste gaat van het rendement. Daarnaast is het de vraag of een materiaal dat goed presteert in het lab bestand is tegen jarenlange praktijkbelasting. “Dat zijn de echte vragen”, zegt Mulder die er de komende jaren drie postdoc onderzoekers op wil zetten.

Intussen heeft in Amerika dr. John Holbrook van het bedrijf NHThree een enkelstapsynthese van ammonia ontwikkeld onder de naam SSAS (Solid State Ammonia Synthesis). Over het proces geeft het bedrijf geen verder bijzonderheden, maar het claimt wel een energiebesparing ten opzichte van Haber-Bosch van 30 procent (43 procent rendement). Wanneer hun prototype de onafhankelijke test aan het Pacific Northwest National Laboratory doorstaat, gaat NHThree een proeffabriek bouwen in Juneau, Alaska. De elektriciteitsvoorziening bestaat daar uit geïsoleerde buurtnetwerken gevoed met windenergie en dieselgenerators. Een ammoniafabriekje biedt hen de mogelijkheid om een overschot aan windenergie op te slaan voor later gebruik. Energieopslag op dorpsniveau dus.

Mulder ziet vanwege de giftigheid van ammonia de opslag liever op een industrieterrein in een Pernis-achtige omgeving. Grote voorraadtanks naast centrales die ammonia omzetten in elektriciteit. “Het mooist zouden brandstofcellen zijn die je omgekeerd ook kunt benutten voor elektrosynthese. Dan kun je dezelfde installatie gebruiken voor opslag en opwerking. Maar zo ver zijn we nog niet.”

Onderzoek

Verder onderzoek moet elektrosynthese van ammonia verbeteren en ook het gebruik ervan in brandstofcellen. Zo ontwikkelt het Europese onderzoeksprogramma Alkammonia alkalische (basische) brandstofcellen (AFC’s) die geschikt zijn voor de omzetting van ammonia. Het programma claimt een behaald rendement van zestig procent. In combinatie met de enkelstapsynthese van NHThree levert dat een retourrendement op van 25 procent. Anders gezegd: met inzet van de best beschikbare technologie gaat nog altijd driekwart van de stroom verloren. Daar ligt een mooie taak voor technische universiteiten, want veel alternatieven zijn er niet.

Dat zei ook Steve Wittrig, voormalig directeur van geavanceerde technologieën bij BP, in New Scientist: “Ammonia is niet erg bekend, maar het is een van de weinige stoffen die ik heb onderzocht die een reëel alternatief bieden.”

Ir. Jos Wassink is senior wetenschapsredacteur bij TU Delta en Delft Integraal.