De prikkelende geur van ammoniak ken ik uit mijn jeugd, toen ik voor een beetje extra zakgeld bij m’n vader in de drogisterij vanuit grote mandflessen via een trechter de literflessen voor de klanten vulde. Dat betrof in water opgelost ammoniak (NH4OH), maar de lucht erboven bevat ook het watervrije gas (NH3). Ammoniak in water wordt nog steeds als schoonmaakmiddel gebruikt en we kennen ammoniak ook als het gas dat uit de veehouderij ontsnapt en dat na depositie in natuurgebieden voor een stikstofcrisis zorgt. Maar ammoniak prikkelt naast de neus ook de verbeelding want het kon binnenkort nog wel eens veel belangrijker worden.
Ammoniak wordt al sinds 1910 gemaakt door reactie van stikstof uit de lucht met waterstof in het Haber Bosch proces. Dat gebeurt onder hoge druk en temperatuur en het hele proces vreet verschrikkelijk veel energie.
N2 + 3 H2 →2 NH3
De benodigde waterstof wordt meestal verkregen uit de reacties met aardgas
CH4 + H2O→ CO+ 3 H2
CO + H2O → CO2+ H2
De belangrijkste toepassing is als ammoniumfosfaat of als ureum in kunstmest. Per jaar wordt in de wereld 180 miljoen ton ammoniak geproduceerd en daarmee is 1,5 % van alle energiegebruik in de wereld gemoeid. Ook ontstaat in dit proces wereldwijd 450 miljoen ton CO2 en dat is ruim 1% van alle CO2 uitstoot. Nederlandse bedrijven produceren 2,6 miljoen ton ammoniak per jaar. Het totale aardgasgebruik door deze bedrijven komt overeen met 23 TeraWattuur en dat is 3 % van ons totale primaire verbruik uit fossiele bronnen.
Groene ammoniak
Indien ammoniak gemaakt wordt uit duurzame waterstof krijgen we zogenaamd “groene” ammoniak. De benodigde waterstof maken we dan meestal via elektrolyse van water en duurzame stroom uit zon of wind. Er bestaan ook nog een paar andere methoden om waterstof te maken, zoals door bacteriën of via hoge druk en temperatuur. Een betrekkelijk nieuwe methode is via een gemodificeerde brandstofcel de solid oxide fuel cell (SOFC) in regeneratieve modus op temperaturen van 500 tot 850 °C met een vast oxide of keramisch elektroliet. Recent is door TU Delft de Battolyser ontwikkelt, waarmee de functie van een batterij gecombineerd wordt met elektrolyse. Een eerste proefproject daarmee loopt in de Eemshaven.
De kosten voor het produceren van groene ammoniak zijn nu nog ongeveer twee keer zo hoog als via aardgas en andere fossiele energie, maar daarbij moeten we bedenken dat de externe kosten van CO2 (gezondheidsschade en milieuschade) nooit meegerekend worden. Als we dat wel zouden doen door een prijs van €150/ton CO2 wordt aardgas minstens anderhalf keer zo duur. (Huidige prijs aardgas op wereldmarkt US$ 2,12/MMBTU = US$ 0,55/m3 en 1,86 kg CO2 per m3 x 0,15 = 0,28 US$/m3 ) Ons goedkope aardgas was in het verleden een reden voor de kunstmestindustrie om zich hier te vestigen. Die reden is achterhaald. Zouden we de stikstofbedrijven verhuizen naar landen waar energie uit zonlicht maar half zo duur is als in Nederland, dan zou daar geproduceerde groene ammoniak al goedkoper zijn dan de ammoniak via aardgas.
Een ander aspect is dat als er straks steeds meer groene stroom opgewekt gaat worden het gebruik van tijdelijke overschotten aan groene stroom voor elektrolyse in beeld komt.
Energie uit ammoniak als energiedrager
Watervrij ammoniak (NH3) is ook een ideale energiedrager. Reeds een tiental jaren volg ik de ontwikkelingen op het gebied van groene ammoniak via de nieuwsbrief van Ammonia Energy Association. Ik wacht met smart op het verschijnen van een unit waarmee ik een paar MWh energie van mijn zonnepanelen in de zomer kan opslaan voor de winter. Die unit is er nog niet maar de toepassing van ammoniak als energiedrager komt wel steeds dichterbij. Op Goeree Overvlakkee heeft Proton Ventures een project gestart om uit getijde energie per jaar 20.000 ton ammoniak te produceren.
Onder betrekkelijk matige druk van 10 bar is ammoniak vloeibaar en in die vorm is het een ideale opslag van energie. De energiedichtheid van vloeibaar ammoniak is ruim 50 keer zo groot als die van een Li-ion accu. Per liter bevat het net zo veel als 0,6 liter benzine. Dat is een groot voordeel ten opzichte van waterstof. Om waterstof vloeibaar te maken moet een hoge druk van 200 tot 700 bar toegepast worden of moet een extreem lage temperatuur gehandhaafd worden. Dan nog is de energie-inhoud van een liter vloeibaar waterstof slechts vergelijkbaar met die van ¼ liter benzine.
Het ammoniak kan vervolgens in een motor of turbine verbrand worden of weer omgezet worden in elektriciteit door middel van de brandstofcel van het type SOFC.
De combinatie van groene ammoniak en de SOFC brandstofcel is volop in ontwikkeling maar vanwege de kostbare katalysator en de hoge temperaturen die nodig zijn, is het voor kleine units die steeds opnieuw opgestart moeten worden, zoals voor een auto, nog geen oplossing. Grotere en continue toepassingen zijn wel interessant . Zo zou een oplaadstation voor elektrische auto’s gevoed kunnen worden uit een brandstofcel en een tank met ammoniak in combinatie met een accupakket. Dit heeft veel voordelen in verband met overbelasting van het netwerk. Ook vrachtauto’s, bussen, schepen en zelfs vliegtuigen zouden voor het overbruggen van grote afstanden prima gebruik kunnen maken van ammoniak als energiedrager.
Een andere veelbelovende toepassing is de opslag en buffering van energie in netwerken die gevoed worden met energie uit wind en zon. In combinatie met accu’s voor korte fluctuaties zou ammoniak voor langere termijn de fluctuaties kunnen opvangen.
De combinatie van elektrolyse met groene stroom, ammoniaksynthese en opslag en gebruik in brandstofcellen zou het probleem van wisselend vraag en aanbod beter kunnen oplossen, dan de inzet van “gaspeakers”.
Direct van de koe?
Een oplettende lezer zou zich kunnen afvragen of al die ammoniak uit de veehouderij wellicht als energiebron is te benutten. De hoeveelheid ammoniak die vanuit de stallen de lucht in gaat, is volgens statline in 2018 113 mln kg. Zouden we al die ammoniak in vloeibare vorm kunnen vangen dan zou dat 700 miljoen kWh energie bevatten. Helaas hebben we het niet vloeibaar in een flesje en bovendien is deze hoeveelheid slechts 0,08 % van ons totale Nederlandse energieverbruik. Het totale aantal zonnepanelen in Nederland wekt per jaar al 6 keer zo veel op.
PS Dit is de derde column uit een serie goed nieuws voor somberaars.
Wilt u oude columns sinds 2013 teruglezen, ga dan naar de website Oermenselijk.nl voor de serie jaarboekjes van Doctor Anders.
Han Blok
Blijf op de hoogte met de nieuwsbrief. Meld je hier aan.
( Je kunt ons ook steunen door lid te worden of te doneren )
