TU helpt Nuon bij de opslag van stroom

Ze raakten hun elektriciteit aan de straatstenen niet kwijt, afgelopen Pasen in Duitsland. Het waaide aardig, de zon scheen, en fabrieken en kantoren waren gesloten. Het stroomaanbod lag veel hoger dan de vraag. Energiebedrijven in Duitsland moesten geld toeleggen om van hun stroom af te komen.

Dit probleem zal zich in de toekomst vaker voordoen. Energie komt steeds meer uit duurzame bronnen. Het gevolg is een aanbod van elektrische energie dat schommelt met de seizoenen.

Die schommeling kan volgens energiebedrijf Nuon en hoogleraar energieopslag prof.dr. Fokko Mulder (Technische Natuurwetenschappen) opgevangen worden met ammoniak (NH3). Dit is een giftig goedje, maar ook hét middel dat ons in de nabije toekomst de donkere wintermaanden door helpt. Dat wil Nuon demonstreren bij de Magnum-centrale in de Eemshaven met een installatie waar ammoniak wordt geproduceerd met overtollige elektriciteit.

De installatie moet over vijf jaar gereed zijn. Mulder helpt Nuon bij de realisatie ervan. Ook moeten dan drie 440 megawatt gasturbines dusdanig aangepast zijn dat ze op ammoniak kunnen draaien. Nuon wil een buffervoorraad aanleggen van zo’n zestigduizend kubieke meter ammoniak, voldoende om twee miljoen huishoudens gedurende tien dagen van elektriciteit te voorzien.

Alexander van Ofwegen, directeur Nuon Warmte, licht toe: “Dit idee bestaat uit drie stappen. Allereerst zet je elektriciteit uit wind of zon om in vloeibare ammoniak. Daar komt een chemisch proces bij kijken, waarbij je water middels elektrolyse splitst in waterstof en zuurstof en vervolgens de waterstof aan stikstof bindt om ammoniak te maken. Dan sla je de ammoniak op in grote tanks – dat kan zo lang als het nodig is. Zo heb je altijd een voorraad brandstof voor die momenten dat er weinig wind of zon is. Ammoniak kun je namelijk als laatste stap als koolstofvrije brandstof gebruiken in de gascentrale. Hierbij komen alleen stikstof en waterdamp vrij, geen CO2. Wat verder zo mooi is aan dit concept, is dat het op alle plekken in de wereld mogelijk moet zijn om duurzame energie om te zetten in ammoniak. Hiermee recycle je eigenlijk de energie uit wind of zon.”

Dodelijk

Dodelijk

Dodelijk

Was het niet waterstof dat ons, in combinatie met zon en wind, van onze fossiele verslaving ging af helpen? Iedereen had tot voor kort de mond vol van de ‘waterstofeconomie’. Mulder: “Het probleem met waterstof is de opslag. Waar laat je het? Daar heeft men wereldwijd jarenlang onderzoek naar gedaan. Je kunt het alleen onder hoge druk of bij extreem lage temperaturen bewaren. Dat maakt het een lastige brandstof.”

Ammoniak heeft volgens Mulder betere kaarten. “De grondstoffen water en stikstof zijn overal voor handen. Lucht bestaat voor 78 procent uit stikstof. En ammoniak is makkelijk op te slaan. Het is bij atmosferische druk vloeibaar bij min 35 graden Celsius en onder 10 bar druk bij kamertemperatuur. Daarnaast heeft ammoniak per liter een hogere energiedichtheid dan waterstof.”

NH3 is geen prettige stof, dat geeft Mulder grif toe. “Het is dodelijk als je het in hoge concentraties inademt. Maar er is veel ervaring met het opslaan en verwerken van ammoniak. Het wordt al honderd jaar in grote hoeveelheden geproduceerd voor de kunstmestindustrie. Een à twee procent van het wereldwijde energieverbruik gaat op aan de productie ervan. Schepen varen over de oceanen met vloeibare ammoniak. Het is een beheersbaar probleem.”

