Methaanpyrolyse: waterstof maken zonder CO2 de lucht in te sturen
Methaan is het hoofdbestanddeel van aardgas: een piepklein molecuul met één koolstofatoom en vier waterstofatomen, in de scheikunde geschreven als CH4. Normaal gesproken haal je waterstof uit aardgas door het te laten reageren met stoom, waarbij het koolstofatoom als CO2 de atmosfeer in gaat. Methaanpyrolyse doet iets fundamenteel anders: het molecuul wordt zo heet gemaakt dat het uiteenvalt, zonder dat er zuurstof aan te pas komt. Er ontstaat dan schoon waterstofgas én een vaste stof: koolstof, in de vorm van een fijn zwart poeder dat lijkt op roet of grafiet.
Vergelijk het met het pellen van een gekookt ei. Je haalt de schaal (de koolstof) er in één beweging af, zonder dat er iets verbrandt of wegwaait als gas. Wat overblijft is puur eiwit: in dit geval waterstofgas. Omdat er geen CO2 vrijkomt tijdens het proces zelf, wordt deze route ook wel turquoise waterstof genoemd: geen grijze waterstof (met CO2-uitstoot) en geen groene waterstof (via elektrolyse van water met stroom), maar iets ertussenin.
Wat is het precies?
De reactie is op papier simpel: CH4 wordt C (vaste koolstof) plus 2 H2 (waterstofgas). Het probleem is dat methaan van nature stabiel is; er moet flink wat warmte in gestopt worden om de bindingen tussen koolstof en waterstof te breken. Afhankelijk van de gekozen methode ligt de benodigde temperatuur tussen ruwweg 600 en meer dan 1500 graden Celsius.
Er zijn een paar manieren om dat voor elkaar te krijgen. Bij een vloeibaar-metaalreactor wordt aardgas in kleine belletjes door een bad van gesmolten metaal, bijvoorbeeld tin, geblazen. In die belletjes valt het methaan uiteen; de koolstof komt vrij als vaste deeltjes die naar boven drijven en afgeschept kunnen worden, terwijl het waterstofgas ontsnapt. Een variant hierop gebruikt gesmolten zout in plaats van metaal.
Bij een plasmareactor wordt het gas blootgesteld aan een elektrisch plasma, een soort kunstmatige bliksem, die de temperatuur lokaal enorm opjaagt en de reactie razendsnel laat verlopen. Een derde route is katalytische pyrolyse, waarbij een vaste stof zoals ijzererts als katalysator dient: die verlaagt de benodigde temperatuur, maar raakt na verloop van tijd bedekt met koolstof en moet worden ververst of gereinigd.
In alle gevallen is het resultaat hetzelfde: waterstofgas dat je kunt gebruiken als brandstof of grondstof, en een vaste koolstofrest die je relatief eenvoudig kunt opslaan of verkopen. Dat laatste is een belangrijk verschil met CO2, dat als gas moeilijker te vervoeren en op te slaan is.
Wat wil men ermee bereiken?
Waterstof is voor een aantal industrieën lastig te vervangen: staalproductie, kunstmest, chemie en zwaar transport hebben behoefte aan een brandstof of grondstof die je niet zomaar met batterijen kunt vervangen. Het probleem is dat de meeste waterstof vandaag de dag nog altijd "grijs" is, gemaakt uit aardgas met flinke CO2-uitstoot. Het alternatief, "groene" waterstof via elektrolyse met hernieuwbare stroom, is nog relatief duur en vraagt veel elektriciteit die ook voor andere doeleinden hard nodig is.
Methaanpyrolyse wordt gepresenteerd als een mogelijke tussenweg: aardgas is goedkoop en overal beschikbaar via bestaande infrastructuur, en het proces stoot geen CO2 uit zolang de benodigde warmte niet zelf uit fossiele bronnen met uitstoot komt. Bovendien is de vaste koolstof die overblijft in potentie verkoopbaar, bijvoorbeeld als grondstof voor autobanden, inkt, bouwmaterialen of batterij-elektroden. Dat zou de kosten van waterstofproductie kunnen drukken, in plaats van dat je moet betalen om CO2 af te vangen en op te slaan (CCS, carbon capture and storage).
