Bio is goed. Chemisch is fout. Groen is goed. Grijs is fout. En Nederland moet van het gas af. Dat zijn populaire opvattingen in ‘klimaatbewuste’ kringen. Toch zijn er ‘chemische’ processen die ‘groene’ brandstof leveren. Methaanpyrolyse is er één van.
Bijna alle brandstoffen stoten CO2 uit
Alle brandbare stoffen waar koolstof in zit, geven bij verbranding aan de lucht kooldioxide (CO2) af aan de atmosfeer. Het maakt daarbij niet uit of die brandstof bestaat uit hout, biomassa, biogas of fossiele brandstof (turf, bruinkool, steenkool, aardolie, aardgas). De CO2 komt in de atmosfeer op het moment van verbranding. En wordt daar van nature maar voor de helft uitgehaald. De rest doet er honderden tot duizenden jaren over om weer uit de atmosfeer te verdwijnen.
Is het mogelijk om energie uit brandstoffen te winnen zonder dat er kooldioxide (CO2) in de atmosfeer komt? Dan mogen die brandstoffen ‘groen’ heten.
Al decennia wordt gesproken over afvang van CO2 bij verbrandingsprocessen in de industrie. Die CO2 zou dan ondergronds moeten worden opgeslagen in oude gasvelden. Dat proces wordt aangeduid met de Engelse benaming ‘Carbon Capture and Storage’ of CCS. Ondanks goede bedoelingen wordt deze techniek nog nauwelijks toegepast. Het is namelijk een techniek waarvoor grote investeringen nodig zijn. Het is een ingewikkelde techniek waarbij een groot deel van de bij verbranding opgewekte energie weer moet worden gebruikt om de CO2 af te vangen en op te slaan.
Inderdaad, bij CCS komt er (bijna) geen CO2 in de atmosfeer, ook al verbranden we fossiele en andere koolstofhoudende stoffen. Maar zijn deze activiteiten dan “groen”? Ja, zeggen sommigen. Zeker als je biobrandstoffen gebruikt en BECCS toepast. Dat staat voor Bio-Energy with Carbon Capture and Storage.
Toch is voorkomen beter dan genezen. Beter geen CO2 produceren dan CO2 afvangen en opslaan. Want het kan anders. Er is een alternatief dat niet nieuw is, maar dat mijn inziens veel te weinig aandacht krijgt in de politiek en de media in vergelijking tot (BE)CCS. Methaanpyrolyse.
Een grijze grondstof omzetten in een groene
Koolwaterstoffen zijn stoffen die – zoals de naam al aangeeft – bestaan uit koolstof én waterstof. Als we deze kunnen splitsen in waterstof en koolstof, dan kan de (gasvormige) waterstof op grote schaal worden gebruikt als schone brandstof en de (vaste) koolstof worden opgeslagen of zelfs nuttig worden gebruikt.
Het is makkelijker, goedkoper en veiliger om vaste koolstof op te slaan dan gasvormige CO2. Terwijl er voor de (zeer zuivere) koolstof oude (autobanden, drukinkt) en vele nieuwe toepassingen (koolstof elektroden, bodemverbetering) wachten.
Van alle koolwaterstoffen is de verhouding H/C in methaan (CH4, aardgas) het grootst. Het ligt dus voor de hand om bij voorkeur aardgas (boven andere koolwaterstoffen) te gebruiken als grondstof voor de productie van waterstof. Eén kubieke meter aardgas levert na directe splitsing (‘kraken’ of ‘de-carbonizeren’) twee kubieke meter waterstof op.
Ongeveer 56% van de verbrandingswarmte van aardgas is afkomstig uit het waterstofgedeelte, dat verbrandt tot stoom. De andere 44% komt uit de verbranding van het koolstofgedeelte, dat verbrandt tot CO2 (zie kader).
verbranding van aardgas:
CH4 (aardgas) + O2 (luchtzuurstof) –> 2 H2O (water) + CO2 (kooldioxidegas) + 890 kJ (per mol CH4)
verbranding van waterstof:
2 H2 (waterstof) + O2 (luchtzuurstof) –> 2 H2O (water) + 572 kJ (per 2 mol H2)
verbranding van kool:
C + O2 –> CO2 + 394 kJ (per mol CO2)
methaanpyrolyse:
CH4 + 76 kJ –> C (vast koolstofpoeder) + 2 H2 (waterstofgas) (kost 37,6 kJ per mol H2)
steam methane reforming (SMR):
CH4 (aardgas) + 2 H2O (water/stoom) + 253/163 kJ –> CO2 + 4 H2 (kost 63,3 kJ per mol H2)
Om de splitsing van aardgas op gang te krijgen moet het aardgas worden verhit tot 800-1000 °C. Dat proces heet methaanpyrolyse (splitsing door verhitting zonder toetreding van lucht en water). De benodigde hoge temperatuur kan worden opgewekt met gebundelde zonne-energie, elektriciteit of een andere warmtebron. Door het gebruik van katalysatoren kan de procestemperatuur worden verlaagd. De energiebalans voor dit (endotherme = energie opnemende) proces kan middels een plaatje worden weergegeven. Bron: Rodat et.al.(2010).
Methaanpyrolyse, een bekende technologie
Er wordt al dertig jaar geëxperimenteerd met verschillende manieren om de methaanpyrolyse op te schalen. Zie de hieronder aangegeven publicaties. Maar de belangstelling vanuit de industrie is minimaal.
Momenteel wordt waterstof (H2) voornamelijk in de chemische industrie gebruikt. En vrijwel de hele hedendaagse wereldproductie van waterstof (ongeveer 60 miljoen ton per jaar) wordt gemaakt met en uit fossiele brandstoffen. Dat wordt ‘grijze’ waterstof genoemd.
