Waterstof kan anders!

Dag allemaal,

Iek de Pagter is mijn naam en scheikunde is mijn vak.

Op dinsdag 25 januari, van 19.30 – 20.30 uur, organiseren de Grootouders voor het Klimaat het webinar “Waterstof als schakel in de energietransitie”. Spreker is Prof. dr. Ad van Wijk, hoogleraar Future Energy Systems TU Delft.

Ik heb een vraag...

Er zijn twee manieren om waterstof af te scheiden uit een geschikte grondstof zonder dat er kooldioxide (CO2) bij vrij komt.

De ene methode kost ruim 7x zoveel elektriciteit als de andere.

Volgens die ene methode wil men een fabriek bouwen in Chemie Park Delfzijl (Groningen). Die fabriek moet 3000 tot 9000 ton waterstof per jaar gaan produceren.
Dit proces (elektrolyse) kost minimaal 40 MWh elektriciteit per ton waterstof. 

Met die andere methode draait er al een fabriek in Olive Creek, Hallam (Nebraska, USA). Die fabriek maakt 5000 ton waterstof per jaar en is aan het opschalen naar 65000 ton/jaar.  Dit proces (plasma-splitsing) kost minimaal 5 MWh elektriciteit per ton waterstof. 

De methode in Delfzijl kost dus bijna 8 x zoveel elektriciteit per hoeveelheid waterstof als de methode die in de Verenigde Staten wordt toegepast.

Mijn vraag:
Waarom maken we in Nederland geen waterstof op de meest schone en efficiënte manier, uit aardgas via plasma-scheiding?


Of denken we dat we zulke onbeperkte hoeveelheden elektriciteit kunnen opwekken met windmolens en zonnepanelen dat we er wel kwistig mee om kunnen springen? Een beetje verspilling (7x meer dan nodig is) is dan OK?

Toelichting:

Delfzijl:
Elektriciteitsgebruik: ~ 40 MWh/ton H2
Grondstof: 9 m3 drinkwater per ton waterstof. 
Bijproduct: 8 ton zuurstof per ton waterstof. 
Er zit al een petaton (10^15 ton) zuurstof in de aardatmosfeer.
Een beetje erbij kan geen kwaad. Maar we hebben er al genoeg van.

Olive Creek:
Elektriciteitsgebruik: ~ 5 MWh/ton H2
Grondstof: 4 ton methaan (aardgas, biogas) per ton waterstof (1 m3 CH4 per m3 H2)
Bijproduct: 3 ton (zeer zuivere) koolstof per ton waterstof. 
Er zit al een teraton (10^12 ton) koolstof in de aardbodem (als steenkool).
Een beetje erbij kan geen kwaad. Maar het wordt nuttig gebruikt als 'carbon black' in autobanden, als 'toner' voor laserprinters en kan ook worden gebruikt als bodemverbeteraar en nieuwere toepassingen. 

De chemie achter de processen:
De standaard vormingsenthalpie (kJ/mol) is de hoeveelheid energie die nodig is voor de splitsing in de elementen *) 

Delfzijl:  
2H2O > 2H2 + O2    -285,8 kJ/mol H2O of  143  GJ/ton H2 of 39,7 MWh/ton H2

Olive Creek: 
CH4 > C + 2H2   -74,9 kJ/mol of 18,7 GJ/ton H2 of 5,2 MWh/ton H2


*)  1 mol H2O = 18 gram; 1 mol CH4 = 16 gram
mega=10^6 (miljoen); giga=10^9 (miljard); tera=10^12;  peta= 10^15
MWh = MegaWattuur; kJ =  kiloJoule; 1 kJ/gram = 1 GJ/ton; 1 MWh = 3,6 GJ

Bewezen voorraden aardgas

Landen met een grotere voorraad dan Nederland in miljard kubieke meter per 1-1-2018.
Bronnen: US EIA, OPEC, BP

LandVoorraad (US EIA)Voorraad (OPEC)Voorraad (BP)
Rusland478055061735000
Iran337213381033200
Qatar240722386124900
USA1548490678700
Saoedi Arabië920087158000
Turkmenistan7504983819500
UAE609160915900
Venezuela574057076400
Nigeria547556275200
China544029345500
Algeria450445044300
Irak382037443500
Indonesië286628662900
Mozambique2832
Kazakhstan240718981100
Egypte218622211800
Canada205620591900
Australië198931733600
Oezbekistan184115641200
Koeweit178417841700
Noorwegen178223141700
Libië150515051400
India129012891200
Malaysia118329092700
Oekraïne11043041100
Azerbeidzjan 99112271100
Nederland801804700
Vietnam699203600
Oman651884700
Myanmar6372731200

Groen aardgas

Krijgt groene waterstof uit aardgas een kans?

