Ammoniak is alom beschikbaar en is gemakkelijk op te slaan en te transporteren
Ammoniak als energiedrager van waterstof voor CO2-neutraal werken met machines is de inzet van het Amerikaanse bedrijf Amogy. Dat ziet ammoniak als een oplossing, omdat vloeibare ammoniak gemakkelijker te transporteren en af te tanken is en een hogere energiewaarde heeft dan alleen waterstof in hogedruktanks. Ammoniak wordt bij de Amogy-oplossing getankt in een normale ammoniak(druk)tank bij een druk van tien bar en daarna op de trekker via een speciale ‘ammoniak-cracker’ gesplitst in waterstof en stikstof. De stikstof gaat vrij de natuur in en de waterstof gaat als brandstof naar de brandstofcel.
Amogy ziet een groot perspectief voor ammoniak in de Verenigde Staten, omdat ammoniak alom beschikbaar is en gemakkelijk is op te slaan en te transporteren. Het bedrijf wijst nadrukkelijk op de brede infrastructuur voor ammoniak die in Amerika in de landbouw voorhanden is, waarbij die direct als meststof wordt geïnjecteerd. Amogy geeft aan dat de ammoniak in zijn systeem een energiedichtheid (brandstof en componenten) heeft van 700 tot 1000 Wh per kilo en daarmee ruwweg twee keer zoveel energie bevat als waterstofsystemen (300 tot 500 Wh per kilo) en ongeveer het vijfvoudige van lithium-ionbatterijen (150-300 Wh per kilo). Amogy ziet ammoniak als een realistisch alternatief voor alle zware machines.
Wärtsilä wil dit jaar al in de praktijk gaan proefdraaien met scheepsmotoren op ammoniak
Wat feiten vooraf
Ammoniak (NH3) is al vloeibaar bij min 33 graden Celsius of bij een druk van circa negen bar bij kamertemperatuur. Waterstof is pas bij min 253 graden Celsius vloeibaar en wordt veelal afgetankt (als gas) op circa 300-350 bar of zelfs 700 bar. Het vervoeren van ammoniak is daarmee eenvoudiger dan van waterstof. De energiedichtheid van ammoniak zelf is met 3,2 kWh per liter omgerekend ongeveer een derde van die van diesel (10,9 kWh per liter).
Ammoniak verbrandt volgens de chemische reactie 4 NH3 + 3 O2 -> 2 N2 + 6 H2O. Het belangrijke voordeel: er komt geen CO2 vrij. Die N2 moet je niet verwarren met het stikstofprobleem. Stikstofgas (N2) maakt ongeveer 78 procent van de atmosfeer uit en is onschadelijk voor organismen. Het stikstofprobleem wordt veroorzaakt door stikstofverbindingen als NOx en NH4. NH3 als brandstof heeft een hoge calorische waarde, een zeer hoog octaangetal en een goede verbrandingsefficiëntie. Zie daarvoor tabel 1.
NH3 als pure brandstof
Ammoniak is een lastige verbrander. De stof heeft een hoge ontbrandingstemperatuur en een trage verbranding en onttrekt veel warmte bij de verdamping. Dit is op te lossen met een hoge compressieverhouding en een geregelde inlaattemperatuur. Er wordt geschreven over een compressieverhouding van 35:1. Dankzij het hoge octaangetal kan dit. De trage verbranding met mogelijk incomplete verbranding geeft wel een kans op verhoging van de uitstoot van NOx en er kan onverbrande NH3 vrijkomen via de uitlaat en ook N2O (lachgas). Omdat het een zeer agressieve stof is, is corrosie ook een aandachtspunt. Corrosie in motoren is door fabrikanten dankzij hoogwaardige materialen echter goed te tackelen.
