Groene ammoniak

Ammoniak is qua massa de op één na meest geproduceerde chemische stof ter wereld, met jaarlijks ongeveer 180 tot 200 miljoen ton. Ongeveer 80 procent van dat volume gaat naar stikstofkunstmest, die de basis vormt van ongeveer de helft van de wereldwijde voedselproductie. Het proces dat het maakt, Haber-Bosch, wordt wel de belangrijkste uitvinding van de twintigste eeuw genoemd, en niet zonder reden. De demonstratie van Fritz Haber in 1909 en de daaropvolgende industrialisatie door Carl Bosch gaven de mensheid het vermogen om atmosferische stikstof op grote schaal te fixeren, waardoor het landbouwplafond dat de wereldbevolking millennialang had beperkt, werd doorbroken.

Een eeuw later is Haber-Bosch ook verantwoordelijk voor ongeveer 1,3 procent van de wereldwijde CO2-uitstoot. Dat is meer dan de gehele Duitse economie. Vrijwel alles is afkomstig van één bron: de stap van stoomreforming van methaan die de waterstofgrondstof produceert. De Haber-Bosch-reactie zelf is onvermijdelijk als je ammoniak wilt maken. De waterstof hoeft echter niet uit aardgas te komen.

Dit is de kern van de aantrekkingskracht van groene ammoniak. In tegenstelling tot veel voorgestelde routes voor koolstofarme productie is er geen probleem van vraagcreatie op te lossen. De markt bestaat al, op industriële schaal, met bestaande infrastructuur, bestaande transportnetwerken en bestaande klanten. De uitdaging ligt volledig aan de aanbodzijde: de waterstofgrondstof produceren met elektrolyse in plaats van methaanreforming, terwijl de rest van de installatie blijft draaien.

Haber-Bosch is ontworpen voor continu bedrijf op basislast. De katalysatoren moeten heet blijven. De recyclecompressoren moeten blijven draaien. De synthesekring is een sterk gekoppeld thermodynamisch systeem dat niet graag wordt aan- en uitgeschakeld. Een conventionele ammoniakinstallatie draait jarenlang continu tussen onderhoudsstops, en de hele engineering van de installatie gaat daarvan uit.

Deze aanname combineren met intermitterende hernieuwbare elektriciteit is de centrale technische uitdaging van groene ammoniak, en de plek waar de meeste vroege projecten de complexiteit onderschatten.

Er bestaan drie families van oplossingen. Echte projecten gebruiken vrijwel altijd een combinatie van alle drie.

Bufferopslag tussen de elektrolyser en Haber-Bosch. Een tank voor gecomprimeerde waterstofopslag, gedimensioneerd om typische periodes van lage hernieuwbare opwekking te overbruggen, vlakt de toevoer naar de synthesekring af. Het nadeel is de kapitaalkost. Waterstofopslag op schaal is duur, en het correct dimensioneren vergt echte engineeringinschatting over hoe variabel de aanvoer stroomopwaarts daadwerkelijk zal zijn. Een tank gedimensioneerd voor een gemiddelde slechte week is iets heel anders dan een die gedimensioneerd is voor een gemiddelde slechte dag.

Hybride energievoorziening. Een combinatie van dedicated hernieuwbare elektriciteit, netimport tijdens periodes met weinig hernieuwbare opwekking, en in sommige gevallen op biomassa gebaseerde of nucleaire stroom, kan een stabielere elektrolyserbelasting opleveren. Dit is een afweging tussen kosten en de striktheid van certificering van hernieuwbare waterstof. Vooral de RED III-regels in Europa leggen reële beperkingen op hoeveel netstroom als hernieuwbaar mag worden meegeteld voor certificering.

