This report focuses on the feasibility of the power-to-ammonia concept. Power-to-ammonia uses produced excess renewable electricity to electrolyze water, and then to react the obtained hydrogen with nitrogen, which is obtained through air separation, to produce ammonia. This process may be used as a “balancing load” to consume excess electricity on the grid and maintain grid stability. The product, ammonia, plays the role of a chemical storage option for excess renewable energy. This excess energy in the form of ammonia can be stored for long periods of time using mature technologies and an existing global infrastructure, and can further be used either as a fuel or a chemical commodity. Ammonia has a higher energy density than hydrogen; it is easier to store and transport than hydrogen, and it is much easier to liquefy than methane, and offers an energy chain with low carbon emissions.The objective of this study is to analyze technical, institutional and economic aspects of power-to-ammonia and the usage of ammonia as a flexible energy carrier.
Ammonia is heavily used in agriculture as a fertilizer and in industry as a raw material for the production of various organic nitrogen compounds. Its high hydrogen content and its established infrastructure for both storage and distribution makes ammonia a prominent candidate for storing fluctuating renewable energy. The Haber-Bosch heterogenous reaction of hydrogen and nitrogen on an iron-based catalyst is used today at large scale ammonia production sites. The current industrial hydrogen production is dominated by fossil energy sources. The traditional Haber-Bosch process can become green and carbon-free if renewable electricity is used for hydrogen generation. However, a continuous operation of power to ammonia can be challenging with a fluctuating renewable energy source. Techno-economic models show that electrolysis and the hydrogen supply chain is the main dominating cost factor of power to ammonia.
LINK
Kunstmest voor de velden en brandstof voor landbouwvoertuigen zijn belangrijke kostenposten voor de landbouw. Kunstmest en dieselbrandstof zijn energie-intensieve producten en daarmee ook een belangrijke bron van CO2 emissies vanuit de landbouw. Technologie voor hernieuwbare energie zoals zonne- en wind energie wordt steeds goedkoper waardoor het rendabeler wordt deze technologie ook te gebruiken. Terug leveren van geproduceerde hernieuwbare elektriciteit aan het elektriciteitsnet is echter niet altijd voordelig. De hernieuwbare energie moet hier concurreren met gesubsidieerde fossiele elektriciteit opgewekt met kolen, gas en kerncentrales. Kleinschalige decentrale productie op het boerenbedrijf van zowel kunstmest als transportbrandstof met behulp van hernieuwbare energie levert de boer en zijn omgeving direct voordeel op:Inkoopkosten voor deze producten worden lagerVermindert de CO2-emissie van de landbouw aanzienlijk, de carbo-footprint wordt verminderdRendement op hernieuwbare energie technologie wordt hogerAmmoniak (NH3) is zowel grondstof voor kunstmest als brandstof voor motoren. Ammoniak kan diesel voor meer dan 90% vervangen in bestaande dieselmotoren. Daarmee is ammoniak een uitstekende vervanger voor diesel in het landbouw en wegverkeer. Ammoniak is ook grondstof voor waterstof (H2) in waterstofmotoren. De technologie om ammoniak te maken is gebaseerd op het Haber-Bosch proces uit het begin van de vorige eeuw. Deze technologie vraagt veel energie voor het creëren van de hoge druk en de hoge temperaturen. Daarom is het voordelig het Haber-Bosch proces in grote installaties uit te voeren.Nieuwe brandstofcel-technologie maakt het mogelijk het Haber-Bosch proces (elektro-katalytisch) op kleine schaal uit te voeren. Het Kiemkracht concept Greenfertilizer onderzoekt de mogelijkheden van deze technologie voor ammoniak productie en benutting op het eigen boerenbedrijf.Het onderzoek is uitgevoerd door TU-Delft en Hanzehogeschool. Het doel was een opgeschaald ammonia elektrolyse synthese proces te ontwikkelen waar een eerste schaal-sprong gemaakt zou worden.Het elektrochemisch ammonia synthese proces is gebaseerd op zuurstofgeleidende elektroden, (proces figuur3. zie onder). Het voordeel van deze zuurstofgeleidende electroden boven proton geleidende electroden is dat er met omgevingslucht gewerkt kan worden in plaats van met stoom. Stoom maakt technologische ontwikkeling van het proces gecompliceerder. Experimenteel en theoretisch onderzoek van TU-Delft laat zien dat met deze elektroden ammonia