Krijgt groene waterstof uit aardgas een kans?
Sinds alles wat uit de natuur komt het stempel ‘groen’ heeft gekregen, wordt de discussie over energie en klimaat verrijkt met allerlei kleuren. Groen is goed en grijs is fout. En alles daartussen krijgt ook een kleurtje.
Groen gas
Het begon allemaal met ‘groen’ gas. Daarmee werd gas aangeduid dat afkomstig is uit biogasinstallaties, zoals rioolzuiveringsinstallaties en mestverwerkingsinstallaties bij veeteeltbedrijven. Dat afval zou anders toch wel in de natuur zijn omgezet tot kooldioxide (CO2). Dus ‘leen’ je het even van de natuur als ‘schone’ brandstof en noem je het ‘groen’ en ‘duurzaam’. Dat is beter dan aard-gas uit de diepte halen en verbranden.
Aardgas komt niet ‘uit de natuur’ maar diep uit de grond en heet daarom ‘grijs’. Grijs is fossiel en slecht voor het klimaat.
Grijs gas
Al vele jaren kunnen consumenten kiezen tussen groen en grijs gas bij hun energieleverancier. Je kunt het verschil niet ruiken of zien, maar ‘groen’ geeft een gevoel van ‘goed bezig zijn’. Aardgas is ‘grijs’ en dus de mindere van de twee.
Wat je verbrandt is methaan en dat is reukloos en kleurloos. Voor de herkenbaarheid wordt er een vies geurtje bijgemengd. Maar methaan blijft methaan, of het nu uit de diepe ondergrond komt als aardgas, of van een biogasinstallatie. Bij verbranding van ‘biogas’ komt evenveel kooldioxide (CO2) vrij als bij de verbranding van aardgas. En het is CO2 in de atmosfeer waar het bij klimaatverandering om draait.
Biogas zou dus eigenlijk niet ‘groen’ of ‘duurzaam’ mogen heten. Dat is een vorm van ‘groenwassen’, een activiteit die veelvuldig door reclamemakers wordt bedreven.
Kleurrijke waterstof
Intussen is de energiediscussie vertroebeld met diverse kleuren waterstof: grijs, blauw, turquoise en groen. Wat is het verschil?
Ook waterstof is een kleurloos en reukloos gas. Dat zat 70 jaar geleden al in het stadsgas en maakte daar ongeveer de helft van uit. De rest was voornamelijk koolmonoxide.
Sinds de opkomst van aardgas, eind jaren 60 van de vorige eeuw, wordt waterstof vrijwel uitsluitend in de chemische industrie gebruikt en het is dus niet verwonderlijk dat de raffinaderijen van de grote oliemaatschappijen een monopolie hebben op de productie van waterstof.
Grijze waterstof – uit stoom en aardgas (SMR)
De traditionele manier van waterstofproductie is de ‘omvorming’ of ‘reformering’ van de grondstoffen stoom en aardgas tot waterstof en kooldioxide. Steam Methane Reforming (SMR) heet dat. Het gebeurt in olieraffinaderijen die al sinds WO II met dit soort processen vertrouwd zijn. Het is een ingewikkeld – maar helemaal geperfectioneerd – proces dat in drie stappen verloopt en neerkomt op de volgende reactievergelijking:
2H2O + CH4 > 4H2 + CO2
stoom + methaan geeft waterstof + kooldioxide
Om de vereiste hoge procestemperatuur te bereiken wordt extra aardgas verbrand:
CH4 + 2O2 > 2H2O + CO2
methaan + luchtzuurstof geeft water + kooldioxide
Waterstof die op deze manier wordt gemaakt wordt ‘grijs’ genoemd omdat het uit een fossiele brandstof wordt gemaakt. De waterstof wordt hierbij gewonnen uit twee grondstoffen. Zowel het water als het methaan levert een deel van de geproduceerde waterstof.
Groene waterstof – splitsen van water
Als tegenhanger van het traditionele en zeer veel CO2 producerende SMR-proces wordt door velen een toekomst voorzien waarin waterstof uitsluitend wordt geproduceerd uit de grondstof water. En wel via elektrolyse van (gezuiverd) water. Daarbij wordt elektrische stroom door water geleid, dat daarbij in waterstof en zuurstof ontleedt. Omdat dit proces CO2-vrij verloopt kreeg de zo verkregen waterstof het stempel ‘groen’.
