Ultieme energieopslag: Ammoniak

Uitdagingen van groene energie

In het licht van de klimaatverandering die steeds vaker extreme weersomstandigheden veroorzaakt en de doelstellingen van het IPCC om de uitstoot te verminderen om een temperatuurstijging van nog eens 1,5°C te voorkomen, doet de wereld inspanningen om over te schakelen op hernieuwbare energie. Nu de wereldwijde overgang van fossiele brandstoffen naar groene energie aan de gang is, is er behoefte aan opslag op lange termijn en transmissie over lange afstand van deze groene energie. Ammoniak is zeer geschikt voor beide toepassingen, omdat vloeibare ammoniak bij kamertemperatuur een zeer efficiënte drager van waterstof is die gemakkelijk kan worden getransporteerd. Brandstofcellen die waterstof uit ammoniak kunnen benutten, bieden een belangrijke doorbraak bij het overwinnen van de belangrijkste uitdagingen van groene energie:

• Groene energie leveren wanneer andere hernieuwbare energiebronnen met tussenpozen beschikbaar zijn

Zonne-energie wordt alleen geproduceerd wanneer de zon schijnt. Windenergie wordt alleen geproduceerd wanneer de wind waait. Het feit dat de beschikbaarheid van deze steeds populairdere bronnen van hernieuwbare energie wordt beperkt door de weersomstandigheden, wordt steeds belangrijker naarmate deze energiebronnen een groter deel van de totale opgewekte energie uitmaken. Dat de productie van hernieuwbare energie en de vraag van de consument niet op elkaar zijn afgestemd, blijkt uit de nu beroemde eendencurve voor hernieuwbare energie; de schommelingen in de energiebalans die door hernieuwbare energiebronnen worden veroorzaakt, vormen een ernstige uitdaging voor de elektriciteitsbedrijven die aan deze vraag moeten voldoen. Het antwoord op deze uitdaging zal komen van gemakkelijk beschikbare oplossingen voor de opslag van hernieuwbare energie. Brandstofcellen met hoge beschikbaarheid kunnen een belangrijk onderdeel van deze oplossingen zijn.

• Overcapaciteit uit duurzame energiebronnen benutten

In plaats van de door duurzame energiebronnen gegenereerde overcapaciteit te beperken, kan deze overtollige energie worden opgeslagen als vloeibare ammoniak voor toekomstig gebruik door brandstofcellen. Deze ammoniakbron zou een schoon alternatief zijn voor de industriële ammoniak die wordt geproduceerd via het Haber-Bosch-productieproces.

• Een groen, goedkoper alternatief voor diesel
  Dieselgeneratoren hebben tot dusver een belangrijke rol gespeeld bij de elektriciteitsvoorziening in de arme-neteconomieën van ontwikkelingslanden. Deze generatoren zijn op zijn minst gedeeltelijk verantwoordelijk voor de luchtvervuiling door diesel en andere fossiele brandstoffen, die elk jaar wereldwijd de dood van 7 miljoen mensen veroorzaakt. Vervanging van dieselbrandstof door “groene ammoniak” als energiedrager zou schone, betrouwbare groene energie beschikbaar maken voor de 3,5 miljard mensen die in niet of slecht geïntegreerde gebieden leven. De lancering van de GenCell A5 off-grid oplossing voor telecommunicatietorens en rurale elektrificatie op basis van ammoniak zal toegang tot energie mogelijk maken voor miljoenen mensen die nu nog buiten het net wonen.

Benaderingen van de opslag van hernieuwbare energie

Tot op heden heeft de energiemarkt zich voornamelijk gericht op twee belangrijke benaderingen van de opslag van hernieuwbare energie – oplaadbare batterijen en waterstof. Er worden uiteenlopende technologieën gebruikt om oplaadbare batterijen van verschillende types en afmetingen te ontwikkelen. De voordelen van batterijen zijn onder meer energie-efficiëntie en een lange levensduur dankzij oplaadbaarheid en transporteerbaarheid. Anderzijds zijn hun nadelen onder meer hun aanzienlijke gewicht en voetafdruk, hun hoge produktiekosten, snelle verslechtering, veiligheidsrisico’s en problemen rond hun verwijdering.

Naast batterijen is een andere populaire trend voor energie-opslag gebaseerd op waterstoftechnologie, zoals toepassingen die gebruik maken van waterstof om brandstofcellen, oplaadbare voertuigen en mobiele machines aan te drijven, naast andere innovatieve toepassingen. Toepassingen zoals elektrolyse produceren schone, groene waterstof uit water met behulp van overtollige hernieuwbare energie; deze waterstof kan worden getransporteerd, opgeslagen en maakt her-elektrificatie met behulp van brandstofcellen mogelijk.

