Groene ammoniak blijft uitdaging, maar onderzoekers zetten belangrijke stappen vooruit
De productie van ammoniak, essentieel voor kunstmestproductie, is verantwoordelijk voor bijna 1,5% van de wereldwijde CO₂-uitstoot. Dit moet groener, en daarom zijn onderzoekers al jaren op zoek naar duurzame alternatieven. Volgens wetenschappers van de TU Delft in het vakblad Energy & Environmental Sciences is een volledig groene ammoniakproductie echter nog niet binnen handbereik. Ondanks de technologische uitdagingen blijven de onderzoekers hoopvol.
De Haber-Bosch methode. Waarschijnlijk zegt je dit niks, maar dit chemische proces voedt de wereldbevolking al zo’n 100 jaar, legt universitair hoofddocent Ruud Kortlever uit. Het is dé methode om ammoniak, en daarmee kunstmest, te maken. “Ammoniak bestaat uit stikstof en waterstof. De stikstof wordt uit de lucht gehaald en het waterstof uit aardgas. Vervolgens worden deze stoffen in contact gebracht met een katalysator en onder hoge druk verhit tot een temperatuur van 500 graden Celsius. Een enorm energie-intensief proces”, zegt Kortlever.
Dit resulteert niet alleen in aanzienlijke CO2-uitstoot, maar door de grote omvang van de benodigde faciliteiten zijn er wereldwijd een beperkt aantal locaties waar deze fabrieken zijn gevestigd. "Dit betekent dat ook het voornaamste eindproduct, kunstmest, wereldwijd verscheept moet worden, wat ervoor zorgt dat het vooral in lage- en middeninkomenslanden slecht beschikbaar en duur is." Er is dus een dringende behoefte aan een nieuwe productiemethode die zowel de CO2-uitstoot vermindert als lokale productie mogelijk maakt.
Economische haalbaarheid
Sinds een decennium zijn wetenschappers, waaronder Kortlever, op zoek naar alternatieven. De elektrochemische ammoniaksynthese via de stikstofreductiereactie (NRR) wordt gezien als een van de veelbelovende technologieën. Dit houdt in dat stikstof (N₂) wordt omgezet in ammoniak (NH₃) met elektrische energie.
In hun nieuwe studie hebben Kortlever en Boaz Izelaar, die op 14 november promoveert op dit onderwerp, de meest uitgebreide vergelijking tot nu toe gemaakt van de verschillende NRR-methoden. Kortlever: “Iedereen stort zich op het verbeteren van de conversie, in plaats van te kijken naar het gehele proces en de techno-economische haalbaarheid. Wij hebben uitgezocht waar de grootste uitdagingen zitten en waarop we moeten focussen om de duurzame elektrochemisch methoden competitief te maken.”
Ruud Kortlever
Boaz Izelaar
Iedereen stort zich op het verbeteren van de conversie, in plaats van te kijken naar het gehele proces en de techno-economische haalbaarheid. Wij hebben uitgezocht waar de grootste uitdagingen zitten en waarop we moeten focussen om de duurzame elektrochemisch methoden competitief te maken.
Ruud Kortlever
Nog niet competitief
Ze keken naar 4 verschillende methoden en vergeleken deze met de conventionele Haber-Bosch methode en de ge-elektrificeerde Haber-Bosch methode. Ze analyseerden het hele proces, waaronder de elektrochemische prestaties, schaalbaarheid, energieverbruik en economische levensvatbaarheid. De resultaten stemden niet gelukkig, moet Kortlever toegeven. “Onze conclusie is dat nog geen enkele methode competitief is aan Haber-Bosch. Op dit moment is ge-elektrificeerde Haber-Bosch nog het meest aantrekkelijk. Tegelijkertijd laat onze studie mooi zien waar de pijnpunten zitten in de elektrochemische processen. Dat geeft inspiratie voor vervolgstudies om deze technologieën competitief te maken.”
Kortlever richt zich vooral op de lithium-gemedieerde route. Onder de meest optimistische economische aannames is de lithium-gemedieerde NRR momenteel niet haalbaar op een grote schaal. Dit betekent dat Li-NRR interessant blijft voor wetenschappelijk onderzoek, maar niet voor winstgevende grootschalige toepassingen. “We gaan nu op zoek naar een nieuw metaal dat we kunnen gebruiken als mediator; de ogen zijn gericht op bijvoorbeeld magnesium, zodat we de energie efficiëntie van het gehele proces aanzienlijk verbeteren.”
Klimaatdoelen
Alhoewel de relatief nieuwe elektrochemische processen nog niet competitief zijn, blijft Kortlever optimistisch, al benadrukt hij wel dat er meer aandacht en samenwerking tussen kennisinstellingen, de industrie en de overheid nodig is. De wereldwijde vraag naar ammoniak blijft stijgen — gedreven door de behoefte aan kunstmest voor voedselproductie. “De overstap naar duurzamere methoden is dus van essentieel belang, zeker als we de klimaatdoelen voor 2050 willen halen”, besluit hij.