Thema

 

Turquoise waterstof

De doorbraak van waterstof als schone energiedrager en grondstof lijkt nabij. Probleem is echter de CO2-uitstoot bij productie. Dat is te reduceren door na het traditionele proces kooldioxide af te vangen en ondergronds op te slaan: ofwel de blauwe variant. Of met groene waterstof, via elektrolyse van water. En er is nog een derde, minder bekende optie. Met methaanpyrolyse wordt waterstof uit aardgas gemaakt met koolstof – en niet CO2 – als waardevol bijproduct. Noem het de turquoise variant. BASF, Shell en ook TNO zien mogelijkheden.

Wim Raaijen

geanimeerde-knop

Momenteel gebruikt de industrie al veel waterstof. Onder andere voor de ontzwaveling van brandstoffen en denk ook aan de productie van ammoniak. Daar wordt dan bijvoorbeeld kunstmest van gemaakt. Deze waterstof wordt tegenwoordig met name gemaakt uit aardgas via steam methane reforming. Dit wordt grijze waterstof genoemd, maar volgens experts zou je het gerust ook diepzwart kunnen noemen. Aardgas wordt bij deze route immers zowel als grondstof als energiebron gebruikt. Zodoende worden enorme hoeveelheden aardgas gebruikt en heel veel CO2 de atmosfeer in gestuurd. Bij productie van een ton waterstof komt maar liefst negen ton CO2 vrij. Met de huidige klimaat-ambities komt deze route daarom steeds meer onder druk te staan. Kunstmestfabrikanten als Yara in Sluiskil en OCI Nitrogen in Geleen, maar ook volledige industriële clusters als Rotterdam, Geleen en de Eemsdelta zijn daarom op zoek naar andere routes.

Grootschalig
Wereldwijd wordt momenteel veel onderzoek gedaan naar schonere methoden om waterstof te produceren. Op de korte termijn zetten veel bedrijven in op blauwe waterstof, waarbij CO2 bij de schoorsteen wordt afgevangen en ondergronds (CCS) wordt opgeslagen, bijvoorbeeld in uitgeproduceerde olie- en gasvelden. Niet bijzonder elegant volgens velen, maar als we de klimaatdoelen van Parijs en van het concept Klimaatakkoord willen halen, kan weinig worden uitgesloten. Ook CCS niet.
Voor de langere termijn wordt veel verwacht van de elektrolyse van water. De groene route, mits daar natuurlijk duurzaam opgewekte stroom voor wordt gebruikt. Verschillende partijen, waaronder Nouryon en Gasunie, hebben de eerste investeringen in groene waterstoffabrieken inmiddels aangekondigd. Voor een grootschalige toepassing is echter nog veel meer nodig. Zo is een enorme groei aan windmolens en zonnepanelen vereist. Bovendien is deze route nog erg duur. Volgens verschillende onderzoeken kan groene waterstof pas tegen 2030 een significante rol gaan spelen.