De opslagcapaciteit van energie in de vorm van waterstof is veel groter dan die van batterijen. Waarom heeft deze technologie de markt dan nog niet veroverd? De reden is dat de opslag van energie in de vorm van waterstof een uitdaging is. Het bouwen van een levensvatbare waterstofinfrastructuur voor levering van productie- naar verbruikslocaties is geen eenvoudige zaak. Gecentraliseerde waterstofproductie op grote schaal, in de vorm van gas of vloeistof, brengt hoge leverings- en distributiekosten met zich mee, terwijl gedistribueerde productie in kleine hoeveelheden onbetaalbaar is. De levering van waterstof wordt belemmerd door hoge kosten, energie-efficiëntieverliezen tijdens het vervoer, problemen met de zuiverheid van de waterstof en de neiging tot lekkage.

Wetenschappers werken aan nieuwe waterstofdragers om deze belemmeringen weg te nemen. Waterstofdragers kunnen waterstof opslaan in een andere chemische toestand dan vrije waterstofmoleculen. Een interessante methode om waterstof te leveren bestaat erin een chemische verbinding op de plaats van productie te hydrateren en deze vervolgens op de plaats van levering of in een brandstofcel te dehydrateren. Mogelijke dragers zijn onder meer chemische en fysische opslagtechnologieën zoals metaalhydriden, koolstof of andere nanostructuren en omkeerbare koolwaterstoffen. Bij andere benaderingen wordt waterstof in ondergrondse cavernes gepompt, waarvan er vele door mijnbouwactiviteiten zijn ontstaan, waar het veilig wordt opgeslagen. Bij de Power to Gas-technologie wordt waterstof geïnjecteerd in aardgas dat via bestaande infrastructuur wordt getransporteerd. Bij verbranding komt de energie vrij; door 20% van de koolstof te vervangen door waterstof wordt de uitstoot eveneens met 20% verminderd.

Ammoniak als energiedrager

Een andere optie is het gebruik van ammoniak als energiedrager. De voordelen zijn legio. Ten eerste is ammoniak economisch. Beschikbaarheid – de op één na meest geproduceerde chemische stof ter wereld, er wordt 200 miljoen ton ammoniak per jaar geproduceerd. Vervoerbaarheid – ammoniak is gemakkelijk op te slaan en hoeft niet onder hoge druk te worden opgeslagen. Een ander belangrijk voordeel is de chemische compatibiliteit van ammoniak met alkalische brandstofcellen die gebruik maken van een alkalische elektrolyt. En wanneer ammoniak wordt gekraakt om waterstof te produceren, worden geen schadelijke verontreinigende stoffen uitgestoten. Aangezien er geen koolstof is, worden er ook geen koolstofnevenproducten geproduceerd – ammoniak is dus een “koolstofneutrale” optie voor de toekomst. Hoewel ammoniak een giftige chemische stof is met een sterke geur, wordt het, wanneer er voorzichtig en in overeenstemming met de voorschriften mee wordt omgegaan, veilig gebruikt in onder andere de landbouw, koeling, halfgeleiders, haarverf en waterzuivering. Maar het grootste voordeel van ammoniak als waterstofdrager is het feit dat het als vloeistof, met milde druk en zonder cryogene beperkingen, een hoge waterstofopslagdichtheid biedt.

Nu al heeft GenCell een brandstofcel ontwikkeld die gebruik maakt van vloeibare ammoniak als brandstof voor een off-grid energieoplossing die fungeert als een autonome “nano-elektriciteitscentrale” buiten het elektriciteitsnet, waardoor we vervuilende dieselgeneratoren kunnen vervangen bij het leveren van elektriciteit buiten het elektriciteitsnet. Momenteel werken deze brandstofcellen op industrieel geproduceerde ammoniak, die hoofdzakelijk wordt geproduceerd via het algemeen gebruikte maar zeer vervuilende Haber-Bosch-proces. In het Haber-Bosch-proces voor de synthese van ammoniak reageert stikstof met waterstof met behulp van een metaalkatalysator. Het proces vindt plaats bij een druk van 200 atm en hoge reactietemperaturen van bijna 500°C. Er wordt beweerd dat het Haber-Bosch-proces een van de grootste bijdragen levert aan de ophoping van reactieve stikstof in de biosfeer. Om volledig groene stroom te kunnen leveren, werken wij aan de ontwikkeling van een milieuvriendelijk proces om groene ammoniak te maken die het vervuilende Haber-Bosch-proces kan vervangen. Dit zou industriële productie van schone ammoniak met hernieuwbare energie mogelijk maken voor een breed scala van toepassingen, van meststoffen en waterzuivering tot het leveren van brandstof voor alkalische brandstofceloplossingen. Omdat deze vergelijking geen koolstof bevat, zal deze technologie, wanneer ze is uitontwikkeld, ons in staat stellen om 100% groene gedistribueerde energie op te wekken. Wij stellen ons voor om een volledig schone energiekringloop mogelijk te maken door ter plaatse groene ammoniak te produceren met behulp van zonne- en windenergie, de ammoniak te gebruiken om alkalische brandstofcelgeneratoren overal buiten het net te laten draaien, elektrificatie op het platteland mogelijk te maken en de wereld dichter bij netpariteit te brengen. Voor meer informatie kunt u contact met ons opnemen via [email protected].