Waterstof benutten: De belofte van katalytische methaanafbraak

Nu de wereld worstelt met de dringende noodzaak om onze energiesystemen koolstofvrij te maken, is waterstof naar voren gekomen als een veelbelovende schone brandstof van de toekomst. De huidige industriële waterstofproductiemethoden, zoals methaanreforming met stoom, zijn echter nog steeds sterk afhankelijk van fossiele brandstoffen en veroorzaken aanzienlijke kooldioxide-emissies. Maak kennis met katalytische methaanontleding (CMD) - een innovatief proces dat methaan direct omzet in waterstof en vaste koolstof, zonder CO2 te produceren. Deze baanbrekende technologie zou een cruciale rol kunnen spelen bij het mogelijk maken van een soepele overgang naar een op waterstof gebaseerde economie, terwijl broeikasgassen actief uit de atmosfeer worden verwijderd.

Het mechanisme van methaan kraken

In wezen gaat het bij CMD om de relatief eenvoudige chemische reactie waarbij methaanmoleculen (CH4) worden afgebroken tot waterstofgas (H2) en vaste koolstof:

CH4 → C + 2H2

Hoewel deze reactie kan plaatsvinden bij zeer hoge temperaturen rond 1300°C, maakt het gebruik van katalysatoren het mogelijk om de reactie uit te voeren bij veel lagere en meer praktische temperaturen tussen 450-750°C. Katalysatoren op basis van overgangsmetalen zoals nikkel, ijzer en kobalt vertonen de hoogste activiteit voor CMD. De reactie vindt plaats op het oppervlak van de katalysator, waarbij methaanmoleculen adsorberen en ontleden tot waterstofgas dat vrijkomt, terwijl koolstofafzettingen zich opbouwen op de katalysator.

Een van de belangrijkste voordelen van CMD is dat het geen COx-bijproducten produceert, wat resulteert in een zeer zuivere waterstofstroom die een minimale downstreamverwerking vereist. Het vaste koolstofnevenproduct kan mogelijk ook worden gebruikt in verschillende industriële toepassingen of veilig worden opgeslagen. Dit geeft CMD een aanzienlijk voordeel ten opzichte van conventionele waterstofproductiemethoden, zowel op economisch vlak als wat betreft de impact op het milieu, aangezien technologieën voor het afvangen en opslaan van koolstof steeds strenger gereguleerd en duurder worden.

Deactivatie van de katalysator overwinnen

De belangrijkste hindernis die een wijdverspreide toepassing van CMD tot nu toe in de weg heeft gestaan, is de snelle deactivering van de katalysator door koolstofafzetting. Wanneer koolstofafzettingen zich ophopen, blokkeren ze uiteindelijk de actieve sites op het katalysatoroppervlak, waardoor de waterstofproductie daalt. Onderzoekers hebben verschillende strategieën onderzocht om de stabiliteit van de katalysator te verbeteren:

Combineren van meerdere metalen: Bimetaalkatalysatoren zoals Ni-Fe en Ni-Cu hebben een betere stabiliteit laten zien dan monometaalversies.

Optimaliseren van dragers: Katalysatordragers zoals SiO2 en Al2O3 spelen een cruciale rol in metaaldispersie en koolstofdiffusie.

Regeneratie: Het periodiek verwijderen van koolstofafzettingen door vergassing met stoom, CO2 of waterstof kan gebruikte katalysatoren reactiveren.

Nieuwe reactorontwerpen: Wervelbedreactoren maken continue koolstofverwijdering mogelijk en zijn veelbelovend voor stabiele werking op lange termijn.

Met voortdurend onderzoek en optimalisatie kan het bereiken van duizenden uren stabiele waterstofproductie via CMD binnenkort binnen bereik komen. Het door de EU gefinancierde STORMING-project onderzoekt innovatieve gestructureerde reactorontwerpen die worden verwarmd door hernieuwbare elektriciteit om de levensvatbaarheid van de CMD-technologie verder te verbeteren.