De scheepvaartindustrie ziet kansen in ammoniak. Hier wordt naast bijvoorbeeld lpg, methanol en waterstof ook ammoniak onderzocht als alternatief voor stookolie. Vanwege het transportvoordeel is deze sector nu serieus bezig NH3 als CO2-neutrale brandstof te gaan inzetten. Scheepsmotorenfabrikanten als MAN en Wärtsilä geven dat al nadrukkelijk aan. Beide zijn ermee bezig, al dan niet als een dual fuel-oplossing. Wärtsilä wil dit jaar al in de praktijk gaan proefdraaien met scheepsmotoren op NH3. Ook MAN geeft aan dat het op koers ligt om medio 2024 al te komen met NH3 voor zijn grote tweetakt-scheepsmotoren. Vrijkomende NOx en N2O kunnen volgens MAN goed worden getackled met uitlaatgasnabehandeling.
Naast de verbrandingsmotor zijn er ook al brandstofcellen die direct op NH3 kunnen draaien. De oplossing zoals Amogy die toonde, het bij de ‘gebruiker’ splitsen van NH3 in N2 en H2 en waarbij die laatste als brandstof wordt ingezet, wordt naar verluidt ook al op meerdere plekken onderzocht.
Dual fuel kansrijker
De moeilijke verbranding maakt ammoniak als pure brandstof minder geschikt voor zuigermotoren. Dit is te tackelen door die te mengen met andere brandstoffen (dual fuel-oplossingen). De andere brandstoffen dienen als ‘aansteker’ en kunnen de verbranding versnellen en op gang houden (voorkomen dat de verbranding vroegtijdig eindigt voordat alle ammoniak is verbrand). Een uitgebreid onderzoek van de Wuhan University of Science and Technology in China geeft een goed overzicht van de mogelijkheden. Ammoniak is als dual fuel-oplossing toe te passen in combinatie met waterstof, benzine, diesel, DME of lpg. We beperken ons tot de eerste drie, omdat die het meest kansrijk zijn.
Ammoniak kan prikkelend op de ogen werken en oogschade aanrichten en is bij een te hoge concentratie zelfs dodelijk
Waterstof als dual fuel-oplossing heeft als voordeel dat het geen koolstof bevat en goed mengbaar is met NH3. Tien procent waterstof bijmengen gaf in proeven meer vermogen dankzij een efficiëntere verbranding. De compressieverhouding bleek een grote invloed te hebben. Dat is dus een kritisch punt voor de motorenbouwers. Wel gaf het toevoegen van waterstof een verhoging van de NOx-uitstoot. Onderzoekers geven aan dat deze NOx met uitlaatgasnabehandeling te tackelen is.
Bijmengen van benzine vertraagt de verbrandingssnelheid en verlaagt de piekdruk. Het ontstekingstijdstip blijkt hierbij erg kritisch. Bijmengen van benzine geeft een flink hogere NOx-uitstoot en er is een verhoogde kans op onverbrande NH3 in de uitlaat. Dit tezamen maakt het geen gemakkelijke dual fuel-oplossing
Diesel als dual fuel-oplossing bleek geschikter. Uit proeven bleek dat tot 95 procent ammoniak bijmengen in de diesel (je gaat dan uit van de dieselmotor) mogelijk is. Injectie van NH3 bij een gelijke dieselgift werkte flink koppelverhogend. De NOx-uitstoot is bij lage bijmengpercentages NH3 ook nog eens flink lager dan de normale dieselwaarden, maar neemt bij hoge bijmengpercentages NH3 wel snel toe. Bij circa zeventig procent bijmenging van NH3 is de NOx-uitstoot volgens de onderzoekers nagenoeg gelijk aan de huidige dieselwaarden. Bij hogere bijmengpercentages NH3 zijn dus extra maatregelen nodig om de extra NOx in het uitlaatsysteem om te zetten.
De onderzoekers van de Wuhan University of Science and Technology concludeerden dat bijmengen van ammoniak met waterstof het beste alternatief is voor de verbrandingsmotor, omdat dit minder negatieve bijwerkingen geeft dan de andere opties. Ammoniak en waterstof hebben beide een hoger octaangetal en zijn daarmee beter geschikt voor hogere compressieverhoudingen en zorgen daarmee voor een hoger rendement in de motor. De NOx kan volgens de onderzoekers worden opgelost met uitlaatgasnabehandeling.
