Waterstof uit ammoniak halen is een van de meest onderzochte manieren om waterstof over grote afstanden te transporteren en op te slaan. Ammoniak (NH3) bestaat uit stikstof en waterstof, en door die verbinding te kraken komen die waterstofatomen vrij. Dat maakt ammoniak een aantrekkelijke drager: het is relatief makkelijk vloeibaar te maken, er is wereldwijd al een grote infrastructuur voor, en de energiedichtheid is een stuk hoger dan die van vloeibare waterstof zelf.
Waarom ammoniak als waterstofdrager?
Puur waterstof is lastig te vervoeren. Het gas heeft een zeer lage dichtheid en moet worden samengeperst of afgekoeld tot min 253 graden Celsius om vloeibaar te worden. Ammoniak is veel handelbaarder: het wordt al vloeibaar bij min 33 graden Celsius onder atmosferische druk, of bij relatief lage druk op kamertemperatuur. Dat scheelt enorm in kosten en technische complexiteit.
Ammoniak bevat per kilogram ook een flinke hoeveelheid waterstof. Van elke 17 kilogram ammoniak is ruwweg 3 kilogram waterstof (H2). Dat is een massa-aandeel van bijna 18 procent, wat hoog is vergeleken met veel andere dragers zoals methanol of vloeibaar organische waterstofdragers (LOHC’s). Bovendien zijn er wereldwijd al havens, opslagtanks en pijpleidingen voor ammoniak, opgebouwd door de kunstmestindustrie.
Hoe wordt waterstof uit ammoniak gewonnen?
Het proces heet ammoniakkraken of ammoniak-decompositie. Bij hoge temperaturen, doorgaans tussen de 400 en 600 graden Celsius, en met behulp van een katalysator (meestal ijzer of ruthenium) valt ammoniak uiteen in stikstof en waterstof:
2 NH3 → N2 + 3 H2
Het stikstof dat vrijkomt is onschadelijk: het is gewoon het gas waaruit onze atmosfeer voor 78 procent bestaat. De waterstof die vrijkomt kan direct worden gebruikt, bijvoorbeeld in een brandstofcel of als brandstof voor een industrieel proces. Een bijkomende stap is soms nodig om resterende ammoniaksporen uit het gas te verwijderen, zeker als de waterstof wordt gebruikt in gevoelige brandstofcellen die gevoelig zijn voor ammoniakverontreiniging.
Groen, blauw of grijs: het kleurenpalet van ammoniak
Net als waterstof zelf bestaat ammoniak in verschillende “kleuren”, afhankelijk van hoe het is geproduceerd. De meeste ammoniak die nu wereldwijd wordt gemaakt is grijze ammoniak, geproduceerd via het Haber-Bosch-proces waarbij aardgas als grondstof dient. Dat levert CO2-uitstoot op.
Blauwe ammoniak gebruikt hetzelfde proces, maar de CO2 wordt afgevangen en opgeslagen (CCS). Groene ammoniak wordt gemaakt met groene waterstof, dus met waterstof geproduceerd via elektrolyse aangedreven door hernieuwbare energie zoals wind of zon. Die groene route is de meest duurzame: als je vervolgens de waterstof terugwint uit die groene ammoniak, heb je in theorie een koolstofvrije waterstofketen.
De VNCI (Vereniging van de Nederlandse Chemische Industrie) wijst op groene ammoniak als een van de veelbelovende dragers in de waterstofeconomie, juist omdat de bestaande infrastructuur hergebruikt kan worden en de molecuul relatief veilig te hanteren is in vergelijking met puur vloeibare waterstof.
Voordelen en nadelen op een rij
- Voordeel: Hoge waterstofinhoud per kilogram (bijna 18 procent).
- Voordeel: Bestaande mondiale infrastructuur voor opslag en transport.
- Voordeel: Relatief lage druk en temperatuur nodig voor vloeibare opslag vergeleken met vloeibare H2.
- Voordeel: Bij verbranding of kraken komen geen CO2-emissies vrij, alleen stikstof en waterstof.
- Nadeel: Ammoniak is toxisch en bijtend. Lekkages zijn gevaarlijk voor mensen en ecosystemen.
- Nadeel: Het kraakproces vergt hoge temperaturen en kost energie, wat de netto-efficiëntie verlaagt.
- Nadeel: Ammoniaksporen in het gewonnen waterstof kunnen brandstofcellen beschadigen; zuivering is nodig.
- Nadeel: Groene ammoniak is nu nog duur; de kosten hangen sterk af van de beschikbaarheid van goedkope groene stroom.
Toepassingen: waar komt waterstof uit ammoniak terecht?
De meest voor de hand liggende toepassing is grootschalig internationaal transport. Landen met veel zon en wind, zoals Australië, Chili of landen in Noord-Afrika, kunnen goedkoop groene waterstof maken, die omzetten naar ammoniak, en die ammoniak verschepen naar energieverbruikende landen zoals Nederland of Japan. Ter plaatse wordt de ammoniak dan gekraakt om de waterstof terug te winnen.
Een andere optie is ammoniak direct te gebruiken als brandstof, zonder het eerst te kraken. In scheepvaart wordt ammoniak serieus onderzocht als alternatief voor stookolie. In dat geval hoef je de waterstof niet terug te winnen, maar verbrand je ammoniak rechtstreeks. Dit artikel gaat specifiek over de route waarbij waterstof uit ammoniak wordt teruggewonnen, en die route is met name interessant voor industriële toepassingen en de brandstofcelmarkt.
Ook voor kortere afstanden en seizoensopslag is de combinatie ammoniak-kraak interessant. Overschotten aan zonnestroom in de zomer kunnen worden omgezet naar groene waterstof, dan naar ammoniak, opgeslagen, en in de winter omgekraakt naar waterstof voor verwarming of industrie.
Efficiëntie: wat kost het kraakproces?
Het omzetten van waterstof naar ammoniak en daarna weer terug naar waterstof gaat niet verliesvrij. De totale keten heeft een rendement dat ruwweg wordt geschat op 60 tot 70 procent, afhankelijk van de technologie en schaal. Dat betekent dat een aanzienlijk deel van de energie verloren gaat als warmte in het kraakproces. Ter vergelijking: rechtstreeks transport van groene stroom via kabels is efficiënter, maar over intercontinentale afstanden zijn kabels simpelweg niet haalbaar.
Onderzoekers werken aan betere katalysatoren die bij lagere temperaturen werken, wat het energieverlies bij het kraken kan verminderen. Ruthenium-gebaseerde katalysatoren presteren beter dan ijzer bij lage temperaturen, maar ruthenium is schaars en duur. Dat maakt goedkopere alternatieven een actief onderzoeksgebied.
Waterstof uit ammoniak is geen perfecte oplossing, maar in de zoektocht naar schone energiedragers voor mondiale handel is het een van de meest praktische opties die er nu op tafel liggen. De infrastructuur bestaat al grotendeels, de chemie is goed begrepen, en de veiligheidsprotocollen voor ammoniak zijn door decennia van gebruik in de kunstmestindustrie goed ontwikkeld. De komende jaren zullen laten zien in welke mate groene ammoniak daadwerkelijk de ruggengraat kan vormen van een internationale groene waterstofketen.
