Dehydrogenering: waterstof weer vrijmaken uit een molecuul
Dehydrogenering is een scheikundig proces waarbij waterstofatomen uit een molecuul worden gehaald. Het is eigenlijk het spiegelbeeld van hydrogenering, het proces waarbij waterstof juist aan een molecuul wordt toegevoegd. Denk aan een spons: je kunt hem laten volzuigen met water (hydrogeneren) en je kunt hem later weer uitknijpen zodat het water eruit loopt (dehydrogeneren). In de chemie gebeurt iets vergelijkbaars, maar dan met waterstofatomen die aan een koolstofmolecuul vastzitten.
Dit begrip duikt de laatste jaren vaak op in verhalen over de toekomstige waterstofeconomie. Waterstofgas is namelijk lastig te vervoeren: het moet ofwel extreem koud gemaakt worden (-253°C) ofwel onder hoge druk gezet worden. Een uitweg is om waterstof tijdelijk chemisch te 'verpakken' in een vloeibare drager, een zogeheten LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier, ofwel vloeibare organische waterstofdrager). Die drager wordt eerst volgeladen met waterstof (hydrogenering) en bij aankomst op de plaats van bestemming weer leeggemaakt (dehydrogenering) om het waterstofgas vrij te geven. Dehydrogenering is daarbij de lastigste en energie-intensiefste stap.
Wat is het precies?
Op moleculair niveau zitten waterstofatomen als een soort 'takjes' aan een koolstofmolecuul vast. Bij dehydrogenering breekt een katalysator, een stof die een chemische reactie versnelt zonder zelf te verbruiken, de bindingen tussen koolstof en waterstof. De losgemaakte waterstofatomen koppelen zich vervolgens tot waterstofgas (Hâ‚‚), dat als gas ontsnapt. Wat overblijft is de 'lege' drager, een molecuul met minder waterstof aan boord.
Een veelgebruikt drager-molecuulpaar is tolueen en methylcyclohexaan (MCH): tolueen wordt met waterstof beladen tot MCH, en bij dehydrogenering wordt daar het waterstofgas weer uitgehaald, waarna er weer tolueen overblijft. Een ander veelgebruikt systeem is dibenzyltoluene (DBT), een olieachtige vloeistof die al bij kamertemperatuur vloeibaar is en veilig met tankwagens of schepen vervoerd kan worden, net als diesel.
Het beladen (hydrogeneren) is een exotherm proces: er komt warmte bij vrij. Het legen (dehydrogeneren) is juist endotherm: er moet warmte worden toegevoegd om de waterstof los te weken. Dat gebeurt in een reactor waarin de drager over een katalysator stroomt, meestal gebaseerd op platina of een verwant edelmetaal, bij temperaturen van ruwweg 250 tot 320 graden Celsius. Die warmte moet ergens vandaan komen, bijvoorbeeld uit restwarmte van een fabriek, elektriciteit of soms verbranding van een deel van de vrijgekomen waterstof zelf. Dat maakt dehydrogenering het energetisch zwakke punt van de hele keten.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is grootschalig, betaalbaar en veilig vervoer en opslag van waterstof mogelijk maken, zonder de dure en risicovolle infrastructuur die nodig is voor vloeibare of zwaar samengeperste waterstof. Een LOHC-vloeistof lijkt qua eigenschappen op diesel of stookolie: ze is bij kamertemperatuur vloeibaar, niet explosief en kan in bestaande tankwagens, tankschepen en opslagtanks worden vervoerd.
Dat past in een breder plan: groene waterstof, geproduceerd met zonne- of windenergie in zonnige of winderige regio's, moet naar plekken worden gebracht waar veel industrie zit, zoals Europa of Japan. Dehydrogenering aan het einde van die keten is nodig om de waterstof weer bruikbaar te maken, bijvoorbeeld voor de staalindustrie, de chemie, of als brandstof voor zware voertuigen en treinen die moeilijk te elektrificeren zijn. Het is nadrukkelijk een middel, geen doel op zich: de winst zit in het gemak en de veiligheid van transport, niet in de dehydrogenering zelf.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Duitse bedrijf Hydrogenious LOHC Technologies, een spin-off van de universiteit van Erlangen-Neurenberg, is een van de bekendste spelers. Het bedrijf bouwt installaties die met dibenzyltoluene werken en heeft pilotprojecten lopen bij onder meer een chemiepark in Marl en met de haven van Rotterdam, waar plannen zijn voor een importterminal voor via LOHC vervoerde waterstof.