Optimistische boodschap
Er is nog een derde optie. Een relatief onderbelicht alternatief is methaanpyrolyse. Met een beetje fantasie zou je dit de turquoise route kunnen noemen, een menging van blauw en groen. Aardgas is nog steeds de voornaamste grondstof, naast mogelijk biomethaan. De uitstoot kan echter enorm worden gereduceerd en zelfs geneutraliseerd.
Bij deze technologie wordt bij hoge temperatuur bijvoorbeeld in een gesmolten metaallegering methaan gesplitst tot waterstof en pure koolstof. Zonder dat er dus koolstofdioxide wordt gevormd. Naast deze vermeden emissie wordt bovendien extra waarde gecreëerd met het bruikbare koolstof. De toepassingen zijn divers. Denk daarbij aan additief voor staal, vulmiddel in autobanden, grafiet, kleurstof en bodemveredelaar. Een potentiële groeimarkt. Een bijkomend voordeel van deze turquoise route is dat ook de CO2-emissie die vrijkomt bij de traditionele productie van de koolstof wordt voorkomen.
Internationaal doen veel partijen vooral in de luwte onderzoek naar deze route. De tijd lijkt nu echter rijp om met de resultaten naar buiten te treden. Zo maakte chemiereus BASF onlangs bekend dat ze serieus de optie met methaanpyrolyse onderzoekt, samen met onder andere gassenproducent Linde, staalbedrijf Thyssenkrupp en verschillende Duitse onderzoeksinstellingen.
Voor BASF is het een van de beoogde routes van het concern om de komende decennia CO2-neutraal te groeien. Volgens het chemieconcern gebruikt zijn variant ongeveer een kwart meer energie dan het traditionele steam methane reforming. De groene, elektrochemische weg vraagt om echter een tienvoud, stellen onderzoekers van het concern. BASF bereidt inmiddels de volgende stappen in het onderzoek voor. Over enkele jaren moeten de eerste proeffabrieken worden gebouwd. Commerciële toepassing wordt in de jaren na 2025 verwacht.
Ook Shell lijkt zeer geïnteresseerd in de blauw-groene waterstofroute. Het concern werkt daarbij nauw samen met onderzoekers van de University of California Santa Barbara. Een ruim jaar geleden kwam deze universiteit met een optimistische boodschap naar buiten. Onderzoeker Eric McFarland stelde dat de toevoeging van een katalysator het haalbaar maakt om op prijs te kunnen concurreren met steam methane reforming. En sowieso goedkoper dan elektrolyse. Daarbij is een eventuele toekomstige CO2-taks niet eens in de berekening meegenomen.

De molten metal technologie van TNO voor de productie van waterstof en zuivere koolstof uit methaan.

Een relatief onderbelicht alternatief is methaanpyrolyse. Met een beetje fantasie zou je dit de turquoise route kunnen noemen.

(c) Pxhere

Lees meer: Waterstofproductie bij de pomp

Een belangrijke uitdaging voor het rijden op waterstof is de nog ontbrekende infrastructuur. Dat kan volgens Constant van Lookeren Campagne grotendeels met het bestaande gasnet worden opgelost. Het doel van zijn Drive Down project is om bestaande tankstations uit te rusten met een installatie voor methaanpyrolyse. Methaan kan als aardgas door het bestaande net worden aangevoerd. Wordt duurzame elektriciteit gebruikt voor de reactie dan is de CO2-uitstoot nihil. Gebruikt de installatie biogas uit bijvoorbeeld mest of zeewier, dan is de CO2- uitstoot zelfs negatief.

De geproduceerde waterstof kan worden getankt door waterstofauto’s. Bovendien kan het decentraal worden omgezet in elektriciteit voor elektrische auto’s. De pyrolyse-unit levert naast waterstof ook zuivere koolstof dat een interessante marktwaarde heeft als grondstof voor elektrodes, als bodemveredelaar, kleurstof of als toevoeging aan asfalt, rubber en staal.

Onderzoeker Rajat Bhardwaj met een buis met gesmolten metaal. Rajat is de wetenschapper die bij TNO volledig aan deze methaanpyrolyse werkt. (c) TNO

‘De molten metal technologie kan een oplossing zijn om met de beperkte hoeveelheid wind- en zonne-energie grote hoeveelheden waterstof te produceren.’

Modulair
Dichterbij huis is ook TNO sinds begin vorig jaar bezig met de doorontwikkeling van methaanpyrolyse. ‘Net als heel veel andere partijen. BASF, Shell, maar ook bijvoorbeeld Gazprom en verschillende andere multinationals zijn er mee bezig. Momenteel spreken wij met verschillende geïnteresseerde productiebedrijven’, stelt Willem Frens van het onderzoeksinstituut. Hij en professor Earl Goetheer (TNO en TU Delft) zijn zeer positief over de mogelijkheden van het proces.
Het lijkt allemaal in een stroomversnelling te komen. Goetheer: ‘Rond 2021 willen wij een pilot-installatie bouwen en niet lang daarna kan commerciële toepassing volgen. Opschalen is bij deze technologie namelijk niet bijzonder ingewikkeld. Je moet je voorstellen dat de reactie plaatsheeft in een bad van ongeveer 900 graden Celsius met gesmolten metaal. Je kunt er meerdere in een fabriek neerzetten en elk molten metal bad is hetzelfde. Fabrieken kun je zodoende modulair opbouwen en uitbreiden.’
En het is ook geen rocket science. Een dergelijke fabriek heeft bovendien veel gelijkenis met inmiddels bestaande installaties, denk aan de productie van aluminium. Bij Aldel Delfzijl wordt bijvoorbeeld aluminium geproduceerd in hete elektrolytische baden.