te produceren is. TU-Delft heeft met zuurstof geleidende electroden ammonia productiesnelheden behaald van 1,84x 10-10 mol s-1 cm-2 bij 650oC. Deze snelheden zijn een factor 100-1000 hoger dan tot nu toe gerapporteerd in literatuur (Kyriakou et al 2017). Simulatie-studies van TU-Delft laten zien dat het ammonia synthese proces met een factor 100-1000 versneld kan worden door het proces onder druk te brengen bij een temperatuur van 400-500C. Op basis van deze simulaties is een ontwerp gemaakt en uitgevoerd voor een “hoge-druk electrolyse reactor”. Technische complicaties met deze hoge druk elektrolyse reactor maakte het onmogelijk betrouwbare resultaten te verkrijgen. Met name gas lekkages bij hoge temperaturen maakten het onmogelijk ammonia massabalansen op te stellen. Bovendien was ammonia productie niet aan te tonen. Hiermee zijn de simulatie voorspellingen niet bevestigd en blijft het onduidelijk of de onderliggende hypothesen correct zijn. De Hanzehogeschool heeft onderzoek uitgevoerd naar het concentreren van ammonia voor toepassing als vloeibare kunstmest. Uitgangspunt hierbij waren de ammonia productieniveau van de experimentele opzet en de voorspelde gesimuleerde opzet. Met de juiste technologie is het mogelijk de ammonia te concentreren voor verdere verwerking als kunstmest. Echter dit proces is economisch rendabel bij een ammonia concentratie in de uitstroom van de elektrolyse reactor die een factor 1000 hoger is dan tot nu toe is gemeten. Het feit dat de TU-Delft er niet in is geslaagd een kleine schaalsprong (factor 10) te maken met de drukreactor betekent dat commerciële toepassing van dit proces voorlopig nog niet aan de orde is. Achteraf gezien was het wellicht beter geweest de keuze te maken voor de proton geleidende electroden die bij lagere temperaturen werkzaam zijn, hier is een schaalsprong van een factor 100 ten opzichte van de recent gerapporteerde ammonia synthese snelheden. Een recente review door Kyriakou et al 2017 geeft als aanbeveling onderzoek te verrichten naar verbeterde elektrodematerialen en geleidende elektrolyten in de reactorcellen. Uiteindelijk zal het elektrochemisch ammonia synthese proces er komen vanwege de vele voordelen die het beidt. Processen moeten met een factor 100-1000 verbeterd worden eer het proces economisch rendabel is. Op dit moment is het nog niet te voospellen wanneer dit moment er is.
In this proposal, a consortium of knowledge institutes (wo, hbo) and industry aims to carry out the chemical re/upcycling of polyamides and polyurethanes by means of an ammonolysis, a depolymerisation reaction using ammonia (NH3). The products obtained are then purified from impurities and by-products, and in the case of polyurethanes, the amines obtained are reused for resynthesis of the polymer. In the depolymerisation of polyamides, the purified amides are converted to the corresponding amines by (in situ) hydrogenation or a Hofmann rearrangement, thereby forming new sources of amine. Alternatively, the amides are hydrolysed toward the corresponding carboxylic acids and reused in the repolymerisation towards polyamides. The above cycles are particularly suitable for end-of-life plastic streams from sorting installations that are not suitable for mechanical/chemical recycling. Any loss of material is compensated for by synthesis of amines from (mixtures of) end-of-life plastics and biomass (organic waste streams) and from end-of-life polyesters (ammonolysis). The ammonia required for depolymerisation can be synthesised from green hydrogen (Haber-Bosch process).By closing carbon cycles (high carbon efficiency) and supplementing the amines needed for the chain from biomass and end-of-life plastics, a significant CO2 saving is achieved as well as reduction in material input and waste. The research will focus on a number of specific industrially relevant cases/chains and will result in economically, ecologically (including safety) and socially acceptable routes for recycling polyamides and polyurethanes. Commercialisation of the results obtained are foreseen by the companies involved (a.o. Teijin and Covestro). Furthermore, as our project will result in a wide variety of new and drop-in (di)amines from sustainable sources, it will increase the attractiveness to use these sustainable monomers for currently prepared and new polyamides and polyurethanes. Also other market applications (pharma, fine chemicals, coatings, electronics, etc.) are foreseen for the sustainable amines synthesized within our proposition.
