Nieuwe verhittingstruc maakt waterstof uit methaan tien keer efficiënter

Waterstof is onmisbaar voor de industrie en geldt als een van de sleutels tot een schonere energievoorziening. Een veelbelovende manier om het te maken is methaanpyrolyse: aardgas wordt verhit tot het uiteenvalt in waterstofgas en vaste koolstof, zonder dat er direct CO2 vrijkomt. Het probleem is altijd geweest dat de reactoren voor dit proces naar temperaturen van rond de 1.000 graden Celsius moeten, en dat van buitenaf verhitten van zulke grote installaties traag, duur en inefficiënt is.

Warmte van binnenuit in plaats van van buitenaf

Een team onder leiding van scheikundig ingenieur Matteo Cargnello van Stanford Engineering bedacht een tegenintuïtieve oplossing: zet de brander niet om de reactor heen, maar erin. Een klein deel van de geproduceerde waterstof wordt binnen in de reactor verbrand, wat de benodigde hitte direct op de juiste plek levert. Bij die verbranding ontstaat vooral waterdamp, zonder dat er extra CO2 vrijkomt uit het verhittingsproces zelf. Deze vorm van autotherme interne verhitting blijkt de energie-efficiëntie ongeveer tien keer te verhogen: één reactor haalt met dezelfde hoeveelheid energie evenveel op als tien traditionele, extern verhitte reactoren. Medeonderzoeker Henry Moise wijst erop dat je CO2-uitstoot niet alleen vermindert door emissies te vermijden, maar ook door simpelweg zuiniger met energie om te springen.

Onverwacht bijproduct: bruikbaar grafiet

De vaste koolstof die bij het proces overblijft, bleek bij nadere inspectie een hoge mate van grafitisatie te vertonen. Met andere woorden: het gaat grotendeels om grafiet, een materiaal dat wordt gebruikt in batterijen en elektroden en dat de VS momenteel vooral invoert. Voor toepassing in batterijen moet het grafiet nog wel verder gezuiverd worden, maar de onderzoekers zien het als een belangrijke stap richting een eigen, binnenlandse aanvoerketen. Dat steekt gunstig af tegen de huidige hoofdmethode voor waterstofproductie, stoomreforming van aardgas, die wel veel waterstof oplevert maar ook grote hoeveelheden CO2 uitstoot.

Waarom waterstof zo belangrijk blijft

Waterstof is een bouwsteen van de moderne economie: het is nodig voor de productie van methanol, voor het ontzwavelen van benzine en voor de aanmaak van ammoniak, de basis van kunstmest waarmee bijna de helft van de wereldbevolking wordt gevoed. Waar lithium-ionbatterijen vooral geschikt zijn om elektriciteit voor uren op te slaan, kan waterstof in grote hoeveelheden maandenlang bewaard worden in ondergrondse zoutcavernes. Dat maakt het een uitkomst om seizoensschommelingen in zonne- en windenergie op te vangen. De bevindingen van het Stanford-team zijn op 3 september gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science. Het opschalen van het proces naar industriële omvang vraagt volgens de onderzoekers nog wel om langdurige financiering en samenwerking tussen verschillende instituten.