Reactorconfiguraties voor opschaling

Naarmate CMD dichter bij commerciële levensvatbaarheid komt, wordt reactortechniek cruciaal voor waterstofproductie op industriële schaal. Er zijn verschillende reactortypes onderzocht:

Wervelbedreactoren: Deze maken een gemakkelijke verwijdering van koolstofproducten mogelijk en handhaven een uniforme temperatuur. Variaties zoals tweefasige wervelbedden hebben een langere levensduur van de katalysator aangetoond.

• Plasmareactoren: Het gebruik van plasma kan de vereiste temperatuur verlagen, maar heeft te lijden onder een slechte waterstofselectiviteit.
• Gesmolten metaalreactoren: Vloeibare metalen katalysatoren maken een gemakkelijke koolstofscheiding mogelijk, maar vereisen nog steeds zeer hoge temperaturen.
• Membraanreactoren: De integratie van waterstofselectieve membranen kan de reactie naar hogere omzettingen leiden.

De meest veelbelovende configuratie zal waarschijnlijk een combinatie zijn van wervelbedwerking met geoptimaliseerde katalysatoren en in-situ regeneratiemogelijkheden. Een zorgvuldig reactorontwerp is essentieel om een evenwicht te vinden tussen methaanconversie, katalysatorstabiliteit en eenvoudige koolstofverwijdering.

Economische levensvatbaarheid en toekomstperspectieven

Recente technisch-economische analyses schatten de kosten van waterstofproductie via CMD op ongeveer 1,7-1,85 €/kg H2 bij gebruik van aardgas als grondstof. Dit is al concurrerend met stoommethaanreforming (1,4 €/kg H2) als de kosten voor koolstofafvang worden meegerekend. CMD wordt nog aantrekkelijker naarmate de koolstofbelastingen stijgen, en kan de meest economische route worden voor waterstofproductie op grote schaal.

Bovendien opent mijngas interessante mogelijkheden voor koolstofnegatieve waterstofproductie. Door biogas of synthetisch methaan uit atmosferisch CO2 te gebruiken, zou het proces actief broeikasgassen kunnen verwijderen en tegelijkertijd schone waterstofbrandstof genereren. Vroege schattingen suggereren dat dit haalbaar is voor slechts 2,1 €/kg H2 - een kleine premie voor een enorm milieuvoordeel.

Het vaste koolstofbijproduct van CMD heeft ook een economisch potentieel. Terwijl het momenteel wordt gewaardeerd op minder dan 100 €/ton als basis vulmateriaal, zouden meer geavanceerde koolstofnanostructuren veel hogere prijzen kunnen opleveren in speciale toepassingen. Het optimaliseren van de koolstofkwaliteit naast de waterstofopbrengst zal de sleutel zijn tot het maximaliseren van de totale rendabiliteit.

Naarmate de waterstofeconomie vorm krijgt, is CMD klaar om een vitale rol te spelen bij het leveren van goedkope waterstof met een lage uitstoot aan sectoren als de zware industrie, langeafstandstransport en energieopslag op netwerkschaal. Met zijn vermogen om gebruik te maken van bestaande aardgasinfrastructuur zonder CO2-uitstoot, biedt CMD een pragmatische brug tussen fossiele brandstoffen en volledig hernieuwbare waterstof. De voortdurende vooruitgang van katalysator- en reactortechnologieën belooft het volledige potentieel van dit elegant eenvoudige maar krachtige proces te ontsluiten.

De reis naar duurzame energie is complex, maar katalytische methaanontleding schijnt als een baken van innovatie - en opent nieuwe mogelijkheden voor schone waterstofproductie en koolstofmanagement. In ons streven om ambitieuze klimaatdoelstellingen te halen, zou CMD wel eens een cruciaal stukje van de decarbonisatiepuzzel kunnen blijken te zijn.

Bron: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032120307516