In Japan werkt Chiyoda Corporation al langer aan een vergelijkbare technologie onder de naam SPERA Hydrogen, gebaseerd op tolueen en MCH. In het AHEAD-project, een samenwerking van Chiyoda met onder meer Mitsubishi Corporation en scheepvaartbedrijf NYK, werd rond 2020 voor het eerst waterstof via MCH per schip vervoerd van Brunei naar Kawasaki in Japan, destijds gepresenteerd als een van de eerste internationale importketens voor waterstof op basis van een organische drager.
Het Duitse project 'H2goesRail', een samenwerking van Deutsche Bahn, Siemens Mobility en Hydrogenious, onderzocht het gebruik van LOHC om waterstoftreinen in Beieren van brandstof te voorzien zonder dat daarvoor aparte hogedruk-waterstoftankstations nodig zijn.
Los van deze nieuwe waterstoftoepassingen bestaat dehydrogenering al decennialang op grote industriële schaal in de petrochemie: propaandehydrogenering (PDH) zet propaan om in propeen, een grondstof voor plastics, in installaties die wereldwijd miljoenen tonnen per jaar produceren. Dat laat zien dat het basisprincipe technisch beproefd is, ook al gaat het daar om een heel ander doel dan waterstofopslag.
Hoe ver is de techniek?
Voor de klassieke petrochemische toepassing (PDH) is dehydrogenering volwassen technologie die al tientallen jaren op industriële schaal draait. Voor het gebruik als waterstofdrager in de energiesector staat de technologie echter nog in de pilot- en demonstratiefase: installaties verwerken doorgaans enkele honderden kilo's tot een paar ton waterstof per dag, terwijl commerciële toepassing schaalgroottes van tientallen tot honderden tonnen per dag zou vergen.
De grootste hindernis is energie-efficiëntie. Doordat dehydrogenering endotherm is en hoge temperaturen vergt, gaat er in de volledige cyclus van hydrogeneren, transporteren en weer dehydrogeneren een aanzienlijk deel van de oorspronkelijke energie-inhoud verloren, naar schatting in de orde van dertig tot veertig procent, afhankelijk van hoe de benodigde warmte wordt opgewekt. Ook de katalysatoren, vaak gebaseerd op schaarse en dure platinagroep-metalen, wegen mee in de kosten. Daarnaast concurreert LOHC-technologie met andere manieren om waterstof te vervoeren, zoals ammoniak (dat via 'kraken' ook weer waterstof kan vrijgeven) en vloeibare waterstof bij zeer lage temperatuur. Welke route uiteindelijk het meest wordt gebruikt, staat nog niet vast en zal waarschijnlijk per toepassing verschillen. Brede commerciële opschaling wordt door de sector zelf meestal ergens na 2025-2030 verwacht, maar dat tijdpad is met de nodige onzekerheid omgeven.
Wie werken eraan?
In Duitsland is Hydrogenious LOHC Technologies de belangrijkste ontwikkelaar, met steun van onderzoeksinstituten zoals de Fraunhofer-instituten en de universiteit van Erlangen-Neurenberg. In Japan trekken Chiyoda Corporation, Mitsubishi Corporation en Kawasaki Heavy Industries de kar, met steun van de Japanse overheid via ministerie METI en innovatie-agentschap NEDO. Op Europees niveau financiert de Clean Hydrogen Partnership, een publiek-private samenwerking van de Europese Unie, onderzoek naar waterstofdragers, en havens als Rotterdam en Duisburg positioneren zich als importknooppunten. Chemieconcerns als BASF en Clariant leveren de katalysatoren die nodig zijn voor zowel hydrogenering als dehydrogenering. In de Verenigde Staten loopt onderzoek naar waterstofdragers onder meer via het waterstofprogramma van het Department of Energy.