‘Groene’ kunstmest stapje dichterbij

De productie van ammoniak is een belangrijke bron van CO₂-uitstoot. De molecule doet onder meer dienst als bouwsteen voor de chemische industrie en als ingrediënt van kunstmest. Zo’n twee procent van de wereldwijde CO₂-uitstoot is te wijten aan ammoniaksynthese. In de Vlaamse chemische sector is het proces goed voor vijftien procent van de uitstoot. Antwerpse en Leuvense onderzoekers stellen in het vakblad Angewandte Chemie een alternatief productieproces voor, zonder uitstoot.

Ammoniakproductie verloopt klassiek via het Haber-Boschproces. Een mengsel van stikstofgas en waterstofgas wordt daarbij onder hoge druk en bij hoge temperatuur omgezet in ammoniak. De Duitsers Fritz Haber en Carl Bosch werden in 1918 voor hun ontdekking bekroond met de Nobelprijs. Kunstmest maakte hogere landbouwopbrengsten en bevolkingsgroei mogelijk. Volgens sommige berekeningen hebben ruim 3 miljard mensen hun leven te danken aan kunstmest. Het waterstof dat bij het Haber-Boschproces wordt gebruikt, wordt gewonnen uit aardgas, en daarbij komt CO₂ vrij. Daarnaast vreet ook de benodigde hoge temperatuur energie.

De Belgische wetenschappers willen het over een andere boeg gooien. In een eerste stap willen ze een plasma gebruiken om de sterke bindingen tussen stikstofmoleculen in stikstofgas (N₂) te breken. De bliksem en de zon zijn voorbeelden van natuurlijke plasma’s. Dichter bij huis vinden we het in plasma-tv’s en neonverlichting. Een plasma is een geïoniseerd gas. In een gas houden de positief geladen atoomkernen en de negatief geladen elektronen errond elkaar in evenwicht. Door energie toe te voegen aan een gas – bijvoorbeeld door het op te warmen – worden sommige elektronen losgeslagen en bewegen geladen deeltjes (ionen) en elektronen vrij rond. Dat maakt een plasma erg reactief. Het is daarmee geschikt voor chemische omzettingen waarvoor veel energie nodig is, zoals het breken van de stikstofbindingen. Een reactie met zuurstof levert vervolgens stikstofoxides (NO_x) op.

In een volgende stap maken de onderzoekers gebruik van filters die in de auto-industrie worden gebruikt om stikstofoxiden uit uitlaatgassen te filteren. ‘In de autosector zet men die gassen om in het onschadelijke N₂’, zegt Johan Martens (KU Leuven). ‘Wij hebben een bestaande filter aangepast, zodat die de NO_x-moleculen omzet in ammoniak.’

Het hele proces bevindt zich nog maar in de conceptfase. ‘Beide delen van het proces werken effectief al afzonderlijk’, zegt Annemie Bogaerts die aan de UAntwerpen plasma-onderzoek leidt. ‘We willen beide processen nu combineren in de praktijk en vervolgens opschalen. Ook willen we de energie-efficiëntie en rendementen verbeteren.’ Volgens de onderzoekers is voor hun ammoniaksynthese alvast vier keer minder energie nodig dan soortgelijke processen die ammoniak produceren met plasmatechnologie.

‘Wanneer de plasmareactoren op duurzame elektriciteit werken, stoot het proces geen CO₂ uit’, zegt Bogaerts. ‘Je hebt enkel lucht en water nodig, en geen aardgas voor waterstofproductie.’

De nieuwe productiemethode vraagt wel tot negen keer meer energie dan het klassieke Haber-Boschproces. Daar staat volgens de onderzoekers tegenover dat het Haber-Bosch proces enkel rendabel is op grote schaal, terwijl hun proces makkelijker op kleine schaal toepasbaar is. ‘Plasmatechnologie kan lokaal, met kleine installaties worden ingezet’, zegt Martens. ‘Zodat boeren in afgelegen gebieden hun eigen meststoffen kunnen produceren.’

Daar zullen we wel nog even op moeten wachten. ‘Vijf à tien jaar is een courante termijn’, zegt Martens. ‘Opschaling gaat altijd gepaard met risico’s. Maar hier combineren we twee mature technologieën die elk afzonderlijk hun sporen al hebben verdiend.’