Ammoniak: het nieuwe waterstof?

Transport op waterstof, het lijkt maar niet door te breken. Reeds enkele decennia wordt waterstof uitgeroepen als de brandstof van de toekomst, maar telkens opnieuw moeten enthousiaste pionierende bedrijven de economische realiteit onder ogen komen. Het resultaat is er ook naar: in 2019 werden er slechts 31 nieuwe waterstofauto’s geregistreerd in Vlaanderen [1]. Nochtans zijn waterstofauto’s zeer aantrekkelijk: ze stoten enkel water uit en hebben een grotere actieradius dan de huidige generatie elektrische wagens (ong. 650 km en 300 km resp. [2]). Is er iets fundamenteel verkeerd aan de huidige waterstoftechnologie die commercialisering in de weg staat? Zijn er alternatieven die waterstofmotoren toch nog economisch interessant maken? Of moeten we onze conclusies trekken en het met een andere molecule proberen? Zoals de titel van dit artikel aangeeft, zijn er enkele significante hinderpalen voor waterstof waardoor onderzoek naar nieuwe energiedragers een hoge vlucht aan het nemen is. Ammoniak heeft daarbij veel potentieel.

Waterstof voertuigen worden geplaagd door nadelen waar elke nieuwe groene energievorm initieel mee te maken heeft: de afwezigheid van (tank)infrastructuur en een hoge kostprijs. In België bijvoorbeeld zijn in 2021 de Hyundai Nexo en de Toyota Mirai de enige verkrijgbare waterstofauto’s met een prijskaartje van resp. €75000 en €64470 [2]. Bovendien zijn er momenteel slechts twee waterstoftankstations in België, nl. in Zaventem en in Halle [3]. Wie al eens in zo’n waterstoftankstation geweest is, merkt toch wel dat het vrij grote en logge installaties zijn. Deze huisvesten namelijk heel wat machinerie om het waterstofgas veilig te kunnen opslaan, en net deze opslagmethodes maken waterstofdistributie een kostelijke onderneming met een prijskaartje van $35/GJ. Ter vergelijking, om benzine op te slaan betaal je $29/GJ en voor LPG $28.5/GJ [4].

Volgens Christensen et al. moet de perfecte energiedrager voldoen aan een aantal criteria [5]. Het is een veilige drager, zowel op vlak van ontvlambaarheid als toxiciteit, en is gemakkelijk te produceren en op te slaan. Het productieproces verbruikt enkel hernieuwbare grondstoffen of op zijn minst grondstoffen die quasi-ongelimiteerd aanwezig zijn, zoals bv. lucht en zeewater. Ten slotte moeten de investeringen om de nodige infrastructuur te bouwen, beperkt blijven en, last but not least, heeft de energiedrager een grote volumetrische energiedichtheid [5].

Toegepast op waterstof ziet deze checklist er maar wat karig uit.  Zo heeft het een zeer lage volumetrische energiedichtheid, nl. maar 3 GJ/m³ (onder atmosferische omstandigheden), terwijl benzine al zo’n 34.4 GJ per m³ bevat. Waterstofgas, bij onze oosterburen ook veelbetekenend bekend als Knallgas, is best ontvlambaar in een concentratie met lucht van 71% maar het ontvlambaarheidsgebied gaat maar liefst van 4% tot 75%, wat het een erg brandbaar gas maakt [4]. Daarnaast wordt het op dit moment voornamelijk geproduceerd via stoomreforming van aardgas, maar het aandeel van waterelectrolyse en biologische waterstof is groeiende [6]. Zoals al geïllustreerd, is een distributieketen in België bijna volledig afwezig, wat de nodige investeringen serieus opdrijft. Nochtans heeft België het meest vertakte waterstofpijpennetwerk van de hele wereld met een totale lengte van 613 km, waar een eventueel distributienetwerk gemakkelijk op geënt kan worden. Het concentreert zich echter vooral rond de havens en de Waalse industrieregio’s [7].

