Ammoniakreformer: hoe ammoniak weer waterstof wordt
Een ammoniakreformer, ook wel ammoniakkraker genoemd, is een installatie die ammoniak (NH3) omzet in waterstofgas en stikstofgas. Zie ammoniak als een stevige koffer waarin waterstofmoleculen veilig en compact vervoerd kunnen worden over lange afstanden. De reformer is dan het apparaat aan de andere kant van de reis dat die koffer weer uitpakt, zodat de pure waterstof eruit kan.
Die koffer is nodig omdat waterstof zelf een lastig transportmiddel is: het gas moet gekoeld worden tot min 253 graden Celsius om vloeibaar te worden, of onder zeer hoge druk worden gezet, en het lekt makkelijk weg door kleine kieren. Ammoniak wordt al vloeibaar bij een veel mildere min 33 graden en er bestaat wereldwijd al infrastructuur voor het verschepen ervan, omdat het al decennia als grondstof voor kunstmest wordt vervoerd. Vandaar de gedachte: maak waterstof, verpak het als ammoniak, vervoer het, en pak het bij aankomst weer uit met een reformer.
Wat is het precies?
Een molecuul ammoniak bestaat uit één stikstofatoom en drie waterstofatomen (NH3). Een reformer breekt die verbinding weer open, zodat er stikstofgas (N2) en waterstofgas (H2) ontstaat. Dat gebeurt door de ammoniak te verhitten, meestal tot ergens tussen de 400 en 600 graden Celsius, in aanwezigheid van een katalysator: een stof die de reactie versnelt zonder er zelf blijvend in te veranderen. Vaak gebruikte katalysatoren zijn ruthenium, een zeldzaam en kostbaar edelmetaal, of goedkopere alternatieven op basis van nikkel of ijzer.
Deze reactie kost energie in plaats van dat ze energie oplevert; chemici noemen dat endotherm. Dat is niet toevallig, want het kraakproces is in feite het spiegelbeeld van het Haber-Bosch-proces, waarmee sinds het begin van de twintigste eeuw juist ammoniak wordt gemaakt uit stikstof en waterstof onder hoge druk. Wat bij de aanmaak aan energie vrijkomt, moet je er bij het kraken grotendeels weer instoppen.
Na het kraken is de klus nog niet af. Er blijven altijd sporen ongekraakte ammoniak achter in het gasmengsel, en die zijn schadelijk voor bijvoorbeeld de brandstofcellen die de waterstof vervolgens moeten omzetten in elektriciteit. Daarom volgt er meestal nog een zuiveringsstap, bijvoorbeeld met pressure swing adsorption (een techniek waarbij drukwisselingen gebruikt worden om onzuiverheden aan een materiaal te laten kleven) of met speciale membranen die alleen waterstof doorlaten.
Wat wil men ermee bereiken?
Het idee achter ammoniak als energiedrager past in een groter plan: landen met veel zon en wind, maar weinig eigen afzetmarkt, willen die groene stroom omzetten in groene waterstof via elektrolyse (het splitsen van water in waterstof en zuurstof met behulp van elektriciteit). Die waterstof wordt vervolgens met stikstof uit de lucht omgezet in ammoniak, zodat hij over zee te vervoeren is naar landen die veel energie importeren, zoals Nederland, Duitsland, Japan en Zuid-Korea.
Bij aankomst in een haven zoals Rotterdam kan de ammoniak vervolgens weer teruggekraakt worden naar waterstof, die industrieën kunnen gebruiken voor bijvoorbeeld staalproductie, chemie of als brandstof voor zwaar transport. Het doel is dus niet ammoniak zelf, maar een praktische manier om groene waterstof de wereld rond te krijgen zonder de dure en lekkage-gevoelige koeling die puur waterstoftransport nodig heeft.
Het is belangrijk dit te onderscheiden van een ander gebruik van ammoniak: het direct meestoken of verbranden van ammoniak in bijvoorbeeld kolencentrales, zoals in Japan wordt onderzocht. Dat is geen reforming, want daarbij wordt de ammoniak niet eerst teruggebracht tot waterstof maar rechtstreeks verbrand. Beide toepassingen worden soms door elkaar gehaald, maar het zijn andere technieken met andere voor- en nadelen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het NEOM Green Hydrogen Project in Saudi-Arabië, een samenwerking tussen Air Products, ACWA Power en de NEOM Green Hydrogen Company, is een van de grootste aangekondigde projecten op dit gebied. Er wordt geïnvesteerd voor meer dan acht miljard dollar in een fabriek die groene ammoniak produceert voor export; afnemers elders in de wereld zouden die ammoniak vervolgens weer moeten kraken tot waterstof.