Strenge voorschriften
Ammoniak valt onder de categorie gevaarlijke stoffen. Het is een giftig gas, dat prikkelend op de ogen werkt en oogschade kan aanrichten en bij een te hoge concentratie is het gas zelfs dodelijk. Het is verder een agressieve vloeistof die corrosie bevordert en direct reageert met water (tot ammonia). Als je ermee in contact komt, is er kans op blaarvorming, oog- en longproblemen. Daarom zijn er strenge voorschriften voor opslag en verlading, die te vinden zijn op publicatiereeksgevaarlijkestoffen.nl (ga onder ‘Publicaties’ naar ‘12 Ammoniak - Opslag en verlading’. We noemen een paar zaken. De bediening van een ammoniakopslag en de bijbehorende los- en laadinstallaties mag alleen worden uitgevoerd door deskundig en hiertoe speciaal geïnstrueerd personeel. Een ammoniakdetectiesysteem met interlock op de verladingsinstallatie moet aanwezig zijn. In de nabijheid van de los- en laadplaats moeten ademluchtmaskers of volgelaatsmaskers met ammoniakfilter en speciale kleding aanwezig zijn en worden gedragen bij het laden of lossen van ammoniak. Het vervoer valt onder ADR, het Europese verdrag voor het internationaal vervoer van gevaarlijke stoffen.
Voorkant regelen
Ten slotte een bepaald niet onbelangrijke factor is de productie van NH3. Ammoniak wordt industrieel geproduceerd door het hydrogeneren van stikstof uit de lucht onder hoge druk en temperatuur met hulp van een katalysator (Haber-Bosch-proces): N2 + 3 H2 -> 2 NH3. Het H2 wordt hiervoor momenteel gemaakt uit aardgas. Het kost kort door de bocht samengevat veel meer energie om ammoniak te maken dan het bij verbranding oplevert en er komt bij de aardgasverwerking CO2 vrij. Dit is te ondervangen door de benodigde waterstof te produceren via elektrolyse van water. Er wordt gezocht naar mogelijkheden om NH3 groen te produceren als waterstofdrager en als opslagmedium van energie.
Het is een lastige opgave om transport, opslag en aftanken veilig en toch praktisch werkbaar voor onze sector in te vullen
Vooralsnog ligt de nadruk voor NH3 op grootschalige toepassing als opslagmedium voor energie en toepassingen bij industriële grootverbruikers en dus de internationale scheepvaart. Onder meer de TU Delft doet onder de noemer AmmoniaDrive onderzoek naar de mogelijkheden van ammoniak als brandstof voor de scheepvaart (zie kader). In onze sector zou het, afgaande op het bovenstaande, als pure brandstof en als dual fuel met waterstof of in de dieselmotor ook kunnen. Daar sluit het Amogy-project naadloos op aan. Motorenfabrikanten hebben dan nog wel een uitdaging te gaan. Als je de voorschriften leest, ligt er ook nog een lastige opgave om transport, opslag en aftanken veilig en toch praktisch werkbaar voor onze sector in te vullen.
Brandstofcel en zuigermotor combineren
In Nederland start binnenkort het omvangrijke onderzoeksproject AmmoniaDrive. Daarin werken zes Nederlandse universiteiten, de drie organisaties voor toegepast onderzoek TNO, MARIN en WUR en vijftien bedrijven samen. Het project onderzoekt de combinatie van brandstofcellen en interne-verbrandingsmotoren voor het omzetten van ammoniak in bruikbare energie aan boord van schepen. Het centrale idee van dit innovatieve concept is dat de benodigde waterstof als dual fuel-oplossing voor een goede verbranding van ammoniak in de interne verbrandingsmotoren wordt gevonden in de uitlaatgassen van de brandstofcellen. Het AmmoniaDrive-concept combineert hiervoor dus de brandstofcel- en interne- verbrandingsmotortechnologie, lees scheepszuigermotor, zoals te zien in het schema. Dit project zal begin 2023 van start gaan. Meer informatie is te vinden op de website van NWO en TU Delft.