De petrochemische industrie heeft praktisch een monopolie op de productie van waterstof en heeft meer belang bij het (gesubsidieerd) ontwikkelen van CCS om aan de wens van een schonere productie te voldoen, dan om te investeren in andere (voorlopig duurdere) processen om waterstof te maken.
Het proces van steam reforming (SR) bestaat al bijna een eeuw, is vergaand geperfectioneerd en is nu de goedkoopste manier om waterstof te produceren. SR werd sinds de Tweede Wereldoorlog op grote schaal gebruikt om synthesegas (‘syngas’, ‘watergas’) te maken door verhitting van steenkool en stoom. Dat syngas, een mengsel van waterstof en koolmonoxide, heeft een breed scala van toepassingen in de (petro)chemische industrie. Het werd ook als ‘stadsgas’ vanuit locale gasfabrieken (cokesfabrieken) naar huishoudens gebracht. Totdat de ontdekking van de ‘bel van Slochteren’ tot een brandstof leidde die veiliger en schoner is: aardgas.
Zolang de oliemaatschappijen kunnen beschikken over grote hoeveelheden goedkoop aardgas, over de infrastructuur (raffinaderijen) om het SR-proces goedkoop toe te passen en over lege aardgasvelden om eventueel CO2 in op te bergen, is er geen economische prikkel om de waterstofproductie anders te doen dan via het SR-proces met gebruikmaking van aardgas en katalysatoren (steam methane reforming, SMR).
Waterstof maken zonder kooldioxide
Het SMR proces levert per kg waterstof ongeveer 10 kg CO2, die nu in de atmosfeer terecht komt. Wereldwijd betekent dat 500 megaton CO2 per jaar. Geen klimaatvriendelijk proces dus. Bij methaanpyrolyse kan die uitstoot tot bijna nul worden teruggebracht.
De vraag naar waterstof zal gaan stijgen door toepassingen buiten de chemische industrie. Waterstof heeft toekomst als schone transportbandstof, als tussentijdse energieopslag en als industriële en huishoudelijke brandstof die via het huidige aardgasnet kan worden gedistribueerd. Grootschalige productie van waterstof via elektrolyse van water is vooralsnog niet concurrerend met andere technieken, vanwege het hoge elektriciteitsgebruik van ongeveer 40 tot 53 kWh per kg waterstof. Het gemiddelde elektriciteitsgebruik van moderne electrolyzers ligt volgens een andere bron tussen de 4,3 tot 4,9 kWh per m3 ( = 90 gram) waterstof.
Investeringen in methaanpyrolyse zijn van groot belang, zodat deze uit het proefstadium kan komen. Zonder overheidssteun zal dat niet gauw gebeuren. Het best werkende instrument lijkt beprijzing van CO2 te zijn. Maar alleen al aandacht van de politiek zou de ontwikkeling steunen.
Min of meer toevallige proefprojecten zoals dat bij TNO gaan te traag. Als processen die CO2 in de atmosfeer brengen met een CO2-heffing worden belast, zal het SMR-proces uiteindelijk uit de markt worden geprijsd en worden schonere alternatieven economisch aantrekkelijker. ‘Groene’ waterstof uit aardgas verdient een betere toekomst.
Achtergrondinformatie over methaanpyrolyse is te vinden in onderstaande overzichtsartikelen. Veel van de daarin vermelde publicaties zijn direct in te zien of te downloaden via de website http://climatedata.nl
Muradov, N. (1993): ‘How to produce hydrogen from fossil fuels without CO2 emission’ , International Journal of Hydrogen Energy, 18(3), 211-215
Rodat, S., et.al. (2010): ‘A pilot-scale solar reactor for the production of hydrogen and carbon black from methane splitting’, International Journal of Hydrogen Energy, 35(15), 7748–7758
Yan, W., et.al.(2013): ‘Production of CO2-free hydrogen from methane dissociation: A review’, Environmental Progress & Sustainable Energy, 33(1), 213-219
Nikolaidis, P., et.al. (2017): ‘A comparative overview of hydrogen production processes’, Renewable and Sustainable Energy Reviews 67, 597-611
Muradov, N. (2017): ‘Low to near-zero CO2 production of hydrogen from fossil fuels: Status and perspectives’, International Journal of Hydrogen Energy, 42(20), 14058-14088
Nazir, H., et.al. (2020): ‘Is the H2 economy realizable in the foreseeable future? Part I: H2 production methods’ , International Journal of Hydrogen Energy (in press)
Philibert (2020): ‘Methane splitting and turquoise ammonia’, article on website Ammonia Energy Association
https://allesoverwaterstof.nl/waterstof-produceren-via-methaanpyrolyse
TNO. Methaanpyrolyse: waterstof maken zonder CO2-uitstoot.
Interessant? Lees dan ook:
Duurzame koolstof, de sleutel tot een duurzame chemische industrie
Denkfouten met CO2
Biozonnecellen: steeds een stap verder
Terzijde
Stelling 1950: de 70+’ers leveren behalve kwetsbaren ook de keerzijde van die medaille: de grote groep actieve doelgerichte doorzetters, de talloze bij de samenleving betrokken diehards en daarmee meer altruïstische medemensen dan andere cohorten. Waar we het maar wel van moeten hebben.
Hoe gaat het plaatje 1 er uitzien als er in plaats van de “gratis” zonne energie andere energiebronnen dienen te worden gebruikt en hoe gratis is eigenlijk die zonne energie? Die zonne energie vereist ook hardware en infrastructuur om aardgas en warmte tesamen te brengen. Als we in dit geval voor de “schone schijn” die kosten en eventuele CO2 vorming niet meetellen, maar wel bij iedere andere bron van warmte dan worden was alsnog gefopt en is deze Groene oplossing misschien veel grijzer.