Nul Uitstoot van Koolstofdioxide! Nieuwe Methode Produceert Ammonia-Gebaseerde Schone Waterstof

Wetenschappers hebben een nieuwe technologie geïntroduceerd voor het produceren van schone waterstof uit ammoniak zonder fossiele brandstoffen, waarmee een milieuvriendelijk alternatief wordt geboden voor waterstofvoertuigen en veelbelovende toepassingen in duurzame energie en transport. Deze afbeelding toont de 1e koolstofvrije ammoniakontledingsreactor. Credits: Korea Institute of Energy Research

Het KIER heeft een historische mijlpaal bereikt in Korea door met succes waterstof van uitzonderlijke zuiverheid uit ammoniak te produceren, waarbij in het proces de uitstoot van koolstofdioxide volledig wordt uitgeschakeld.

Het onderzoeksteam van dr. Jung Unho bij de afdeling waterstofonderzoek van het Korea Institute of Energy Research (KIER) heeft de eerste schone waterstofproductietechnologie van Korea ontwikkeld. Deze innovatieve benadering is gebaseerd op ammoniakontleding en maakt geen gebruik van fossiele brandstoffen. De doorbraak van het team zou de weg kunnen banen naar een duurzamere en milieuvriendelijkere energiebron. Hierdoor kan waterstof van hoge zuiverheid worden geproduceerd die voldoet aan internationale normen voor waterstofvoertuigen, zonder de uitstoot van koolstofdioxide die wordt geproduceerd door het gebruik van fossiele brandstoffen.

Ammoniak, een verbinding van waterstof en stikstof, heeft een waterstofopslagdichtheid die 1,7 keer hoger is dan die van vloeibare waterstof en trekt aandacht als de meest kosteneffectieve methode voor het transporteren van waterstof. In het bijzonder, omdat het al meer dan 100 jaar wordt gebruikt in verschillende velden zoals kunstmest, is het voorzien van infrastructuur, afhandeling en veiligheidsnormen. Het wordt beschouwd als de meest praktische oplossing om problemen met waterstofopslag en -transport aan te pakken.

Basale principes van ammoniak-gebaseerde koolstofvrije waterstofproductietechnologie (boven). Vergelijking van bestaande technologie en KIER-technologie (onder). Credits: Korea Institute of Energy Research

Ammoniak bestaat alleen uit waterstof en stikstof, dus er komt geen koolstof vrij bij het scheiden van de waterstof. Het ontledingsproces vereist een toevoer van warmte-energie van meer dan 600℃, en momenteel worden fossiele brandstoffen gebruikt, wat leidt tot de uitstoot van koolstofdioxide. Daarom moet, om schone waterstof te produceren, een koolstofvrije energiebron worden gebruikt, zelfs in het proces van het ontleden van ammoniak.

Door gebruik te maken van de kleine hoeveelheden waterstof en ammoniak die overbleven van de ontledingsreactie, waren de onderzoekers in staat om waterstof te produceren zonder het gebruik van fossiele brandstoffen.

Onderzoekers Jung Unho, Koo Kee Young, Park Youngha van rechts. Credit: Korea Institute of Energy Research

Om zuivere waterstof uit ammoniak te genereren, wordt de ontleding van ammoniak uitgevoerd bij een temperatuur boven 600℃ met behulp van een ruthenium (Ru) katalysator, gevolgd door de zuivering van waterstof door drukwisseladsorptie (PSA) technologie. Tijdens deze methode wordt een residu-gasmengsel van stikstof en waterstof gevormd en opnieuw gebruikt als verwarmingselement voor de ammoniakontledingsreactor. Desondanks biedt het resterende gas alleen niet voldoende reactiewarmte, dus er moet extra warmte worden toegevoegd.

In het geval van bestaande technologie wordt onvoldoende reactiewarmte aangevuld met fossiele brandstoffen zoals aardgas (LNG) of vloeibaar petroleumgas (LPG), dus koolstofdioxide wordt uitgestoten tijdens de verbranding. Met het deze keer ontwikkelde systeem echter kan door het leveren van ammoniak in plaats van fossiele brandstoffen de reactiewarmte worden geleverd en kunnen koolstofdioxide-emissies bij de bron worden geblokkeerd.

Met het ontwikkelde systeem wordt meer dan 99,97% zuivere waterstof geproduceerd, wat kan worden toegediend aan brandstofcellen voor waterstof-elektrische voertuigen, met 5Nm3 (ongeveer 0,45 kg) per uur. Bovendien heeft de geproduceerde waterstof een onzuiverheidsconcentratie van minder dan 300 ppm voor stikstof en minder dan 0,1 ppm voor ammoniak. Het voldeed aan ISO 14687, de internationale norm voor waterstof-gevoede elektrische voertuigen.

Waterstofproductiesysteem op basis van ammoniak met 1 kW klasse PEM brandstofcel. Credit: Korea Institute of Energy Research

Het onderzoeksteam heeft een belangrijke mijlpaal bereikt door een 1kW brandstofcel systeem te demonstreren voor gebouwen die stroom opwekken zonder het uitstoten van koolstofdioxide, met behulp van waterstof geëxtraheerd uit ammoniak. Deze demonstratie, uitgevoerd in samenwerking met Doosan Fuel Cell Power BU (Business Unit), is van groot belang omdat het het probleem van de uitstoot van koolstofdioxide overwint, dat als een nadeel werd beschouwd van op aardgas (LNG) gebaseerde brandstofcelsystemen. Het laat het potentieel zien om stroom op te wekken met behulp van schone waterstofbrandstofcellen.

According to lead researcher Dr. Jung Unho, the newly developed technology holds great significance as it allows for carbon-free hydrogen production using ammonia, filling a previous gap in this area. There is an expectation that it will find practicality in diverse areas that use clean hydrogen. In his remarks, he went on to say, “The combining of ammonia and fuel cells presents a viable option for powering eco-ships. And as we scale up, we can also make a significant impact in the clean hydrogen power sector.”

Meanwhile, this research was conducted with the support of Korea Southern Power Co., Ltd. (KOSPO).