Thermochemisch waterstofsplitsen: waterstof maken met hitte in plaats van stroom
Waterstofgas (H2) geldt als veelbelovende schone energiedrager: verbrand je het, dan komt er alleen water uit. Het probleem zit in het maken ervan. Waterstof komt in de natuur namelijk nooit los voor, maar altijd gebonden, bijvoorbeeld aan zuurstof in water (H2O). Om die binding te verbreken is energie nodig. De bekendste methode is elektrolyse: elektrische stroom door water sturen, waardoor het uiteenvalt in waterstof en zuurstof. Thermochemisch waterstofsplitsen is een ander pad naar hetzelfde doel: geen stroom, maar hitte, gecombineerd met een reeks chemische reacties, splitst het water.
Een vergelijking maakt het verschil duidelijk. Stel je wilt ijs smelten. Je kunt het kapotslaan met een hamer, of je kunt het geduldig verwarmen tot het smelt. Bij waterstofsplitsen zou je water het liefst simpelweg heel heet maken tot het vanzelf uiteenvalt, maar dat vergt temperaturen van boven de 2500 graden Celsius – een niveau waarbij vrijwel geen bouwmateriaal het uithoudt. Thermochemische cycli zijn een soort tussenweg: een estafette van chemische reacties die elkaar aflossen, waarbij elke stap bij een veel lagere temperatuur (grofweg 500 tot 1000 graden) plaatsvindt. Aan het einde van de estafette is er toch water omgezet in waterstof en zuurstof, en de chemische ‘hulpstoffen’ die onderweg zijn gebruikt, worden gewoon weer opnieuw ingezet.
Wat is het precies?
Direct water splitsen met alleen hitte – dat heet thermolyse – is dus in de praktijk onhaalbaar: naast de extreme temperatuur is het ook lastig om de vrijkomende waterstof en zuurstof veilig van elkaar te scheiden voordat ze weer een explosief mengsel vormen. Thermochemische cycli omzeilen dit door het splitsen op te knippen in meerdere tussenstappen, elk met een eigen chemische tussenstof die telkens wordt hergebruikt.
Een bekend voorbeeld is de zwavel-jood-cyclus (S-I-cyclus). Hierin reageren zwaveldioxide, jodium en water met elkaar tot zwavelzuur en waterstofjodide. Die twee stoffen worden vervolgens apart, bij verschillende temperaturen, weer thermisch ontleed: het zwavelzuur valt uiteen en levert zuurstof, het waterstofjodide valt uiteen en levert waterstof. De zwaveldioxide en jodium die daarbij vrijkomen, gaan terug de cyclus in. De hoogste temperatuur in dit proces ligt rond de 850 graden Celsius, ruim onder de 2500 graden van directe thermolyse.
Een ander type cyclus werkt met metaaloxiden, zoals ceriumoxide (ceria). Bij zeer hoge temperatuur (rond de 1400 tot 1500 graden) staat het materiaal een deel van zijn zuurstof af. Vervolgens laat men er bij een lagere temperatuur (ruwweg 800 tot 1000 graden) waterdamp overheen stromen: het materiaal grijpt gretig terug naar zuurstof uit het water en laat daarbij waterstofgas los. Het metaaloxide zelf verandert niet blijvend en kan opnieuw worden verhit voor een volgende ronde. Er bestaan ook cycli op basis van koper en chloor, die met een piektemperatuur van ongeveer 500 tot 550 graden nog milder zijn, tegen de prijs van meer, complexere tussenstappen.
De benodigde hitte komt doorgaans uit twee bronnen. De eerste is geconcentreerde zonne-energie (CSP): grote velden spiegels, heliostaten genoemd, die het zonlicht bundelen naar één punt boven in een zonnetoren, waar temperaturen van 800 tot ruim 1500 graden haalbaar zijn. De tweede bron is hoge-temperatuur nucleaire reactoren, zoals hogetemperatuur-gasgekoelde reactoren, die relatief constant hitte van 700 tot 950 graden kunnen leveren, onafhankelijk van dag, nacht of weer.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is efficiëntie. Bij elektrolyse moet eerst warmte of beweging (van zon, wind of een reactor) worden omgezet in elektriciteit, en pas daarna wordt die elektriciteit gebruikt om water te splitsen. Bij elke omzetting gaat energie verloren. Thermochemisch splitsen slaat de elektriciteitsstap over en gebruikt de hitte rechtstreeks, wat in theorie een hoger totaalrendement mogelijk maakt.
Daarnaast is er de hoop om anders verspilde hitte nuttig te maken, bijvoorbeeld restwarmte van kerncentrales of hitte uit speciaal gebouwde zonnetorens die anders alleen voor elektriciteitsopwekking zou dienen. De geproduceerde waterstof is bedoeld voor sectoren die moeilijk te elektrificeren zijn: staalproductie zonder cokes, de aanmaak van ammoniak voor kunstmest, en de chemische industrie. Ook kan waterstof, samen met afgevangen CO2, dienen als bouwsteen voor synthetische brandstoffen zoals kerosine voor de luchtvaart, waar batterijen vooralsnog geen praktisch alternatief bieden. De techniek wordt vooral kansrijk geacht in zonrijke, dunbevolkte regio’s waar geconcentreerde zonne-energie goed werkt, of in combinatie met een volgende generatie kernreactoren.
