productie van turquoise waterstof
door middel van de pyrolyse van methaan
Naast grijze waterstof - via steam methane reforming - blauwe waterstof - de gevormde CO2 bij de schoorsteen afvangen en ondergronds opslaan - en groene waterstof - elektrolyse van water met duurzame stroom - is er nu ook turquoise waterstof. Chemiegigant BASF is in een proeffabriek bezig deze verder te ontwikkelen, om zodoende zijn toekomstige CO2-doelstellingen te behalen.
Turquoise waterstof
Turquoise waterstof is waterstof geproduceerd via methaanpyrolyse in een gesmolten metaalbad - in de reactor (zie figuur 1) - dat als katalysator dient. Daarin vindt de volgende endotherme (DHR = 76 kJ/mol) reactie plaats:
Methaan splitst in waterstof en koolstof, zonder dat er kooldioxide ontstaat. Het gesmolten metaal (zie figuur 4) bestaat uit de katalysator nikkel, platina of palladium, dat zich bevindt in een katalytisch inert metaal met een lager smeltpunt (indium, gallium, tin, lood of bismut). Deze legering heeft dan een nog lager smeltpunt dan de losse componenten. Het metaalbad heeft een temperatuur van 900 °C. De methaan die tot koolstof en waterstof reageert borrelt daarin op. De waterstof en niet omgezette methaan ontsnappen boven uit de reactor (zie figuur 2). De koolstof is niet mengbaar met metaallegeringen en is lichter dan de metalen in het metaalbad zodat het gaat drijven op de metaallaag. Via afschraping is het mogelijk om dit te winnen. Daarbij kan het verontreinigd raken met metalen uit de katalysatorlaag, wat bij sommige toepassingen ongewenst is. Bovendien gaat er zo katalysator verloren. Bij TNO hebben ze daarom op de katalysator een zoutlaagje aangebracht dat als een soort filter werkt. Deze zoutlaag is lichter dan het metaal en zwaarder dan de koolstof. Hierdoor komt de koolstof boven op de zoutlaag drijven, waar het van kan worden afgeschraapt. De koolstof geraakt dan wel verontreinigd met wat zout.
Reiniging koolstof
De reiniging van het geproduceerde koolstof (zie figuur 3) gebeurt door het te wassen met water, gevolgd door filtratie en drogen, waarna de verkregen zoutoplossing wordt opgewerkt tot gesmolten zout dat wordt gerecirculeerd naar de zoutlaag bovenop het metaalbad.
Toepassingen voor de geproduceerde koolstof zijn: additief voor staal, vulmiddel in autobanden, grafiet, kleurstof of bodemveredelaar. Boven uit de reactor komt een mengsel van waterstof en niet omgezette methaan dat van elkaar wordt gescheiden. De waterstof is naast de koolstof het eindproduct en de methaan wordt opnieuw gerecirculeerd naar de reactor, na menging met voorverwarmde verse methaanvoeding (zie figuur 2).
Opschaling van het proces
Het proces laat zich makkelijk opschalen door het bijplaatsen van extra metaalbaden. Elk metaalbad is daarbij hetzelfde. Fabrieken kun je op die manier modulair opbouwen en uitbreiden. Bovendien kost het proces acht keer minder energie dan de elektrolyse van water (groene waterstof) en is daardoor goedkoper. De verhitting van de metaalkatalysator kan elektrisch plaatsvinden met duurzame energie. Er komt dan verder helemaal geen kooldioxide vrij bij de waterstofproductie. Het voordeel van een vloeibaar katalysatormetaal is dat de deactivatie niet snel gebeurt, omdat er geen ondoordringbare laag koolstof op blijft plakken. De toevoeging van een katalysator maakt het mogelijk om op prijs te concurreren met methane steam reforming. Daarbij is de prijs van de kooldioxide-emissie niet eens meegerekend.
De voordelen
De voordelen zijn verder dat er grote hoeveelheden waterstof voor bijvoorbeeld de ammoniakfabricage uit de aangeleverde methaan kan worden gemaakt en dat de methaan op deze wijze zijn waarde blijft behouden doordat het zo een schone grondstof wordt voor de procesindustrie. Landen met veel gas kunnen hun reserves methaan omzetten in emissievrije waterstof.
Commerciële toepassing
In Ludwigshaven bouwt chemiegigant BASF een proefinstallatie voor de pyrolyse van methaan. Dit jaar wordt de proefinstallatie in gebruik genomen. Na 2025 volgt mogelijk een commerciële opschaling. Nog meer internationale bedrijven hebben interesse. Het betreft hier onder andere het Amerikaanse chemiebedrijf Cabot, dat vooral geïnteresseerd is in het bijproduct koolstof. De meeste bedrijven hebben interesse voor de geproduceerde waterstof, die bijvoorbeeld inzetbaar is bij ammoniakproducties.
Samenvatting
Turquoise waterstof is een bijproduct van de thermische ontleding van methaan. Voorwaarden voor de CO2-neutraliteit van dit type waterstof is een voeding van de benodigde hogetemperatuurreactor met hernieuwbare energie én de productie van vaste koolstof in plaats van CO2.