Aardgas kan ‘groen’ worden gemaakt via het proces van methaanpyrolyse. Aardgas zou niet moeten worden verbrand, maar worden ingezet als grondstof voor CO2-vrije waterstofproductie. Als aardgas wordt verbrand, heet het ‘grijs’ of ‘blauw’. Als grondstof voor CO2-vrije waterstof heet het ‘blauwgroen’ of ’turquoise’.

Met ‘groen gas’ wordt doorgaans methaan (CH4) bedoeld dat afkomstig is uit biogasinstallaties, zoals rioolzuiveringsinstallaties en mestverwerkingsinstallaties bij veeteeltbedrijven.

Maar methaan blijft methaan, of het nu uit de diepe ondergrond komt als aardgas, of van een biogasinstallatie. En bij verbranding van dit ‘biogas’ komt net zoveel kooldioxide (CO2) vrij als bij de verbranding van aardgas.
Biogas zou dus eigenlijk niet ‘groen’ of ‘duurzaam’ mogen heten.

Er is een methode om energie te winnen uit aardgas of biogas zonder dat CO2 vrijkomt. Dat is via het proces van methaanpyrolyse. Pyrolyse is een proces waarbij een stof wordt verhit zonder contact met lucht of water. Bij methaanpyrolyse wordt methaan gesplitst (“gekraakt”) in de elementen, waaruit het is opgebouwd: waterstof en koolstof. De verbranding van waterstof is schoon, want het enige verbrandingsproduct is stoom (water). En de geproduceerde koolstof (“carbon black”) is zeer zuiver, omdat methaan als gas geen vaste of vloeibare verontreinigingen bevat.

Via methaanpyrolyse kan methaan dus worden omgezet in een schone brandstof, die geen CO2 oplevert bij verbranding. En het restproduct, vaste koolstof, is niet giftig, het is makkelijk op te slaan en er zijn nuttige toepassingen voor.

Waarom wordt methaanpyrolyse dan niet op grote schaal toegepast?
Het antwoord is simpel. Waarom zou je slechts de helft van de energie uit aardgas winnen, terwijl je zonder de ‘omweg’ naar waterstof twee keer zoveel energie uit je aardgas krijgt? Zolang je gratis CO2 in de atmosfeer mag lozen heeft geen enkel (energie)bedrijf daar belang bij.

Methaanpyrolyse zit daarom al dertig jaar in het verdomhoekje. In de “Kabinetsvisie waterstof” van de huidige regering komt het woord ‘pyrolyse’ maar twee keer voor. Bij de 163 schriftelijke vragen die de Tweede-Kamer-leden naar aanleiding van deze visienota hadden gesteld, zat maar één vraag over pyrolyse:

Vraag 33: Waarom is in de kabinetsvisie niet ingegaan op andere vormen van waterstofproductie, zoals pyrolyse?

Het korte, maar in het geheel niet onderbouwde, antwoord van minister Wiebes van ‘Economie en Klimaat’:

De kabinetsvisie stelt expliciet dat waterstof staat “voor een breed scala aan mogelijkheden en technologieën”. In de tekst wordt bij de passage over financieel instrumentarium en bij de passage over onderzoek en innovatie ingegaan op andere vormen van waterstofproductie. Daarbij wordt aangegeven dat innovatieve technieken zoals pyrolyse zich in het algemeen nog in de onderzoeks- en demonstratiefase bevinden.

Hierbij negeert de minister dertig jaar van wetenschappelijk onderzoek naar en technologische ontwikkeling van methaanpyrolyse voor waterstofproductie. Terwijl methaanpyrolyse voor de productie van ‘carbon black’ al twintig jaar op industriële schaal wordt toegepast. In Olive Creek, Nebraska, USA staat een fabriek die jaarlijks 5000 ton waterstof en 15000 ton carbon black produceert via het plasmaproces voor methaanpyrolyse, terwijl een fabriek met een capaciteit van ruim 60000 ton waterstof per jaar in aanbouw is.

De reden van deze omissie laat zich raden. Als het om waterstof gaat zien de minister van Economie en Klimaat – en zijn adviseurs – slechts twee opties. Eén voor De Economie en één voor Het Klimaat. Een minister van Economie en Klimaat staat in een spagaat …

1. De Economie-optie is om de huidige waterstofproducenten (de aardolieraffinaderijen in de Rijnmond) in de gelegenheid te stellen door te gaan op de oude voet: waterstofproductie uit aardgas via het ‘reformeringsproces’ (steam methane reforming, SMR). De overheid subsidieert daarbij de afvang van CO2 en de opslag daarvan in lege aardgasvelden op de Noordzee. Dat heet CCS (Carbon Capture and Storage). Zodat Nederland een toekomstige rol kan spelen als internationale afvoerput voor afgevangen CO2 en de industrie nog even langer door kan gaan met ‘business as usual’. De ‘grijze’ waterstof die uit de raffinaderij komt gaat dan ‘blauwe waterstof’ heten en wordt als ‘duurzaam’ verkocht. Blauw is goed voor De Economie.