Volgens Mulder zijn er weinig alternatieven. “Je zou overtollige elektriciteit kunnen gebruiken om de brandstof methanol te maken. Maar daar heb je een koolstofbron voor nodig. Om deze stof te maken, gebruikt men nu CO2 uit verbrandingsgassen. Want in de atmosfeer zit voor dit doeleinde te weinig CO2. Hoezeer we onze best ook hebben gedaan. Als we straks helemaal van de fossiele brandstoffen af stappen, waar halen we de koolstof dan vandaan om methanol mee te maken? Als je nu inzet op methanol, moet je over vijftig jaar weer een energietransitie maken. Het is beter om nu meteen ammoniak te produceren. Ook zijn koolstofhoudende verbindingen dan waarschijnlijk nodig voor hoogwaardigere chemische toepassingen dan brandstoffen.”

Kostbaar

Het produceren van ammoniak is een kostbare aangelegenheid. Je verliest energie tijdens het elektrolyseproces waarbij water met behulp van elektriciteit wordt gesplitst in waterstof en zuurstof, en je verliest bij het binden van stikstofmoleculen met waterstof. Zowel commerciële elektrolyse als ammoniaksynthese heeft een energetisch rendement van zo’n zestig procent. En dan gaat er tot slot ook nog energie verloren tijdens de verbranding van ammoniak om opnieuw elektriciteit op te wekken.

“Driekwart van de energie gaat nu verloren’, zegt Mulder. “Wij werken aan een systeem dat 40 à 45 procent van de energie behoudt van stroom naar opslag en weer terug naar stroom. We experimenteren met laag-voltage-elektrolyse. Dat betekent dat de omzetting langzamer gaat, maar ook energie-efficiënter. Daarnaast moet het mogelijk zijn om de reststromen, de vrijkomende warmte, beter te benutten.”

Stikstof
Verdere details wil Mulder niet kwijt. In 2013 liet Mulder zich in een interview in Delta wel al ontvallen dat zijn groep werkt aan ‘elektrosynthese’ van ammoniak waarbij stikstof meedoet in de elektrolyse-reactie. Stikstof bevindt zich aan de ene kant van het elektrolyseapparaat en water aan de andere kant.

Daartussen zitten twee elektroden en een elektrolyt (een medium dat ionen geleidt). Zodra stikstof zich aan de negatieve elektrode bindt, moeten er meteen protonen bijkomen om er ammonia van te maken.

Het liefst zou Mulder ammoniak ook gebruiken in brandstofcellen. Je zou dan kunnen rijden op ammoniak. “Maar daar focussen we nu nog niet op. Je wilt niet dat er een grote gaswolk vrijkomt als een auto verongelukt. We moeten eerst grote stappen zetten om met wind- en zonne-energie de winter door te komen.”

Je verliest onderweg veel energie, maar opslag is nu eenmaal onontkoombaar, vertelt ook Geert Laagland, technoloog bij Nuon. “Opslaan doe je als het echt niet anders kan.” Met de toename in groene stroom voorziet hij een groeiende behoefte aan buffercapaciteit. “We anticiperen met dit project op de toekomst. We zijn het eerste elektriciteitsbedrijf dat deze stap zet.”

Geen kolen
Dat uitgerekend Nuon als eerste energiebedrijf gaat experimenteren met ammoniak is geen toeval. De gascentrales in de Eemshaven kunnen een breed scala aan brandstoffen aan. Waaronder dus, na enige aanpassing, ammoniak.

In 2013 werd de Magnumcentrale van Nuon in Eemshaven officieel geopend. Het oorspronkelijke plan was om de centrale op verschillende brandstoffen te laten draaien, zoals biomassa, gas en kolen. Dat laatste schoot bij natuur- en milieuorganisaties in het verkeerde keelgat. Naast de druk van de milieulobby zorgden de economische omstandigheden ervoor dat Nuon tijdelijk af zag van steenkool. Nu zet Nuon definitief een streep door kolen in de Magnumcentrale.

Volgens Laagland verbreedt Nuon haar horizon door in te zetten op ammoniak. Het stelt het energiebedrijf in staat om energie over grotere afstanden te transporteren. Hij refereert naar het project Desertec. “Het idee was om zonnepanelen in de Sahara te plaatsen en de elektriciteit via hoogspanningskabels naar Europa te transporteren. Dat plan is spaak gelopen, onder meer door de hoge kosten voor de infrastructuur. Ammoniak kun je wel makkelijk transporteren. Concrete plannen om uit te breiden naar de Sahara hebben we niet. Maar we creëren wel de mogelijkheid.”