Flexibel ontwerp van de synthesekring. Het ontwerpen van de Haber-Bosch-installatie zelf om betekenisvolle regelbaarheid en belastingvariatie te verdragen, vereist aanpassingen aan het katalysatorbed, de recyclecompressie en het koelsysteem. Verschillende leveranciers bieden inmiddels 'dynamische' of 'flexibele' ammoniaksynthesetreinen aan die ontworpen zijn voor een bedrijfsbereik van 30 tot 100 procent. Ze kosten per ton geïnstalleerd vermogen meer dan een conventionele installatie, en de economische casus hangt af van de prijsspreiding tussen basislast- en variabele elektriciteit op de projectlocatie.

Er is ook een vierde, meer speculatief pad dat het volgen waard is. Nieuwe syntheseroutes die Haber-Bosch volledig omzeilen, waaronder elektrochemische ammoniaksynthese (NH3 rechtstreeks produceren uit N2, water en elektriciteit in een enkele elektrochemische cel) en plasma-geassisteerde ammoniaksynthese, beloven een inherente compatibiliteit met variabele hernieuwbare energie. Ze bevinden zich op TRL 4 tot 6, met alleen demonstraties op onderzoeksschaal. Geen enkele is in 2026 dicht bij commerciële toepassing. Ze zijn de moeite waard om te begrijpen. Ze zijn nog niet de moeite waard om op te ontwerpen.

De toepassingen van groene ammoniak zijn duidelijker onderscheiden dan die van groene waterstof, deels omdat ammoniak lastiger te hanteren is dan waterstof, en deels omdat het minder alternatieven heeft in zijn kernmarkten.

Vergroening van bestaande ammoniakvraag. Dit is de toepassing zonder spijt. Er wordt jaarlijks ongeveer 180 tot 200 miljoen ton ammoniak geproduceerd, en vrijwel alles gebruikt momenteel op fossiele bronnen gebaseerde waterstof. Kunstmest zal niet ophouden nodig te zijn; installaties voor salpeterzuur en caprolactam zullen niet overstappen op een andere grondstof. De route naar vergroening is het veranderen van hoe de waterstof wordt gemaakt, niet wat de eindgebruiker verbruikt. Deze ene toepassing is ongeveer tien keer groter dan alle voorgestelde nieuwe toepassingen samen. Het is waar de economie het eerst, snelst en meest voorspelbaar werkt.

Maritieme brandstof. Zeevaart op lange afstand is een van de moeilijkere sectoren om te vergroenen. Batterijen zijn niet geloofwaardig bij de energiedichtheden die nodig zijn voor lange reizen. Bio-LNG en biodiesel worden beperkt door de beschikbaarheid van grondstoffen. Groene ammoniak biedt een energiedichtheid van 12,7 MJ/kg en een veel hogere volumetrische dichtheid dan gecomprimeerde waterstof, wat het geloofwaardig maakt als scheepsbrandstof. Grote scheepvaartmaatschappijen waaronder Maersk, MOL en NYK zijn schepen gaan bestellen die op ammoniak varen of daarop voorbereid zijn, en motorfabrikanten waaronder Wärtsilä en MAN Energy Solutions hebben ammoniakgeschikte motoren commercieel beschikbaar of in vergevorderde ontwikkeling. De eerste commerciële op ammoniak varende schepen komen in 2024 en 2025 in dienst. Scheepsbrandstof zou tegen 2040 kunnen uitgroeien tot een markt van 30 tot 60 miljoen ton ammoniak per jaar, al hangt dit af van aanhoudende regelgevende druk en het oplossen van de hieronder besproken veiligheids- en N2O-kwesties.

Bijstook voor elektriciteitsopwekking in Oost-Azië. Japan en Zuid-Korea hebben nationale strategieën die ammoniakbijstook in bestaande kolencentrales opnemen als overgangsroute. De Japanse energiemaatschappij JERA heeft 20 procent ammoniakbijstook in commerciële kolencentrales gedemonstreerd, met plannen om op te schalen naar 50 procent en uiteindelijk 100 procent. Buiten Oost-Azië is de casus voor ammoniak in elektriciteitsopwekking veel zwakker, omdat hernieuwbare energie plus batterijopslag betere economie biedt in OESO-markten. Binnen Oost-Azië geven het bestaande kolenpark, de hoge grondkosten voor nieuwe hernieuwbare energie en de beleidskeuze om de levensduur van bestaande installaties te verlengen, ammoniak een reële rol op korte termijn in de vergroeningsroute. Of dit op lange termijn zo blijft, hangt af van hoe de kosten van hernieuwbare energie zich in die regio's ontwikkelen.