De reactievergelijking is eenvoudig:
2H2O > 2H2 + O2
water geeft waterstof + zuurstof
Waterstof kan ook uitsluitend uit die andere grondstof worden gewonnen: uit methaan. Zolang daar geen CO2 bij vrijkomt is dat even ‘groen’.
Als methaan – buiten de aanwezigheid van water – wordt gesplitst in de elementen waterstof en koolstof, dan is dat dus ook een manier om ‘groene’ waterstof te maken:
CH4 > 2H2 + C
methaan geeft waterstof + koolstof
Het proces waar het om gaat is al decennia lang bekend als ‘methaanpyrolyse’ (letterlijk: ‘kraken met vuur’). Maar er was vanuit de aardolie industrie geen belangstelling voor zolang CO2 kosteloos in de atmosfeer kan worden geloosd. Waarom zou je de helft van je aardgas (het koolstofdeel) onbenut laten als dat deel ook waterstof levert in reactie met water?
C + 2H2O > 2H2 + CO2
koolstof + water geeft waterstof + kooldioxide
Blauwe waterstof – SMR plus CO2 afvang en opslag (CCS)
Ook olieraffinaderijen wisten dat er een alternatief moest komen voor SMR, maar zochten dat liever in eigen huis. Doorgaan met de eigen patenten op het traditionele SMR-proces en dit koppelen aan gesubsidieerde afvang van CO2 is de beste manier om mee te gaan in de maatschappelijke trend naar ‘schonere productie’. Vervolgens moet deze CO2 dan worden opgeslagen in aardlagen waar het aardgas eerder was uitgehaald. Deze CO2– afvang en -opslag wordt aangeduid met de Engelstalige afkorting CCS (Carbondioxide Capture and Storage) .
Nederland, met een industrievriendelijke overheid, zou ook dit project, SMR+CCS, wel willen subsidiëren. De reclameafdeling had er al een kleur voor: ‘blauwe waterstof’. Niet echt groen natuurlijk, want die afvang lukt, om het betaalbaar te houden, maar voor 70%. Maar het bekt toch beter dan ‘grijs’.
Turquoise waterstof – splitsen van methaan
Uit landen als Duitsland en Frankrijk, landen zonder enorme aardgasbellen én lege gasvelden, zoals Nederland, UK en Noorwegen, kwamen geluiden om toch maar eens beter naar methaanpyrolyse te kijken.
In Duitsland, een land zonder veel aardgas, lijkt methaanpyrolyse een zinnig alternatief voor de op steen- en bruinkool gebaseerde industrie. Uit Duitse hoek kwam dan ook het voorstel om waterstof uit methaanpyrolyse dan maar ’turquoise’ te noemen. Iets tussen groen en blauw. Niet echt groen, want gemaakt uit grijs aardgas, maar lang niet zo slecht als blauwe waterstof.
Spraakverwarring door kleurverwarring
Hier begint het kleurenverhaal van waterstof verwarrend te worden voor de gemiddelde burger. En ook voor de gemiddelde politicus.
In de Kabinetsvisie waterstof (30 maart 2020) 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 sinds twintig jaar op industriële schaal wordt toegepast.
[Update 2021: In de Kabinetsreactie op het rapport ‘Waterstof: de ontbrekende schakel’ van de ‘Raad voor de leefomgeving en infrastructuur (19 mei 2021) wordt methaanpyrolyse met dezelfde bewoordingen afgedaan.]
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 geen CO2 vrij, dus mag het product ‘groene waterstof’ heten. Groen is goed voor Het Klimaat
In de derde optie, methaanpyrolyse, ziet de industrie geen brood (want turquoise wordt niet gesubsidieerd) en de klimaatbeweging ook niet (want turquoise lijkt teveel op blauw).
Het belangrijkste bezwaar tegen ‘groene waterstof’ uit water is dat de afsplitsing van waterstof uit water 7½ keer zoveel energie kost als de afsplitsing van waterstof uit methaan.
Voor waterelectrolyse kan alleen elektriciteit worden gebruikt. Elektriciteit wordt voorlopig echter nog grotendeels opgewekt door verbranding van steenkool en aardgas. Dus electrolyse-waterstof is niet groen zolang er onvoldoende groene (CO2-vrij opgewekte) elektriciteit beschikbaar is.
Zoals in een recent artikel in de NRC [9 augustus 2020] 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.
Dat gebrek aan ‘groene’ elektriciteit zou toch moeten leiden tot een beleid waarbij wordt gezocht naar een proces van waterstofwinning dat minder elektriciteit vraagt?
