Groene ammoniak verwijst naar ammoniak die wordt geproduceerd zonder significant bij te dragen aan koolstofemissies. Dit kan worden bereikt door traditionele methoden van ammoniaksynthese te gebruiken in combinatie met elektrolysegebaseerde waterstofgeneratie, of door alternatieve technieken voor ammoniaksynthese te gebruiken.
Inhoudsopgave
Vóór de wijdverbreide beschikbaarheid van goedkoop aardgas in de jaren 50 werd ammoniaksynthese op basis van elektrolyse breed toegepast en alleen overtroffen door de technologie voor kolenvergassing. Daarnaast biedt biomassagebaseerde waterstofproductie geïntegreerd met koolstofafvang en -opslag (CCS) potentieel als alternatieve benadering voor gedecentraliseerde groene ammoniaksynthese.
De eerste implementatie van het op elektrolyse gebaseerde Haber-Bosch-proces dateert uit de jaren 20 en werd gekenmerkt door een energieverbruik van ongeveer 46-48 gigajoule per metrische ton ammoniak (GJ/tNH3).
Er kunnen vier belangrijke factoren worden geïdentificeerd die de productie van groene ammoniak aansturen: de duurzaamheid van de betrokken grondstoffen, een laag energieverbruik, het vermogen om de productie modulair op te schalen en economische levensvatbaarheid.
Theoretische berekeningen geven aan dat de minimale hoeveelheid energie die nodig is voor het synthetiseren van ammoniak uit lucht en water 22,5 GJ/tNH3 is.
1. Elektrolyse-gebaseerde waterstofproductie
Elektrolyse is de primaire methode die wordt gebruikt om groene waterstof te synthetiseren. Verschillende commercieel beschikbare elektrolysetechnologieën kunnen worden geïntegreerd met ammoniaksynthese, waaronder alkalische elektrolyse en protonenuitwisselingsmembraan (PEM) elektrolyse.
Vaste-oxide-elektrolyse (SOE) bevindt zich momenteel in de demonstratiefase, terwijl anionenuitwisselingsmembraan (AEM) elektrolyse wordt onderzocht in academisch onderzoek.
De efficiëntie en kapitaalkosten van deze technologieën zijn afhankelijk van de schaal van hun toepassing. Commerciële systemen vertonen belastingreacties in het bereik van seconden tijdens warme stand-by, wat nodig is voor effectieve koppeling met intermitterende hernieuwbare elektriciteit. Echter, alleen PEM-elektrolyse is in staat om opstarttijden in het bereik van seconden te bereiken tijdens koude stand-by.
Er is ook de mogelijkheid om elektrolyse-gebaseerde waterstof te combineren met waterstof afkomstig van methaan. Bijvoorbeeld, een hybride installatie die een vaste-oxide-elektrolyzer en een autothermische reformer (ATR) omvat, kan voordelig zijn, aangezien de ATR gezuiverde zuurstof nodig heeft.
Een ATR werkt door methaan gedeeltelijk te verbranden met gezuiverde zuurstof en is bijzonder geschikt voor grootschalige ammoniaksynthese vanwege de hoge kosten van zuurstofzuivering, die alleen op grote schaal economisch rendabel is.
In een vaste-oxide-elektrolyser wordt hoe dan ook gezuiverde zuurstof geproduceerd, waardoor autothermische reforming op kleinere schaal haalbaar is. Geschat wordt dat een dergelijke configuratie kan leiden tot besparingen op aardgasverbruik tot 22%.
2. Biomassa-gebaseerde waterstofproductie
Voor ammoniaksynthese biedt biomassa-gebaseerde waterstofproductie een alternatief voor elektrolyse-gebaseerde methoden. Typische biomassa-installaties hebben echter beperkingen in termen van logistiek en biomassa-aanvoer, wat resulteert in een capaciteit van de installatie die over het algemeen onder de 50 MW ligt.
De kosten van biomassa zijn een belangrijke factor bij het bepalen van de kosten van waterstof, die aanzienlijk kunnen variëren op basis van het type biomassa en de locatie. Biomassa-gebaseerde waterstof kan worden geproduceerd door middel van thermochemische of biochemische processen.
Een voordeel van biomassa-gebaseerde waterstofproductie is de compatibiliteit met conventionele bruine waterstofproductieprocessen.
De outputs die worden verkregen uit thermochemische of biochemische verwerking van biomassa dienen als grondstof voor de stoommethaanreformreactor (SMR) die wordt gebruikt bij de synthese van bruine ammoniak. Een nadeel van biomassagebaseerde waterstofproductie is echter de complexe verwerking die nodig is voor de verwerking van biomassa.
Bovendien is het technische potentieel van biomassa om aan de vraag naar waterstof te voldoen aanzienlijk kleiner in vergelijking met hernieuwbare elektriciteitsbronnen zoals zon, getijden en wind, voornamelijk vanwege de beperkte beschikbaarheid van biomassa.
Veelvoorkomende biomassabronnen zijn bagasse, gewassen, stro, switchgrass, hout en houtsnippers. De typische producten die worden afgeleid van biomassaverwerking zijn biogas, bio-olie en biochar. Gemeentelijk afval kan ook dienen als alternatieve grondstof voor biomassa.
Een voorbeeld van een afval-naar-ammoniakproces is het gebruik van gerecycled plastic, zoals gedemonstreerd in Japan voor selectieve katalytische reductiedoeleinden.
