Steam-methane reforming: hoe de meeste waterstof ter wereld wordt gemaakt
Als je de laatste tijd iets hebt gelezen over waterstof als schone brandstof, kom je bijna altijd de term steam-methane reforming tegen, vaak afgekort tot SMR. Het klinkt technisch, maar het idee erachter is verrassend eenvoudig: je haalt waterstofgas uit aardgas door er met stoom op in te werken, bij hoge temperatuur en met behulp van een katalysator (een stof die een chemische reactie versnelt zonder er zelf bij te verdwijnen). Het resultaat is waterstofgas dat je kunt gebruiken in de industrie, of in de toekomst mogelijk ook als brandstof.
Denk aan SMR als een soort industriële keuken waarin aardgas (methaan) en waterdamp worden "gekookt" in een oven van zo'n 900 graden Celsius, waarna er waterstof uitkomt als hoofdgerecht en kooldioxide als bijproduct. Dit proces bestaat al bijna een eeuw en is verantwoordelijk voor het overgrote deel van alle waterstof die wereldwijd wordt geproduceerd. Het is dus geen futuristische technologie, maar juist de gevestigde standaardmethode waar nieuwere, schonere alternatieven zich tegen moeten bewijzen.
Wat is het precies?
SMR draait om één kernreactie: methaan (CH4, de hoofdbestanddeel van aardgas) reageert met waterdamp (H2O) tot koolmonoxide (CO) en waterstofgas (H2). Deze reactie is endotherm, wat betekent dat er voortdurend warmte aan toegevoerd moet worden om hem op gang te houden; zonder die externe hitte stopt de reactie vanzelf.
Om die hitte te leveren, wordt in een reformer een deel van het aardgas gewoon verbrand als brandstof, terwijl een ander deel als grondstof door metalen buizen stroomt die gevuld zijn met een katalysator, meestal gebaseerd op nikkel. De buizen worden op ongeveer 700 tot 1000 graden Celsius gehouden. Zonder katalysator zou de reactie veel te traag verlopen om industrieel bruikbaar te zijn.
Het koolmonoxide dat hierbij ontstaat is nog niet het eindproduct. In een volgende stap, de water-gas-shift-reactie, laat men dit koolmonoxide opnieuw reageren met waterdamp: CO + H2O wordt dan CO2 + H2. Dit levert extra waterstof op en zet het koolmonoxide om in kooldioxide, wat makkelijker te scheiden is.
Tot slot moet de waterstof gezuiverd worden van de overgebleven CO2, restmethaan en andere gassen. Dit gebeurt meestal met drukwisseladsorptie (PSA, van het Engelse pressure swing adsorption): een techniek waarbij gassen onder hoge druk door een materiaal worden geleid dat bepaalde moleculen vasthoudt, waarna de druk wordt verlaagd om die moleculen weer los te laten. Zo blijft er zeer zuivere waterstof over, geschikt voor industrieel gebruik.
Wat wil men ermee bereiken?
SMR bestaat simpelweg omdat er al decennia enorme vraag is naar waterstof, en dit de goedkoopste en meest praktische manier is gebleken om die te produceren uit aardgas. Ongeveer driekwart van alle waterstof wereldwijd wordt nog altijd op deze manier gemaakt; dit noemt men vaak grijze waterstof, omdat het productieproces flink wat CO2 uitstoot.
De grootste afnemer is de kunstmestindustrie: waterstof is een essentieel ingrediënt voor het Haber-Boschproces, waarmee ammoniak wordt gemaakt, de basis van de meeste kunstmest ter wereld. Daarnaast gebruiken raffinaderijen waterstof om zwavel uit brandstoffen te halen en zware oliefracties te kraken tot lichtere producten, en wordt het gebruikt bij de productie van methanol.