Waterstofdrager voor handel over lange afstanden. Ammoniak is een van de drie serieuze kandidaten om groene waterstof over oceanen te vervoeren, naast vloeibare waterstof en vloeibare organische waterstofdragers (LOHC). Het voordeel is de bestaande handelsinfrastructuur: ongeveer 120 havens wereldwijd verwerken al ammoniak, en er bestaat een vloot van dedicated ammoniaktankers. Het nadeel is dat als de ammoniak op de bestemming teruggekraakt moet worden naar waterstof, de energieboete voor de heen-en-terugreis aanzienlijk is. Synthese kost ongeveer 15 tot 20 procent van de energie-inhoud van de waterstof. Kraken kost nog eens 25 tot 30 procent. Voor veel voorgestelde importen is de juiste eerste vraag of de bestemming echt de waterstof nodig heeft, of dat ammoniak zelf het eindproduct zou kunnen zijn, rechtstreeks gebruikt als kunstmest, scheepsbrandstof of bijstookgrondstof voor elektriciteitsopwekking. Waar de bestemming ammoniak direct kan gebruiken, is de casus als drager sterk. Waar gekraakt moet worden, is de casus zwakker en moet de economie zorgvuldig worden onderzocht.

Dit is waar de casus van ammoniak als energiedrager echt sterk is, en waar het gunstig afsteekt tegen de alternatieven.

Ammoniak wordt opgeslagen als vloeistof bij -33°C en omgevingsdruk (gekoeld, de standaard voor grootschalige opslag), of als vloeistof bij ongeveer 10 tot 15 bar en omgevingstemperatuur (onder druk, gebruikt in kleinere installaties). Beide zijn rijpe technologieën met decennia bedrijfservaring in de bestaande ammoniakindustrie. Tankcapaciteiten van 50.000 ton en meer zijn standaard.

Transport over lange afstand gebeurt met dedicated ammoniaktankers. De wereldwijde vloot is vandaag relatief klein (ongeveer 40 tot 50 dedicated schepen), maar de technologie is rijp en de vloot breidt uit om aan de verwachte vraag te voldoen. Ongeveer 120 havens wereldwijd verwerken ammoniak, waarvan de meeste geconcentreerd zijn in regio's die kunstmest importeren en chemische hubs. De infrastructuur is niet zo alomtegenwoordig als die voor LNG of olie, maar is reëel, operationeel en aanzienlijk verder ontwikkeld dan die voor elke andere voorgestelde waterstofdrager.

Cruciaal is dat de energieboete voor het opslaan en verschepen van ammoniak veel lager is dan die voor gecomprimeerde of vloeibare waterstof. Ammoniak is al vloeibaar onder bescheiden condities. Er is geen continu boil-off-probleem zoals bij vloeibare waterstof, en er is geen 700-bar hogedrukinfrastructuur nodig zoals bij gecomprimeerde waterstof.

De afweging doet zich voor bij de bestemming, als en wanneer de ammoniak teruggekraakt moet worden naar waterstof. Kraken legt een energieboete van 25 tot 30 procent op en vereist temperaturen van 400 tot 700°C met geschikte katalysatoren. Voor bestemmingen die ammoniak direct kunnen gebruiken (een kunstmestfabriek, een havenbunkeractiviteit, een bijstookcentrale) is er geen kraakboete en is de casus als drager sterk. Voor bestemmingen die echt waterstof nodig hebben aan het einde van de keten, is de vraag die gesteld moet worden of het verschepen van ammoniak eigenlijk wel het juiste antwoord is, of dat de waterstof dichter bij de gebruiker geproduceerd moet worden.