2. De Klimaat-optie is waterstof uit water, via electrolyse. Daarbij wordt water gesplitst in de elementen waterstof en zuurstof. Bij dat proces komt – evenals bij methaanpyrolyse – geen CO2 vrij, dus mag het product ‘groene waterstof’ heten. Groen is goed voor Het Klimaat

In de derde optie ziet de industrie geen brood (want turquoise is te duur) en de klimaatbeweging ook niet (want turquoise lijkt teveel op blauw).

Een belangrijk bezwaar tegen ‘groene waterstof’ uit water is dat de afsplitsing van waterstof uit water veel meer energie kost dan de afsplitsing van waterstof uit methaan. En voor waterelectrolyse kan alleen elektriciteit worden gebruikt. Elektriciteit wordt voorlopig nog grotendeels opgewekt door verbranding van steenkool en aardgas. Dus electrolyse-waterstof is niet groen als er onvoldoende groene (CO2-vrij opgewekte) elektriciteit beschikbaar is

Zoals in een recent artikel in de NRC wordt betoogd is in de Kabinetsvisie Waterstof geen realistisch scenario geschetst hoe er voldoende ‘duurzame’ (CO2-vrij opgewekte) elektriciteit kan worden geproduceerd om aan de toekomstige vraag te voldoen als waterstof uit water moet worden gewonnen.

Ook methaansplitsing via het plasmaproces gebruikt elektriciteit. Maar methaansplitsing is ook ’thermisch’ mogelijk en dan kan een deel van de geproduceerde waterstof als brandstof voor het proces worden gebruikt. Daarnaast zijn zonne-ovens voor methaansplitsing in ontwikkeling, waarbij in het geheel geen brandstof meer nodig is. Zonne-ovens zijn niet nieuw, er staat er al een 50 jaar in de Pyreneeën. Plaatsing van zonne-ovens in de bergen of in een woestijnachtige omgeving waar veel zonneschijn is, maakt de waterstofproductie via methaanpyrolyse zeer efficiënt.

Waterstof uit aardgas zou tijdens de energietransitie (en geruime tijd daarna) kunnen worden gebruikt als CO2-vrij alternatief voor steenkool en aardolie. Maar dan moet dat aardgas worden gesplitst, niet verbrand.

De ontwikkeling van een technologie als methaanpyrolyse aan ‘de markt’ overlaten – zoals het huidige kabinet doet – is geen werkbare, realistische optie. Zeker niet gezien de urgentie van de energietransitie. Sturing door de overheid in het belang van de samenleving is gewenst. Oude beleidsinstrumenten zijn vergeten. Stimuleren van gewenste ontwikkelingen door subsidiëring en belasting heffen op ongewenste, dat zijn niet de enige mogelijkheden.

Het van staatswege oprichten van nutsondernemingen (zoals vroeger voor gas, elektriciteit en water ‘voor het algemene nut’) zou moeten worden heroverwogen. In ‘de markt’ bestaat geen enkele stimulans voor energiebedrijven om (tijdelijk) ‘duurder’ te produceren, zolang CO2 lozen gratis is.

De weg naar een CO2-vrije energievoorziening is duidelijk.

Met steenkool moet onmiddellijk worden gestopt, want die brandstof is niet essentieel voor de elektriciteitsopwekking. Aardgas zou in plaats daarvan moeten worden ingezet voor elektriciteitsopwekking (in STEG-installaties die de warmte met een rendement van 60% omzetten in elektriciteit). Daarmee zou de CO2-uitstoot worden gehalveerd in vergelijking met het gebruik van steenkool.

Het gebruik van aardolie zou zo snel mogelijk moeten worden afgebouwd als ‘primaire’ brandstof voor de transportsector. Elektrisch rijden of rijden, varen en vliegen op waterstof zou CO2-vrij kunnen zijn, mits die elektriciteit en waterstof ook CO2-vrij worden geproduceerd.

CO2-vrij opgewekte elektriciteit en CO2-vrij geproduceerde waterstof zijn de beste alternatieven voor het huidige gebruik van fossiele en andere koolstofhoudende brandstoffen. En dat moet snel gebeuren. Het klimaat van de (nabije) toekomst staat op het spel.

Methaanpyrolyse moet door de politiek niet als een doekje voor het bloeden worden afgedaan, maar verdient intensieve ondersteuning van de politiek en positieve aandacht van de media.

In mei dit jaar schreef ik een gedocumenteerd stuk over methaanpyrolyse voor de website biobasedpress.eu (tevens gepubliceerd op news.bio-based.eu), waarnaar ik hier nu voorlopig naar verwijs:
Methaanpyrolyse maakt grijs aardgas groen
Methane pyrolysis turns a grey resource into a green one