Het grootste struikelblok voor waterstofdistributie echter, is de opslagmethode. Een eerste manier is om het onder druk op te slaan in tanks, bv. op 200 bar, maar in vergelijking met de energiehoeveelheden die dan opgeslagen worden, vereist zo’n compressie veel energie. Een stapje verder is dan om waterstof nog verder te concentreren door het in vloeibare vorm op te slaan. Daarvoor moet het dan wel gekoeld worden tot maar liefst -253 °C, wat alleen mogelijk is met een krachtige koelinstallatie. Zelfs hierna is de volumetrische energiedichtheid slechts een derde van die van benzine. Bovendien kunnen zelfs de beste isolatiematerialen niet verhinderen dat de vloeibare waterstof opnieuw begint te koken. Elke opslagtank heeft dus een koelinstallatie nodig  om de gevormde damp opnieuw te condenseren, een onmisbare constante energie-input waardoor de energieverliezen al snel kunnen oplopen tot 3 % per dag [5]. Indien deze koeling wegvalt, neemt waterstof zijn ruimere gasvorm weer aan en kan de druk in zo’n opslagtank snel oplopen. Het enige materiaal dat op dit moment bestand is tegen zulke hoge drukken, zijn speciale metaallegeringen. Metaal heeft echter enkele zwakke punten: op de lage temperaturen van vloeibare waterstofopslag wordt elk metaal broos en kan het stukspringen zoals glas. Het helpt ook niet echt dat waterstof een zeer kleine molecule is die gemakkelijk tussen de metaalatomen in hun rooster door naar buiten diffundeert en weglekt. Bovendien heeft het binnendringen van waterstofgas in het metaalrooster eenzelfde effect als een lage temperatuur: het staal wordt broos, een effect dat in België ook beter bekend is van de zogenaamde ‘scheurtjesreactoren’ in de kerncentrales. 

Andere manieren om waterstof op te slaan zijn chemisch van aard, wat een zeker efficiëntieverlies inhoudt. Het gaat dan over binding in metaalhydrides of in kleine organische molecules zoals methanol, hydrazine en tolueen. Deze chemische opslag vereist al snel een geavanceerd opslagmedium en/of katalysator om de waterstof snel genoeg te binden en te ontbinden, wat de kostprijs alleen maar opdrijft. Zulke organische molecules zijn vaak ook niet echt gezond. Bovendien zijn er nog geen voorbeelden gekend die goed scoren als ideale energiedrager [5,8].

Als we deze checklist even doornemen voor ammoniak zoals Christensen et al. als eersten deden, ziet het plaatje er eigenlijk al veel beter uit [5]. Ammoniak staat niet te boek als ontvlambaar en heeft een hogere volumetrische energiedichtheid dan waterstof, nl. 13.6 GJ/m³. Dit is weliswaar niet zo hoog als benzine, maar het is al een mooie verbetering. Ammoniak is bovendien ook goedkoop omdat het geproduceerd wordt via een zeer matuur chemisch proces, nl. het Haber-Bosch proces, dat daarvoor stikstofgas uit de lucht en waterstofgas verbruikt. Dit waterstofgas maakt dat de duurzaamheid eerder een vraagteken is, nl. door de bron ervan, zoals reeds hierboven besproken. Daarom wordt er al aardig wat onderzoek gedaan om ammoniak duurzamer te produceren, o.m. door (bio)katalyse of (her)gebruik uit biomassa en/of afvalstromen. Ammoniak is bovendien ook gemakkelijk op te slaan: het heeft slechts een druk van 8 bar nodig op kamertemperatuur of een koeling tot -33 °C om een vloeibare vorm te bekomen, wat resulteert in een veel lagere opslagkost, nl. 13.3 $/GJ. Een extra pluspunt is dat de bestaande LPG-opslaginfrastructuur daarvoor geschikt is. [4]. Het enige echte minpuntje is dat het toxisch is, zij het wel in mindere mate dan bijvoorbeeld methanol [5].