Plasma pyrolyse
Methaansplitsing via het plasmaproces is een van de drie manieren van methaanpyrolyse. Dit proces wordt al op industriële schaal toegepast. Het proces gebruikt een elektrische vlamboog om het methaan tot een zodanig hoge temperatuur te verhitten dat een ‘plasma’ ontstaat waarin de atomen hergroeperen tot de gewenste eindproducten. Onder de juiste omstandigheden ontstaan voornamelijk waterstof, zuivere koolstof en kleine hoeveelheden lagere koolwaterstoffen (met 2 koolstofatomen). Die laatste bijproducten moeten eventueel nog van de waterstof worden gescheiden. Afhankelijk van wat daar verder mee gebeurt (recyclen of verbranden) is het plasmaproces net niet 100% CO2 vrij.
De grootste producent van waterstof uit methaanpyrolyse (Monolith Corporation) geeft het volgende plaatje waarin grijze, blauwe, turquoise en groene waterstofproductie met elkaar worden vergeleken. Ook hier wordt biogas (‘RNG’) ten onrechte aangemerkt als CO2 neutraal, waardoor de laatste optie – pyrolyse van biogas – tot schijnbaar negatieve CO2-uitstoot leidt:
De twee andere methoden van methaanpyrolyse worden nog niet op industriële schaal toegepast: ’thermische pyrolyse’ in traditionele reactoren en pyrolyse in zonne-ovens.
Thermische methaanpyrolyse
Bij ’thermische pyrolyse’ wordt de traditionele manier van verhitting van het reactorvat gebruikt om de vereiste reactietemperatuur van 800 tot 1000 graden Celsius te bereiken. Voor de verwarming wordt dan meestal een brandstof (bijvoorbeeld aardgas of waterstof) ingezet. Er worden katalysatoren gebruikt om de vereiste reactietemperatuur, en daarmee het energiegebruik, te verlagen. Maar dat gaat nog steeds met technische problemen gepaard.
In Australië, Duitsland (BASF) en Nederland (TNO) wordt onderzoek en ontwikkeling gedaan om deze methode van pyrolyse op te schalen.
Methaanpyrolyse in zonne-ovens
Als roepende in de woestijn zijn sommige onderzoekers al decennia bezig met de ontwikkeling en promotie van zonne-ovens voor methaanpyrolyse. Dat zou een geschikte technologie zijn voor gebieden als Noord-Africa, waar zowel veel zon als veel aardgas beschikbaar is. Voor Nederland is dat letterlijk een stap te ver.
Maar in de Pyreneeën staat al vijftig jaar een zonne-oven die voor dit onderzoek werd gebruikt.
Het energiediagram van Rodat (2010) geeft een goede indruk van deze mogelijkheid van methaanpyrolyse:
Methaanpyrolyse in de toekomst
Waterstof uit aardgas kan tijdens de energietransitie (en geruime tijd daarna) worden gebruikt als CO2-vrij alternatief voor steenkool en aardolie. Aan aardgas kleeft niet het bezwaar dat geldt tegen andere fossiele brandstoffen, namelijk dat al het gebruik er van CO2 oplevert. Maar aardgas is alleen ‘goed voor het klimaat’ als het dient als grondstof voor methaansplitsing en niet voor gebruik als brandstof.
Bij alle gebruik van aardgas moet rekening worden gehouden met de manier waarop het wordt gewonnen. Met name bij aardgas uit Rusland blijkt de zorg voor verlaten aardgasputten zo ver onder de maat dat onnodig veel aardgas weglekt naar de atmosfeer.
Als die lekkage in rekening wordt gebracht bij het wereldwijde gebruik van aardgas, dan komt aardgas er minder goed van af dan zou kunnen in vergelijking met waterstofproductie uit water. Maar voor die aardgaslekkage zijn technische oplossingen voorhanden.
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 (voorlopig) 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 ‘de markt’ bestaat geen enkele stimulans voor energiebedrijven om (tijdelijk) ‘duurder’ te produceren, zolang CO2 lozen (vrijwel) gratis is.
In mei dit jaar [2020] schreef ik een gedocumenteerd stuk over methaanpyrolyse voor de website Bio Based Press (tevens gepubliceerd op Renewable Carbon News), waarnaar ik hier nu voorlopig naar verwijs:
Methaanpyrolyse maakt grijs aardgas groen
Methane pyrolysis turns a grey resource into a green one