In de energietransitie krijgt elektrolyse van water om waterstof te produceren veel aandacht, maar er is nog een veelbelovende technologie, die uitgaat van methaan, om duurzame waterstof te maken. Het omzetten van methaan naar waterstof en koolstof kan namelijk veel voordelen hebben in een toekomstig energiesysteem. Onderzoekers van het lectoraat Sustainable Energy Systems van Hogeschool Saxion in Enschede kijken of deze methodes op termijn haalbaar en rendabel kunnen zijn.  

Het splitsen van methaan lijkt erg op het splitsen van water; je voegt er energie aan toe tot je waterstofgas en vaste koolstof overhoudt. Dit kan door methaan met behulp van een plasma bij temperaturen boven de 1000 °C uit elkaar te laten vallen. Dan heet het plasmalyse. Het kan ook onder invloed van een katalysator, dan heet het pyrolyse. Beide technieken staan in Europa nog in de kinderschoenen, maar in de Verenigde Staten produceert de Monolith Hydrogen fabriek in Nebraska al sinds 2021 waterstof met plasmalyse. Hoog tijd dus om hier in Europa ook verder in te duiken, dacht associate lector Simon Hageman. ‘Ik doe onderzoek naar het maken van biogas, en werk daarin veel samen met mijn collega Benno Aalderink die gespecialiseerd is in waterstof. De decompositie van methaan naar waterstof is een mooi grensvlak tussen onze disciplines.’ 

‘Je kunt overtollige elektrische energie en biogas in de zomer omzetten en er zo toch wat nuttigs mee doen’

Simon Hageman 

Er zitten volgens docent-onderzoeker Margot Olde Nordkamp, ook verbonden aan Hogeschool Saxion, veel voordelen aan deze relatief nieuwe manier van waterstof produceren. ‘Het grootste voordeel is dat je minder elektriciteit verbruikt’, zo legt ze uit. ’Plasmalyse kost maar 15 kilowattuur per kilo waterstof, ten opzichte van 50 tot 60 kilowattuur bij water elektrolyse. Je hebt bovendien niets anders nodig dan methaan, dus geen zoet water of edelmetalen, en er komt net als bij elektrolyse geen CO₂ bij vrij. Je kunt een hele keten zelfs CO₂ neutraal of negatief maken door biogas te gebruiken dat uit duurzame bronnen is gemaakt, zoals planten die CO₂ hebben opgenomen.’ 

[Lees verder onder de afbeelding]

Handige buffer 

Vooral dat laatste was voor Hageman een heel interessant aanknopingspunt. ‘Er zijn steeds meer manieren om biogas te maken van reststromen. Maar biogas opslaan is niet zo handig, daar heb je allerlei opslagsystemen en drukhouders voor nodig. Als je het gas omzet in waterstof en koolstof kun je het waterstof gebruiken voor energie of, in de toekomst, met een leiding het waterstofgasnet in sturen. De vaste koolstof kun je makkelijk ergens opslaan.’ En dit soort systemen zijn ook handig als buffer. ‘Je kunt overtollige elektrische energie en biogas in de zomer omzetten en er zo toch wat nuttigs mee doen’, aldus Hageman. Het grootste obstakel voor de verdere ontwikkeling en toepassing van de decompositietechnieken is momenteel de kostprijs. Olde Nordkamp: ‘De kostprijs van een kilo waterstof die je met fossiele bronnen maakt is lager dan een kilo waterstof uit duurzame bronnen. Dus we moeten manieren vinden om het proces rendabel te maken, en we richten ons daarom ook op de koolstof als eindproduct.’  

‘Het in- en uitschakelen van deze technieken is veel flexibeler dan voor elektrolysers’

Simon Hageman 

De vaste koolstof die uit het proces komt heeft veel potentie, denkt Hageman. ‘We willen van fossiele koolstof af, dus we moeten nieuwe bronnen van koolstof vinden. Dit is een van die mogelijke bronnen.’ Omdat de onderzoekers kansen zien voor een grootschalige waterstofproductie op deze manier, zoeken ze ook naar grote afzetmarkten voor de koolstof. ‘Denk bijvoorbeeld aan de rubberindustrie’, zegt Olde Nordkamp. ‘Wij denken dat de koolstof nuttig kan zijn als grondstof voor autobanden.’ Maar ze kijken ook naar nieuwe markten. ‘Bijvoorbeeld gebruik in beton of asfalt. Dat is vooral interessant door de grote hoeveelheden die je dan kwijt kunt.’ 