Voorbeelden uit de praktijk
Het aantal echte, werkende installaties is nog beperkt, maar groeit gestaag.
- Monolith exploiteert sinds 2020 een fabriek bij Hallam, Nebraska (VS), de Olive Creek-installatie, die met een plasmareactor aardgas omzet in waterstof (deels verwerkt tot ammoniak) en koolstof die als carbon black wordt verkocht. Het is een van de weinige projecten die al op commerciële schaal draait.
- BASF ontwikkelde samen met het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in Duitsland een vloeibaar-metaalreactor en test die sinds enkele jaren in een pilotinstallatie in Ludwigshafen.
- Hazer Group uit Australië bouwde een Commercial Demonstration Plant nabij Perth, waar met een ijzerertskatalysator methaan wordt omgezet in waterstof en grafietachtige koolstof, met als mikpunt onder meer de markt voor batterijmaterialen.
- Ekona Power in Canada werkt aan een reactorontwerp op basis van pulserende verbranding ("pulse pyrolysis") en heeft interesse gewekt bij gevestigde energiebedrijven die naar koolstofarmere waterstofroutes zoeken.
- Amerikaanse start-ups als C-Zero en Modern Hydrogen ontwikkelen compacte, modulaire pyrolyse-eenheden die bij fabrieken of industrieterreinen ter plekke waterstof kunnen maken, zonder lange pijpleidingen.
Hoe ver is de techniek?
De meeste projecten bevinden zich nog in de pilot- of demonstratiefase: kleinschalige installaties die moeten bewijzen dat het proces betrouwbaar en betaalbaar op te schalen is. Monolith is daarin het verst, met een fabriek die daadwerkelijk product verkoopt, maar zelfs die capaciteit is klein vergeleken met de wereldwijde vraag naar waterstof.
Een hardnekkig technisch probleem is dat de vaste koolstof die ontstaat, zich ophoopt op reactorwanden, buizen en katalysatoroppervlakken. Dat verstopt de installatie en dwingt tot regelmatige schoonmaak of stilstand, wat de kosten opdrijft. Katalysatoren voor de katalytische route raken na verloop van tijd uitgeput en moeten worden vervangen of geregenereerd.
Een ander punt van zorg is de afzetmarkt voor de bijproduct-koolstof. Op kleine schaal is er vraag vanuit bijvoorbeeld de bandenindustrie, maar als methaanpyrolyse ooit een substantieel deel van de wereldwijde waterstofvraag zou moeten dekken, zou de hoeveelheid geproduceerde koolstof de bestaande markten voor carbon black en grafiet ver kunnen overtreffen. Dan moet die koolstof simpelweg gestort of opgeslagen worden, wat het economische voordeel ten opzichte van CO2-opslag deels wegneemt.
Ten slotte is er onduidelijkheid over regelgeving: of methaanpyrolyse-waterstof mag meetellen als "koolstofarme" of "hernieuwbare" waterstof binnen bijvoorbeeld de EU-waterstofregels of Amerikaanse belastingvoordelen, hangt af van hoe de gebruikte proceswarmte en elektriciteit worden opgewekt, en van de exacte levenscyclusberekening. Die discussie is nog niet overal uitgekristalliseerd.
Wie werken eraan?
Naast de eerder genoemde bedrijven Monolith, BASF, Hazer Group, Ekona Power, C-Zero en Modern Hydrogen zijn ook enkele grote energiebedrijven geïnteresseerd, omdat methaanpyrolyse past binnen hun zoektocht naar koolstofarmere toepassingen van aardgas. Op onderzoeksgebied geldt het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in Duitsland als een van de vroege academische pioniers van de vloeibaar-metaalreactor, in nauwe samenwerking met de Duitse chemie-industrie.
Landen met actief beleid of onderzoeksprogramma's op dit gebied zijn onder meer Duitsland, de Verenigde Staten, Canada en Australië, vaak in de context van bredere nationale waterstofstrategieën. Ook binnen de Europese Unie wordt methaanpyrolyse gevolgd als mogelijke aanvullende route naast elektrolyse, al is de rol ervan in het toekomstige waterstofbeleid nog niet uitgekristalliseerd.