Filter
De kern van de technologie is bij de verschillende onderzoeksteams hetzelfde. Gesmolten metaal vormt de basis van de reactor. Dat wordt gebruikt als katalysator. Denk daarbij aan nikkel, platina of palladium. Het metaal wordt opgelost in een metaal dat katalytisch inert is en een lager smeltpunt heeft. Dat kan indium, gallium, tin, lood of bismut zijn. Over het algemeen heeft zo’n combinatie een nog lager smeltpunt dan de losse componenten.
Voer je methaan hier doorheen, dan komt de waterstof er vanzelf bovenuit. Koolstof is lichter dan de meeste metaallegeringen en komt daardoor bovendrijven, waarna je het er min of meer vanaf kunt scheppen. ‘Op dat vlak hebben we bij TNO wel een extra stap gezet’, stelt Goetheer. ‘Wij kunnen zuivere koolstof leveren door het goed te scheiden van het gesmolten metaal. Daardoor kan het waardevoller zijn voor verschillende toepassingen van de koolstof. Bij veel toepassingen is vervuiling met metaaldeeltjes niet gewenst. Bovendien wil je ook zuinig omspringen met het metaal.’
De TNO-onderzoekers hebben daarom boven het gesmolten metaal een extra zoutlaag aangebracht, zwaarder dan koolstof maar lichter dan het metaal. Als een filter. Boven de zoutlaag ontstaat zodoende de koolstof. Dat is er gemakkelijk van af te scheppen en extra te filteren. Goetheer: ‘Het is een eenvoudige en efficiënte oplossing. Er worden elders ook andere mogelijkheden onderzocht, bijvoorbeeld plasma’s, maar die kosten veel energie.’

Fluctueren
Voor het proces van methaanpyrolyse is nog steeds energie nodig, om de baden met gesmolten metaal te verhitten. Voordeel is wel dat hiervoor ook stroom kan worden ingezet. Als deze duurzaam is opgewekt, dan is de totale CO2-uitstoot dus nihil. Willem Frens: ‘En je hebt per waterstofmolecuul beduidend minder energie nodig dan bij steam methane reforming, dan wel bij elektrolyse van water, waardoor het proces zeer competitief is. Daarom zou de molten metal technologie een oplossing kunnen zijn om met de beperkte hoeveelheid wind- en zonne-energie de grote hoeveelheden waterstof te produceren die nodig zullen zijn.’

Carbon black
Voor de industrie biedt methaanpyrolyse helemaal interessante mogelijkheden in clusters waar zowel een grote vraag naar waterstof als koolstof is, zoals bijvoorbeeld in Nederland. Daar waar bijvoorbeeld de staalindustrie en de chemie op een steenworp afstand van elkaar liggen. Denk bijvoorbeeld ook aan Rotterdam, waar raffinaderijen waterstof gebruiken om brandstoffen te ontzwavelen en waar ook een bedrijf als Cabot carbon black produceert. En wat te denken van de Eemsdelta waar een bedrijf als BioMCN al een beginnetje heeft gemaakt met de productie van methanol uit waterstof en CO2, terwijl iets verderop PPG carbon black produceert. Dat is ook het gebied waar inmiddels veel duurzaam opgewekte stroom aan land komt. Bovendien is Groningen ook een knooppunt van de gasinfrastructuur, dat straks mogelijk ook waterstof naar de verschillende industriële clusters in Nederland, Vlaanderen en Duitsland kan transporteren. Turquoise waterstof en koolstof bieden in ieder geval mogelijkheden voor nieuwe combinaties.

Video
Share

Your name

Your e-mail

Name receiver

E-mail address receiver

Your message

Send

Share

E-mail

Facebook

Twitter

Google+

LinkedIn

Sign up

Sign up