Voor al die de verschillende toepassingen is het wel belangrijk om de samenstelling goed te bekijken. ‘Er zitten natuurlijk wel eisen aan de koolstofbronnen’, zegt Olde Nordkamp. ‘Bij banden moet je vanuit veiligheidsoogpunt bijvoorbeeld zeker weten dat de materiaaleigenschappen vergelijkbaar blijven. Daarom willen wij in kaart brengen hoe de koolstof die uit de machines komt er precies uitziet.’ Dit is namelijk niet altijd honderd procent zuiver, bijvoorbeeld door verontreinigingen in het biogas of door degradatie van de elektrodes die het plasma genereren. 

‘Er zijn ook bedrijven die van plan zijn om grafiet of grafeen te maken’

Margot Olde Nordkamp 

Het lastige aan deze stap is dat de onderzoekers het decompositieproces zelf niet uitvoeren. Olde Nordkamp: ‘Voor ons onderzoek zijn we afhankelijk van leveranciers. Er zijn een paar bedrijven in Duitsland en Frankrijk die machines voor deze processen maken, maar zij houden de kaarten nog dicht tegen de borst. Het zijn niet veel bedrijven maar toch zien ze al veel mogelijke concurrentie, dus ze willen nog niet te veel informatie geven over hun producten.’ 

Bodemverbeteraar  

Toch denkt Olde Nordkamp zeker dat ze uiteindelijk een goed overzicht kunnen maken. ‘We krijgen steeds meer informatie, en de leveranciers zien steeds beter in dat zij ook iets aan ons onderzoek hebben.’ En dit overzicht richt zich niet alleen op puur koolstofpoeder. ‘Er zijn ook bedrijven die van plan zijn om grafiet of grafeen te maken. Dan kijk je natuurlijk naar een kleinere afzetmarkt, maar de prijzen voor die materialen zijn wel hoger. Dus dat is ook nog een methode om het proces rendabel te maken.’ Qua techniek ligt de focus nu nog op kleinschalige installaties die passen bij de schaal van bijvoorbeeld zonnepaneelvelden. Voor de koolstofafzetmarkt kijken de onderzoekers naar de grote markten, maar ook naar kleinschalige, meer niche toepassingen. Ze deden al eerder een kleinschalig onderzoek in samenwerking met Biogas2H2, Waterschap Rijn en IJssel en LTO Noord – een samenwerkingsverband van particuliere boeren. Olde Nordkamp: ‘Deze boeren produceren biogas via hun eigen vergister en zouden graag een kleinschalig methaanplasmalyse-systeem hier neerzetten om vervolgens de koolstof te gebruiken om de vruchtbaarheid van de bodem te verbeteren.’  

’De regelgeving loopt achter, en dat zorgt voor vertraging’

Margot Olde Nordkamp 

Dit soort systemen kunnen op sommige plekken volgens Hageman veel meerwaarde bieden. ‘Het in- en uitschakelen van deze technieken is veel flexibeler dan voor elektrolysers, omdat ze minder lang doen over het opstarten en het systeem degradeert ook minder snel onder verandering van belasting. Dus dat maakt deze toepassingen ook interessant.’ 

Over 2,5 jaar hopen de onderzoekers genoeg data verzameld te hebben om bedrijven in dit veld te laten zien welke toepassingen het meest rendabel zijn. Maar verdere ontwikkeling hangt zeker ook af van politieke keuzes. ‘Waterstof en koolstof die we op deze manier maken, mag je officieel nog niet low carbon noemen’, vertelt Olde Nordkamp. ‘De regelgeving loopt dus achter, en dat zorgt voor vertraging.’ Hageman is optimistisch dat dit gaat veranderen. ‘De techniek biedt te veel voordelen om als Europa hier niet in te investeren. En met de ontwikkeling van CO₂ reductie gelden, waarbij bedrijven mogelijk gecompenseerd worden als ze CO₂ opvangen en opslaan, en negatieve stroomprijzen biedt het een mooie kans om overtollig stroom nuttig in te zetten, en er ook nog wat aan te verdienen.’