Andere opslagmethodes proberen deze toxiciteit tegen te gaan door ammoniak chemisch op te slaan in vaste vorm, waardoor het ook zeer compact en makkelijk te transporteren wordt. Voorbeelden zijn metaalaminezouten zoals Mg(NH3)6Cl2, ammoniumzouten zoals ammoniumcarbonaat ((NH4)2CO3), en urea (CO(NH2)2). Beide types zouten moeten opgewarmd worden, eventueel in een vacuüm, vooraleer ze uiteenvallen en ammoniak vrijgeven, wat gebeurt op 200°C (in vacuüm) resp. 58 °C [8]. Een kanttekening hierbij is dat deze temperatuur niet te laag mag zijn voor een veilige opslag, maar ook niet te hoog om de opstart niet te energie intensief te maken . Bovendien moeten in het geval van de metaalaminezouten de niet-stikstofbestanddelen gerecycleerd worden. Urea van zijn kant, kan gemakkelijk m.b.v. water gesplitst worden in ammoniak en CO2. Jammer genoeg brengen deze chemische opslagmethodes opnieuw een efficiëntieverlies met zich mee.

Je kan je nu natuurlijk afvragen waarom er geen ammoniakmotoren zijn. Dat komt doordat deze nog maar in de vroege onderzoeksfase zijn, want ammoniak kan op verschillende manieren aangewend worden in een motor. Het kan bv. direct verbrand worden in een nieuw type verbrandingsmotor. Zo nieuw zijn deze motoren nu eigenlijk ook weer niet: België was zelfs pionier hierin in de jaren ’40. Door het grote tekort aan brandstof in de nadagen na de Tweede Wereldoorlog, ontwikkelde de Belgische firma Kroch motoren op ammoniak voor het openbaar vervoer [9]. Directe ammoniakverbrandingsmotoren hebben geen koolstofemissies. Naast de beoogde verbrandingsproducten, stikstofgas en waterdamp, is er door de thermodynamica van de verbrandingsreacties wel onvermijdelijk NOx-uitstoot [4]. Hiervoor bestaan er echter al doeltreffende destructietechnieken op basis van – komt dat even goed uit – ammoniak/urea, die vandaag al worden toegepast in de nieuwste generatie verbrandingsmotoren om de nieuwste Euro-normen te behalen. De meest bekende daarvan is AdBlue, an sich een simpele 35% urea-wateroplossing, die naast de brandstof, apart wordt getankt in het tankstation. Aangezien de AdBlue-infrastructuur al ruim aanwezig is in de huidige tankstations, gaan er ideeën op om ureamotoren te ontwikkelen [8].

Ook brandstofcellen zijn een mogelijkheid, ofwel direct gebruik makend van ammoniak of urea, ofwel door ammoniak te ontbinden en het resulterende waterstofgas te gebruiken in een waterstofcel [8].

Uit bovenstaande paragrafen is het begrijpelijk waarom waterstofaandrijvingen maar niet doorbreken: de opslagtechnologie staat nog niet op punt en daarom is het nog te vroeg en te kostelijk om een wijd vertakt distributienet op te zetten. Nieuwe opslagtechnologieën kunnen dit echter verhelpen, maar verder onderzoek moet dit nog uitklaren. Qua ideale brandstofcriteria scoort ammoniak eigenlijk veel beter dan waterstofgas en bovendien is het ook minder kostelijk om op te slaan. Nieuwe opslagmethodes maken het ook hier mogelijk verdere progressie te boeken. In dit geval staat de motortechnologie zelf nog niet op punt daar het onderzoek minder ver staat dan bij waterstofmotoren. Desalniettemin is de kans reëel dat ammoniakaandrijvingen een rol zullen spelen in een niet al te verre toekomst door het gunstige prijskaartje.