Nu de discussie over klimaatverandering is toegenomen, wordt er gezocht naar manieren om deze waterstofproductie schoner te maken. Eén route is blauwe waterstof: gewoon SMR, maar met een installatie die de vrijkomende CO2 afvangt en ondergronds opslaat (CCS, carbon capture and storage) in plaats van de lucht in te laten. Een heel andere route is groene waterstof, gemaakt via elektrolyse van water met stroom uit zon of wind, zonder aardgas of CO2-uitstoot in het proces zelf. Blauwe waterstof wordt vaak gepresenteerd als tussenstap, maar critici wijzen erop dat de winning en het transport van aardgas zelf ook broeikasgassen (met name methaanlekkage) veroorzaken, wat het klimaatvoordeel kan verkleinen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Quest-project van Shell bij Scotford in Alberta, Canada, is sinds 2015 operationeel en vangt CO2 af van de waterstofproductie die daar via SMR plaatsvindt voor een oliezandraffinaderij. Het geldt als een van de langst lopende praktijkvoorbeelden van blauwe waterstof op industriële schaal.
In de Verenigde Staten vangt Air Products sinds 2013 bij zijn faciliteit in Port Arthur, Texas, CO2 af van SMR-installaties; deze CO2 wordt gebruikt om extra olie uit bestaande velden te persen, een techniek die bekendstaat als enhanced oil recovery.
In Nederland is het Porthos-project in de haven van Rotterdam relevant: hierbij werken onder meer Air Liquide, Air Products en Shell samen om CO2 van industriële installaties, waaronder waterstofproductie via SMR, af te vangen en op te slaan in lege gasvelden onder de Noordzee. De bouw hiervan is enkele jaren geleden gestart; over de exacte actuele opleveringsstatus kan ik geen actuele garantie geven, dus check voor de meest recente stand de projectbron zelf.
Bij BASF in Ludwigshafen, Duitsland, wordt al decennialang waterstof via SMR geproduceerd als grondstof voor de ammoniak- en kunstmestproductie op deze van de grootste chemieclusters van Europa.
Hoe ver is de techniek?
SMR zelf is geen opkomende technologie: de eerste industriële toepassingen dateren uit de jaren dertig van de vorige eeuw, en het proces is sindsdien vooral geoptimaliseerd, niet fundamenteel veranderd. Het thermisch rendement, ofwel hoeveel van de energie in het aardgas uiteindelijk in de waterstof terechtkomt, ligt doorgaans rond de 65 tot 75 procent.
Het grootste knelpunt is niet de techniek zelf, maar de CO2-uitstoot: voor elke kilogram waterstof komt ongeveer 9 tot 10 kilogram CO2 vrij. Dat maakt CCS-toevoeging aantrekkelijk, maar dergelijke afvanginstallaties zijn doorgaans ontworpen om zo'n 90 procent van de directe procesemissies af te vangen, niet van alle emissies die vrijkomen bij het verbranden van aardgas om de reformer te verhitten. Daardoor blijft blauwe waterstof, hoewel schoner dan grijze waterstof, geen emissievrije oplossing.
Er wordt onderzoek gedaan naar varianten zoals autotherme reforming, waarbij een deel van het methaan met zuurstof wordt verbrand om de benodigde warmte intern te leveren, wat mogelijk hogere CO2-afvangpercentages toelaat. Deze varianten zijn echter minder wijdverspreid dan klassieke SMR en de daadwerkelijke klimaatwinst blijft onderwerp van wetenschappelijk debat, mede door onzekerheid over methaanlekkages verderop in de aardgasketen.
Wie werken eraan?
Grote industriële gasbedrijven als Air Liquide, Linde en Air Products bouwen en exploiteren wereldwijd SMR-installaties en zijn tevens de belangrijkste partijen die CCS-varianten commercialiseren. Energiebedrijven zoals Shell en het Noorse Equinor zijn eveneens actief betrokken, met name via projecten die SMR combineren met CO2-opslag.
Op beleidsniveau volgt het Internationaal Energieagentschap (IEA) de ontwikkeling van waterstofproductie wereldwijd en publiceert het jaarlijks rapporten over de aandelen grijze, blauwe en groene waterstof. Landen die relatief actief zijn in blauwe-waterstofprojecten zijn onder meer Nederland (via de Rotterdamse haven), Canada (Alberta), de Verenigde Staten en Noorwegen, mede omdat deze regio's al bestaande aardgasinfrastructuur en geschikte ondergrondse opslaglocaties hebben.