Biogas afkomstig van biomassa kan worden gecombineerd met hernieuwbare elektriciteit. Een dergelijk systeem is het anaërobe vergistingsproces voor biogasproductie, gekoppeld aan geëlektrificeerde buisvormige stoomreformreactoren. Een ander alternatief is de integratie van een biogasreactor met een vaste-oxide-elektrolyseur en een ATR.
3. Stikstofproductie
Stikstofgas, dat uit lucht wordt gezuiverd, kan worden geproduceerd met behulp van verschillende technologieën: luchtscheidingseenheid (ASU) door cryogene destillatie, drukwisselingsadsorptie (PSA), membraanpermeatie en waterstofverbranding.
Bij stoommethaanreforming (SMR) wordt luchtscheiding doorgaans geïntegreerd met waterstofproductie en wordt de verkregen zuurstof verbrand met een deel van de waterstof. Op dezelfde manier kan waterstofverbranding worden gebruikt in een vaste-oxide-elektrolyseur om de warmte te genereren die nodig is voor waterstofproductie uit water.
De overige drie technologieën (PSA, membraanpermeatie en waterstofverbranding) kunnen worden gecombineerd met alkalische of PEM-elektrolyseurs, waarbij afzonderlijke eenheden worden gebruikt om stikstof en waterstof te produceren.
De keuze van de voorkeurstechnologie hangt af van de gewenste zuiverheid van stikstof en de schaal van de toepassing. Zowel PSA als membraanpermeatie vereisen een deoxosysteem om resterende zuurstof te verwijderen.
Om zuurstof te verwijderen, wordt katalytische verbranding uitgevoerd met waterstof, gevolgd door waterverwijdering met behulp van een regeneratieve droger. Het verwijderen van zuurstof is cruciaal voordat de syntheselus wordt betreden, omdat zuurstofverbindingen een negatieve invloed kunnen hebben op de ammoniaksynthesekatalysator.
4. Ammoniaksyntheselus
Wat betreft de ammoniaksyntheselus blijft de fundamentele structuur ongewijzigd, ongeacht de bron van waterstof en stikstof, hoewel de onzuiverheidsniveaus kunnen variëren. De keuze van de katalysator heeft over het algemeen minimale invloed op de efficiëntie van de syntheselus.
De bedrijfstemperaturen en -drukken kunnen echter verschillen op basis van de gekozen katalysator. Dit wordt met name relevant bij afgeschaalde en intermitterende bewerkingen met hernieuwbare energiebronnen, omdat mildere bedrijfsomstandigheden warmteverliezen kunnen minimaliseren wanneer er een verminderd niveau van warmte-integratie is.
Bovendien introduceert de productie van groene waterstof verschillende warmte- en massastromen in het proces, wat verschillende warmte-integratieschema’s noodzakelijk maakt. Vaak worden verschillende katalysatoren gecombineerd in één reactor met verschillende bedden.
5. Economische aspecten van groene ammoniakproductie
Om een vergelijking te maken: een biogasinstallatie met een capaciteit van 22,5 tNH3/d (ton ammoniak per dag) heeft een investeringskost van ongeveer 14,4 miljoen euro (M€). Daarentegen heeft een SMR-installatie met een capaciteit van 1800 tNH3/d een investeringskost van ongeveer 199 M€.
De operationele kosten van een elektrolyse-gebaseerd Haber-Bosch-proces kunnen worden onderverdeeld in elektriciteitskosten en kosten voor de eigenaar. De elektrolyzer in een grootschalig elektrolyse-gebaseerd Haber-Bosch-proces is doorgaans goed voor 75-95% van het elektriciteitsverbruik. Het elektriciteitsverbruik en de kosten zijn afhankelijk van de schaal en locatie van de installatie. De kosten voor de eigenaar van een 3 tNH3/d-installatie bedragen ongeveer 120.000 euro per jaar per ton geproduceerde ammoniak.
Waterstofproductie is de grootste kostenpost bij de ammoniaksynthese. Afhankelijk van de locatie kunnen verschillende alternatieven worden overwogen. Bruine waterstof geproduceerd via SMR heeft een kostenbereik van 845-1585 €/t (exclusief koolstofafvang en -opslag [CCS]), terwijl de kosten stijgen tot 1305-2145 €/t met CCS.
Aan de andere kant variëren de kosten van hernieuwbare waterstof geproduceerd via elektrolyse van minder dan 1440 €/t tot meer dan 3605 €/t, afhankelijk van de cumulatieve zon- en windbelastinguren op de specifieke locatie. Geëlektrificeerde SMR wordt aantrekkelijk wanneer de elektriciteitskosten lager zijn dan 15-25 €/MWh, afhankelijk van de kosten van aardgas op de gegeven locatie. Geëlektrificeerde SMR biedt het voordeel van compatibiliteit met bestaande SMR-installaties voor waterstofproductie en lagere kapitaalinvesteringen in vergelijking met elektrolyse.
Biomassa-gebaseerde ammoniak geproduceerd via thermochemische verwerking kost tussen 380 €/t en 1875 €/t, afhankelijk van de schaal van de toepassing, biomassabron en locatie. De kosten van ammoniak afkomstig van gemeentelijk afval kunnen oplopen tot 2135 €/t.
Referentie
- Ammonia, 4. Green Ammonia Production, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.w02_w02