Voorbeelden uit de praktijk
In Japan onderzoekt het Japan Atomic Energy Agency (JAEA) al decennialang de zwavel-jood-cyclus, met het oog op koppeling aan de HTTR-testreactor in Oarai. In laboratoriumopstellingen is naar verluidt meerdaagse, ononderbroken waterstofproductie gedemonstreerd; het daadwerkelijk koppelen van de chemische fabriek aan de reactor zelf blijft vooralsnog experimenteel werk.
In Spanje testte het Duitse ruimtevaartcentrum DLR vanaf het midden van de jaren 2000 het HYDROSOL-project op de Plataforma Solar de AlmerÃa: een zonnereactor met een keramische honingraatstructuur, bekleed met metaaloxiden (ferrieten), die water splitst via een redoxcyclus. Vervolgprojecten richtten zich op opschaling naar grotere pilotinstallaties.
In Zwitserland ontwikkelde de groep van hoogleraar Aldo Steinfeld aan ETH Zürich een zonnereactor op basis van ceriumoxide. Dit werk vormde de basis voor de spin-off Synhelion, die volgens eigen opgave sinds 2024 in Jülich (Duitsland) een industriële demonstratie-installatie (met de naam DAWN) laat draaien die op grotere schaal zonnebrandstof produceert. Daarbij wordt overigens niet alleen water, maar ook CO2 gesplitst tot syngas, dat verder wordt verwerkt tot bijvoorbeeld kerosine.
In de Verenigde Staten onderzoekt Sandia National Laboratories, met steun van het Amerikaanse ministerie van Energie, zowel de zwavel-jood-cyclus als het CR5-concept (Counter-Rotating Ring Receiver Reactor Recuperator), een roterend zonnereactorontwerp voor metaaloxidecycli.
Daarnaast loopt er onderzoek naar de koper-chloor-cyclus bij onder meer Argonne National Laboratory in de VS en Ontario Tech University in Canada, met als motivatie dat de lagere benodigde temperatuur deze cyclus mogelijk beter laat combineren met bestaande of toekomstige kernreactoren.
Hoe ver is de techniek?
Er bestaat op dit moment nog geen enkele commerciële fabriek die op deze manier waterstof op grote schaal produceert. Alle genoemde voorbeelden spelen zich af op laboratorium- of pilotschaal. Het onderzoek loopt al sinds de jaren zeventig en tachtig, en de wetenschappelijke haalbaarheid van de verschillende cycli is inmiddels goed aangetoond. Het opschalen naar economisch aantrekkelijke, langdurig draaiende installaties blijkt echter hardnekkig lastig.
Een belangrijk obstakel is materiaalcorrosie: in de zwavel-jood-cyclus ontstaan bijvoorbeeld heet, geconcentreerd zwavelzuur en waterstofjodide, stoffen die de meeste metalen en zelfs veel keramieken op termijn aantasten. Betaalbare materialen vinden die dit jarenlang doorstaan, is een van de grootste technische puzzels. Daarnaast zijn de installaties zelf duur: zonnetorens met heliostaatvelden en hoge-temperatuur nucleaire reactoren vergen forse investeringen. Zonne-energie is bovendien niet continu beschikbaar, terwijl chemische processen het liefst ononderbroken draaien; dat vraagt om warmteopslag of hybride oplossingen die de techniek verder compliceren. De nucleaire route hangt daarnaast af van hogetemperatuur-reactorontwerpen die zelf ook nog niet op commerciële schaal in bedrijf zijn.
Tot slot concurreert thermochemisch splitsen met elektrolyse gecombineerd met steeds goedkopere zonne- en windstroom, wat de businesscase er niet eenvoudiger op maakt. Kortom: de techniek is wetenschappelijk interessant en heeft een theoretisch efficiëntievoordeel, maar staat nog ver af van brede commerciële toepassing – als die er al komt.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn Sandia National Laboratories, Idaho National Laboratory en Argonne National Laboratory actief, doorgaans met steun van het Department of Energy. In Japan doet het Japan Atomic Energy Agency (JAEA) al lange tijd onderzoek naar de zwavel-jood-cyclus. In Duitsland werkt het Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) aan zonnegedreven redoxcycli, terwijl in Zwitserland ETH Zürich en de spin-off Synhelion voorop lopen in ceria-gebaseerde reactoren. Frankrijk brengt via het CEA (Commissariat à l’énergie atomique) kennis in vanuit de nucleaire hoek, en in Canada richt onder meer Ontario Tech University zich op de koper-chloor-cyclus. Ook in Australië, via onderzoeksorganisatie CSIRO, wordt aan zonnethermische processen gewerkt. Internationale afstemming loopt onder meer via het Internationaal Energieagentschap (IEA) en, voor de nucleaire route, via het Generation IV International Forum.