In Rotterdam onderzoeken en ontwikkelen Gasunie en Vopak, samen met het Havenbedrijf Rotterdam, plannen voor een importterminal voor ammoniak inclusief kraakinstallatie. Dit maakt deel uit van de bredere Nederlandse en Europese strategie om waterstof te importeren, omdat Nederland zelf onvoldoende ruimte heeft om alle benodigde groene stroom lokaal op te wekken.
De Amerikaanse start-up Amogy, opgericht door voormalige MIT-onderzoekers, laat zien dat kraaktechniek ook compact kan. Het bedrijf demonstreerde een ammoniak-aangedreven tractor in 2021, een vrachtwagen in 2022 en een scheepsmotor in 2023, telkens met een kleine ammoniakkraker aan boord gekoppeld aan een brandstofcel.
Het Deense technologiebedrijf Topsoe ontwikkelt katalysatoren en grootschalige kraaktechnologie en levert die als licentie aan industriële partijen wereldwijd. Het bedrijf presenteert zich als een van de partijen die de opschaling van kleine, decennialang bestaande kraaktechniek naar havengrote installaties mogelijk moet maken.
Hoe ver is de techniek?
De scheikunde achter ammoniakkraken is niet nieuw: het is al meer dan honderd jaar bekend als het spiegelbeeld van het Haber-Bosch-proces, en op kleine schaal wordt het al decennia toegepast, bijvoorbeeld om een beschermende gasatmosfeer te maken bij de warmtebehandeling van metalen. De uitdaging zit hem in het opschalen naar de omvang die nodig is voor een importterminal, waar het zou moeten gaan om honderdduizenden tonnen per jaar in plaats van de kleine hoeveelheden uit de industriële niche van nu.
Er zijn een paar eerlijke obstakels te noemen. Ten eerste gaat er bij elke stap in de keten energie verloren: van stroom naar waterstof, van waterstof naar ammoniak, en weer terug naar waterstof. Schattingen van het totale rendement van zo'n rondje lopen uiteen, maar een aanzienlijk deel van de oorspronkelijke groene stroom is aan het einde van de rit kwijt. Ten tweede zijn de meest actieve katalysatoren gebaseerd op ruthenium, een zeldzaam en duur edelmetaal, wat de kosten opdrijft. Ten derde is voor toepassingen zoals brandstofcellen zeer zuivere waterstof nodig, en het volledig wegzuiveren van de laatste sporen ammoniak blijft technisch lastig.
Per 2025-2026 zijn de meeste grootschalige kraakinstallaties op importterminal-schaal nog in de bouw-, demonstratie- of eerste-commerciële fase; van bewezen, langdurig operationele installaties op die schaal is vooralsnog beperkt sprake. Ook is er binnen de sector discussie over of ammoniak wel de beste waterstofdrager is. Alternatieven zoals LOHC (liquid organic hydrogen carriers, vloeibare organische stoffen die waterstof chemisch kunnen binden en weer vrijgeven) of methanol hebben ieder hun eigen voor- en nadelen op het gebied van energieverlies, toxiciteit en bestaande infrastructuur.
Wie werken eraan?
Op technologiegebied zijn Topsoe, KBR, Casale en Air Products belangrijke namen die kraaktechnologie ontwikkelen en in licentie geven. Yara, via de tak Yara Clean Ammonia, is een grote gevestigde ammoniakproducent die zich actief mengt in de groene-ammoniakmarkt. De start-up Amogy richt zich specifiek op compacte, mobiele toepassingen, terwijl het Australische Fortescue investeert in groene ammoniak als exportproduct.
Op onderzoeksgebied dragen instituten zoals TNO in Nederland en technische universiteiten zoals DTU in Denemarken bij aan verbeterde katalysatoren en procesontwerpen. Wat landen betreft profileert Nederland zich, met Rotterdam voorop, als beoogde Europese importhub voor waterstof en ammoniak, net als Duitsland. Japan en Zuid-Korea hebben ammoniak een prominente plek gegeven in hun nationale waterstofstrategieën als potentiële afnemers, terwijl Saudi-Arabië en andere Golfstaten, samen met Australië, zich positioneren als beoogde exporteurs van groene ammoniak. Ook de Europese Unie noemt ammoniak als een van de routes in haar waterstofstrategie.