Verduurzaming van de chemische en landbouwsector is essentieel om de klimaat- en circulaire doelstellingen te halen. Eén van de mogelijkheden om de chemische sector te vergroenen is om hernieuwbare grondstoffen als feedstock voor productie te gebruiken. Met name laagwaardige reststromen uit de agrarische sector komen hiervoor in aanmerking. In dit project wordt beoogd om koeienurine, dat gescheiden is opgevangen van de ontlasting, te valoriseren richting hoogwaardige componenten voor (fijn)chemie. De focus zal in eerste instantie liggen op de isolatie van hippuurzuur en hieruit te synthetiseren benzoëzuur en glycine en de verwaarding van de resterende fractie richting natuurlijke meststoffen voor de akker/tuinbouw. De verkregen groene benzoëzuur is een goed alternatief voor het huidige uit de petrochemie gesynthetiseerde zuur en kan bijvoorbeeld als natuurlijk conserveringsmiddel in mengvoeders worden gebruikt. In een latere fase zullen ook overige waardevolle componenten (allantoine, creatinine, creatine, etc.) uit urine van koeien worden geïsoleerd en gevaloriseerd.Een succesvol project draagt bij aan het verbeteren van de business case van veetelers en maakt de scheiding van urine en ontlasting in de stallen aantrekkelijker. Additionele revenuen die uit de bioraffinage van urine worden verkregen kunnen gebruikt worden om de gedane investeringen in het “koeientoilet” terug te verdienen. De scheiding van urine en ontlasting levert een significante reductie in ammoniak-emissies op en draagt hiermee bij aan het oplossen van het “stikstofprobleem”. Reductie van CO2 wordt o.a. bewerkstelligd door verminderd gebruik van kunstmest en vervanging van uit de petrochemie afkomstige chemicaliën (benzoëzuur) door synthese uit natuurlijke (hernieuwbare) grondstoffen.
Verduurzaming van de chemische en landbouwsector is essentieel om de klimaat- en circulaire doelstellingen te halen. Eén van de mogelijkheden om de chemische sector te vergroenen is om hernieuwbare grondstoffen als feedstock voor productie te gebruiken. Met name laagwaardige reststromen uit de agrarische sector komen hiervoor in aanmerking. In dit project wordt beoogd om koeienurine, die gescheiden is opgevangen van de ontlasting, te valoriseren richting hoogwaardige componenten voor (fijn)chemie en meststoffen. De focus zal in eerste instantie liggen op de isolatie van hippuurzuur en hieruit te synthetiseren benzoëzuur en glycine en de verwaarding van de resterende fractie richting natuurlijke meststoffen (kalium en ureum) voor de akker/tuinbouw. Het verkregen groene benzoëzuur is een goed alternatief voor het huidige uit de petrochemie gesynthetiseerde zuur en kan bijvoorbeeld als natuurlijk conserveringsmiddel in mengvoeders worden gebruikt. In een latere fase zullen ook overige waardevolle componenten (allantoine, creatinine, creatine, etc.) uit urine van koeien worden geïsoleerd en gevaloriseerd. Een succesvol project draagt bij aan het verbeteren van de business case van veetelers en maakt de scheiding van urine en ontlasting in de stallen aantrekkelijker. Additionele revenuen die uit de bioraffinage van urine worden verkregen kunnen gebruikt worden om de gedane investeringen in het “koeientoilet” terug te verdienen. De scheiding van urine en ontlasting levert een significante reductie in ammoniak-emissies op en draagt hiermee bij aan het oplossen van het “stikstofprobleem”. Reductie van CO2 wordt o.a. bewerkstelligd door verminderd gebruik van kunstmest en vervanging van uit de petrochemie afkomstige chemicaliën (benzoëzuur) door synthese uit natuurlijke (hernieuwbare) grondstoffen.
