Ammoniak staat steeds meer in de picture als drager voor waterstof. Om vervolgens weer waterstof in handen te krijgen, moet ammoniak worden gekraakt. In Antwerpen zet Air Liquide serieuze stappen met een pilot-ammoniakkraker op industriële schaal. ‘Antwerpen heeft als groot voordeel dat er een zeer goede ammoniakinfrastructuur en -logistiek beschikbaar is.’

Waterstof is een onmisbaar molecuul voor de (petro)chemische industrie. Dat blijkt ook uit de talloze projecten voor grootschalige elektrolysers, om H₂ met behulp van elektriciteit uit water te maken. Om dat ook nog duurzaam te doen, zou je daarbij met ‘low-carbon’ uitgangstoffen en hernieuwbare energie moeten werken. In West-Europa zien bedrijven dat groene stroom maar beperkt beschikbaar is. Om waterstof op grote schaal te produceren is het economisch aantrekkelijker om dit te doen op plekken waar duurzame energie wel volop aanwezig is. Helaas is dat vaak weer niet dicht bij de waterstofgebruiker. En het is technisch nog een (te) grote uitdaging om industriële hoeveelheden waterstof over langere afstand te transporteren of langdurig op te slaan. Maar met behulp van het Haber-Bosch proces kan waterstof met stikstof worden omgezet in ammoniak en daarvan is transport en opslag gemeengoed. Daarmee fungeert ammoniak als waterstofdrager. Het kan vervolgens op de plaats van bestemming, op het moment dat het nodig is, weer worden gekraakt om waterstof en stikstof te leveren.

Antwerpse ervaring

De technologie om ammoniak te kraken is volop in ontwikkeling. Onlangs nam Air Liquide, één van ’s werelds grootste waterstofproducenten, in de haven van Antwerpen-Brugge een pilotinstallatie op industriële schaal in bedrijf voor het kraken van ammoniak. De onderneming ziet een groeiende vraag naar hernieuwbare waterstof. Om in die vraag te voorzien investeerde het al in verschillende grootschalige elektrolyseprojecten, zoals Normand’Hy in Frankrijk, Trailblazer in Duitsland en ELYgator in Nederland. Felix Cock, project expert voor deze industriële pilot kraker, geeft aan dat de route via ammoniak een aanvulling is op de directe hernieuwbare waterstofproductie via elektrolyse.

Air Liquide werkt op haar verschillende innovatie-campussen, nabij Parijs, in Frankfurt, in de VS en in China aan de verschillende aspecten van het kraken van ammoniak, zoals de reactiekinetiek, katalysatoren en reactorcondities. Cock: ‘Op laboratoriumniveau kun je veel verschillende dingen op allerlei plekken in de wereld doen. Maar als je een proces op een grotere schaal wil ontwerpen is een volledige pilotinstallatie op één plek erg nuttig.’ Die ene plek is Antwerpen geworden. ‘We hebben wereldwijd gekeken naar locaties. Antwerpen heeft als groot voordeel dat er een zeer goede ammoniakinfrastructuur en -logistiek beschikbaar is. BASF produceert hier ammoniak en heeft transportleidingen. Aanvoer van ammoniak is geïntegreerd in een volwassen en veilig industrieel ecosysteem.’ Ook de ondersteunende diensten hebben ervaring met de stof. ‘Lokale stakeholders zijn bekend met en getraind op de specifieke eigenschappen van ammoniak omdat dit al breed wordt gebruikt op de site.’ Ook heeft het Antwerpse Air Liquide team al ervaring met industriële pilotinstallaties, vertelt Cock: ‘We hadden hier al een pilotplant voor de productie van waterstof met behulp van onze SMR-x-technologie.’ Hierbij wordt waterstof via steam reforming geproduceerd, maar met een gereduceerde hoeveelheid stoom, waardoor de CO₂-voetafdruk kleiner is dan bij traditionele steam reforming. 

NO_x minimaliseren

Cock legt uit dat er specifiek is gekeken naar het ontwerp van de brander en de reductie van NO_X-uitstoot. ‘Het kraken van ammoniak is een endotherme reactie. We gebruiken hiervoor een brander die gevoed kan worden met verschillende brandstoffen. We kunnen waterstof, ammoniak, de afgassen uit het proces of (bio)gas daarvoor gebruiken. De set-up van de brander werd getest en geoptimaliseerd op laboratoriumschaal, maar voor de pilot moest dat worden aangepast.’ Dat had ook te maken met het NO_x-management. ‘Het minimaliseren van de NO_x-uitstoot had prioriteit. Om dit te bereiken hebben we een nieuw systeem ontworpen en dat in de pilotinstallatie geïntegreerd.’

Ook de materiaalkeuze vroeg extra aandacht. Ammoniak is corrosief en zeker bij hoge temperaturen, zijn veel materialen hier niet tegen bestand. Met het oog op de kosten, keek het team kritisch naar waar standaard staalsoorten voldoen en voor welke onderdelen hoogwaardiger materialen nodig zijn.

Snel beschikbaar

Volgens Cock is tijd de grootste drijfveer voor Air Liquide. ‘Onze ontwikkeling is complementair met wat universiteiten doen op het gebied van het kraken van ammoniak. Daar ligt de focus vooral op het verbeteren van de duurzaamheid en de efficiency, maar met een veel langere tijdshorizon.’ Hij noemt het onderzoek van de KU Leuven aan katalysatoren voor ammoniakkrakers, het werk van de Universiteit Antwerpen aan het gebruik van plasma’s om ammoniak te kraken en het ontwikkelen van elektrisch gestookte reactoren. ‘Onze belangrijkste innovatie zit erin dat we de geavanceerde bouwstenen veilig, betrouwbaar en efficiënt laten samenwerken. Hierdoor is een snelle beschikbaarheid mogelijk en dat is voor ons van belang. Toen we in 2022 begonnen met deze pilot was er geen technologie voor het kraken van ammoniak op de markt. Normaal gesproken kan zo’n ontwikkeling wel tien jaar duren. Maar deze kraker, op industriële pilotschaal, is in drie jaar tijd voltooid. We hebben dan ook al veel ervaring met de verschillende stoffen en het opschalen van processen. Ook hebben we competenties op het gebied van operation en automation in huis.’

De installatie kan dertig ton ammoniak per dag omzetten. Dat ammoniak is vooralsnog lokaal afkomstig van BASF. De tot nu toe uitgevoerde tests stemmen tot tevredenheid. ‘De informatie uit deze pilot gebruiken we om het proces op te schalen naar enkele tonnen per uur, vergelijkbaar met waterstof-productie uit steam reforming.’ Wanneer Air Liquide zal investeren in het grootschalig kraken van ammoniak hangt samen met de marktcondities, die sterk afhankelijk zijn van regelgeving.  Wel denkt Cock dat dat de komende paar jaar zou kunnen zijn. ‘Tegen 2030 kunnen er in Europa grootschalige ammoniakkrakers worden gerealiseerd.’