Ammoniak - mooie vooruitzichten
Fraunhofer IMM-proeffabriek voor ammoniakkraken met een ammoniakkraakcapaciteit van 20 kg/u (foto: Fraunhofer IMM)
Het Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM werkt in talrijke onderzoeksprojecten aan een ruimtebesparende, efficiënte en vooral gedecentraliseerde technologie voor het kraken van ammoniak.
“Ammoniak heeft zeer goede vooruitzichten voor de duurzame transformatie van ons energiesysteem”, legt Gunther Kolb, hoofd van de afdeling Energie en adjunct-directeur van het Fraunhofer IMM in Mainz, uit. “Het produceren van voldoende energie zonder uitstoot is immers niet de enige uitdaging bij de energietransitie. Omdat grote hoeveelheden groene stroom vooral kunnen worden geproduceerd op plaatsen met veel wind of zon, zoals Chili en Australië, is transport met weinig verlies naar gebieden met minder hernieuwbare energie inderdaad een belangrijke factor.” Het gebruik van ammoniak kan in dit opzicht transformatieve voordelen opleveren.
Perfect geschikt voor opslag en transport van waterstof
Groene waterstof (H2) combineert met stikstof (N2) in een verhouding van 3:1 om ammoniak (NH3) te produceren. Energie die in deze vorm (d.w.z. ammoniak) wordt opgeslagen en getransporteerd, ondergaat minder verliezen in de toeleveringsketen. Bovendien heeft ammoniak een aantal voordelen ten opzichte van waterstof voor de opslag van elektriciteit. Het blijft vloeibaar bij atmosferische druk en zelfs bij een druk van slechts 7,5 bar of wanneer het afkoelt tot slechts ongeveer -33 °C. Daarentegen moet zuivere waterstof om vloeibaar te worden onder lage druk in een vacuüm worden gebracht en tot -253 °C worden afgekoeld, wat veel energie kost. Bovendien heeft ammoniak een hogere volumetrische energiedichtheid dan vloeibare waterstof, waardoor het meer energie per volume-eenheid kan transporteren. “Het genereren van ammoniak uit waterstof en stikstof vereist slechts ongeveer vijf procent meer energie dan het genereren van waterstof uit groene elektriciteit”, legt Kolb uit. “En zowel de productie als het kraken van ammoniak zijn vrijwel volledig koolstofvrij.” Ammoniak is giftig en brandbaar, waardoor het als gevaarlijk wordt geclassificeerd en aan strenge voorschriften onderworpen is. Dankzij de bestaande hoge veiligheidsnormen wordt momenteel jaarlijks ongeveer 25 miljoen ton ammoniak veilig over de hele wereld vervoerd per schip en per spoor, voornamelijk voor de productie van meststoffen.
Kernwaterstofnetwerk in ontwikkeling
Ammoniak moet worden omgezet in zijn oorspronkelijke verbindingen (d.w.z. stikstof en waterstof) voor gebruik in de chemische industrie of als energiebron. Even belangrijk is dat dit moet gebeuren met minimale energieverliezen. Ammoniak in gasvorm wordt bij een temperatuur van ongeveer 600 graden Celsius in een reactor gevoerd, waar het in contact komt met een anorganische katalysator op basis van nikkel met een groot intern oppervlak. “Op dit moment worden de eerste grote elektrolyse-installaties gebouwd op locaties die rijk zijn aan groene elektriciteit, zoals Australië en Chili, om ammoniak te produceren. Aan Europese zijde wordt tegelijkertijd een van de eerste grote kraakinstallaties gebouwd in Rotterdam, bijvoorbeeld”, zegt Kolb. Het plan is om waterstof via pijpleidingen te leveren aan plaatsen waar dat nodig is. Het belangrijkste probleem is dat veel potentiële klanten, met name kleine en middelgrote ondernemingen, geen toegang hebben tot waterstofpijpleidingen. Waterstofinfrastructuur is dus heel belangrijk.
Lokale levering door middel van gedecentraliseerde kraaktechnologie
“Onze gedecentraliseerde kraaktechnologie kan deze leveringskloof op efficiënte wijze en zonder uitstoot dichten voor benodigde hoeveelheden tussen 100 kilogram en 10 ton waterstof per dag”, legt Kolb uit. “In het AMMONPAKTOR-project, dat financiering ontving van de deelstaat Rijnland-Palts, hebben we samen met het Fraunhofer-Institut für Industriemathematik ITWM een compacte ammoniakkraker ontwikkeld die tijdens het reconversieproces een rendement van 90 procent haalt dankzij onze innovatieve platenwarmtewisselaar-technologie en geïntegreerde uitlaatgasverbranding uit de drukwisselingsadsorptie die voor reiniging wordt gebruikt, in vergelijking met 70 procent voor conventionele technologieën.”
De energie die nodig is om de reactor te verwarmen, wordt rechtstreeks in de kraakreactor opgewekt met behulp van de uitlaatgasstromen, zodat er geen extra brandstof of elektriciteit nodig is voor het kraken. De AMMONPAKTOR-reactor is ook ongeveer 90 procent kleiner dan conventionele technologie. Dit is vooral belangrijk voor mobiele en ruimtebeperkte toepassingen. Door het gebruik van uitlaatgas heeft de technologie ook een kleinere CO2-voetafdruk dan elektrisch verwarmde reactorconcepten. “Naast het interne gebruik van uitlaatgassen door het systeem, maakt de innovatieve platenwarmtewisselaar van Fraunhofer IMM, die direct met een katalysator is gecoat, het verschil”, zegt Kolb. "In plaats van de conventionele methode waarbij de warmte die nodig is voor het kraken wordt opgewekt in een buizensysteem dat van buitenaf wordt verwarmd tot ongeveer 900 graden Celsius, wat veel energie kost, genereert onze technologie de warmte precies waar die nodig is, waardoor ons systeem een veel betere warmteoverdracht heeft. En dat levert een enorme energiebesparing op."
Een voltooid prototype op de locatie van Fraunhofer IMM in Mainz maakt al een waterstofproductie van ongeveer 75 kg per dag mogelijk, ongeveer evenveel als de dagelijkse output van een brandstofcel van 50 kilowatt. “Dat volume alleen al zou voldoende zijn om bijvoorbeeld een klein waterstofvulstation te bevoorraden”, merkt Kolb op. Het volgende ontwikkelingsdoel is voorlopig een opschaling naar een dagelijkse productie van maximaal 10 ton, onder meer in het kader van het vijfjarige maritieme project GAMMA van de EU en het vlaggenschipproject AmmonVektor van Fraunhofer, dat de hele waardeketen van groene ammoniak onderzoekt om waterstof op een gedecentraliseerde basis en tegen zo laag mogelijke kosten beschikbaar te maken. Dit driejarige project, onder leiding van het Fraunhofer-instituut voor milieu-, veiligheids- en energietechnologie UMSICHT, loopt sinds begin 2024.