Van steam methane reforming naar groene waterstof

It’s all about Cryogenius.

Van steam methane reforming naar groene waterstof

Duurzaamheid staat hoog op de politieke agenda. In onze vorige blogs over vloeibare waterstof beschreven we al kort hoe waterstof als duurzame energiedrager en brandstof een steeds belangrijker rol begint te spelen binnen diverse industrieën. 

In deze blog gaan we dieper in op de verschillende manieren waarop waterstof kan worden geproduceerd. We kijken naar grijze, blauwe en groene waterstof, we leggen uit wat steam methane reforming inhoudt, welke problemen deze methode oplevert en hoe we langzaam richting een wereld vol duurzame waterstof bewegen.

Waterstof in drie kleuren

Waterstof kan op diverse manieren worden geproduceerd. De ene manier is aanzienlijk duurzamer dan de andere, en de methoden worden hierdoor vaak aangeduid met kleuren. De drie meest gangbare productiemethoden worden grijze, blauwe en groene waterstof genoemd.

Grijze waterstof (steam methane reforming)

Momenteel wordt zo’n 95% van alle waterstof in Europa geproduceerd door middel van steam methane reforming. Deze methode maakt gebruik van stoom op een hoge temperatuur (700-1000 graden Celsius) om waterstof te produceren uit een methaanbron, zoals aardgas of kolen. De twee elementen geven een reactie onder een druk van 3-25 bar (1 bar = 14,5 psi) in aanwezigheid van een katalysator. Deze reactie zorgt voor het ontstaan van CO, CO2 en waterstof. 

Vervolgens wordt in een tweede stap, de ‘water-gas-shift-reactie’ genoemd, het waterstofgehalte nog eens extra verrijkt. Tijdens deze stap wordt een reactie gevormd tussen stoom en CO, ook deze keer met behulp van een katalysator. Hieruit ontstaat een kleine hoeveelheid warmte, maar ook CO en een grote hoeveelheid waterstof. 

De scheikundige formules van dit proces ziet er als volgt uit: 

Steam methane reforming

CH4 + H2O → CO + 3H2

Water-gas-shift-reactie

CO + H2O → CO2 + H2

Steam methane reforming is een efficient proces, maar helaas flink schadelijk voor het milieu. 

Voor elke kilo waterstof die met deze methode wordt geproduceerd, komt maar liefst 7 kilo CO2 vrij. 

Blauwe waterstof

Een iets duurzamer alternatief is blauwe waterstof. Blauwe waterstof is in principe hetzelfde als grijze waterstof (geproduceerd door middel van steam methane reforming), maar het overgrote deel van de CO2 wordt afgevangen en (ondergronds) opgeslagen (carbon capture and storage) of hergebruikt (carbon capture and usage).

Bij carbon capture and storage (CCS) wordt de vrijgekomen CO2 via pijpleidingen naar lege gasvelden vervoerd, en bijvoorbeeld geïnjecteerd in ondergrondse zandsteenlagen. Ook kan de CO2 worden afgevangen en worden hergebruikt bij de productie van bijvoorbeeld biobrandstoffen, kunststoffen of beton. Dit wordt carbon capture and usage (CCU) genoemd. 

Blauwe waterstof is een stuk duurzamer dan grijze waterstof, maar het afvangen van CO2 vergt uiteraard extra infrastructuren en energie. Hierdoor zijn de kosten van blauwe waterstof hoger dan die van grijze waterstof. 

Groene waterstof

Het meest duurzame, maar helaas ook het meest uitdagende alternatief is groene waterstof. Groene waterstof wordt geproduceerd door middel van elektrolyse. Deze chemische reactie zorgt met behulp van elektrische stroom dat samengestelde stoffen kunnen worden ontleed tot enkelvoudige stoffen. Om groene waterstof te produceren, wordt water opgesplitst in zuurstof en waterstof. 

Elektrolyse en groene waterstof staan momenteel volop onder de aandacht. Wanneer uitsluitend gebruik wordt gemaakt van groene energie (zoals wind- of zonne-energie), is het proces namelijk CO2-neutraal. 

De productie van groene waterstof is echter niet goedkoop. Voor elektrolyse is relatief veel groene stroom nodig en ook de efficiëntie van het totale productieproces – inclusief elektrolyse – is nog in ontwikkeling. Al deze uitdagingen zijn van invloed op de schaalgrootte, en er wordt daarom wereldwijd nog maar weinig groene waterstof geproduceerd. Dit zal echter, naar verwachting, in de nabije toekomst gaan veranderen. 

Van steam methane reforming naar groene waterstof

Hoe bereiken we uiteindelijk die economie van groene waterstof? Hoe zal de ontwikkeling vanaf het jaar 2021, waarin steam methane reforming nog dé methode is, richting duurzame groene waterstof gaan verlopen?

Zoals SINTEF beschreef in een recente blog: “The future is green, but the path there is multicoloured.” Voordat groene waterstof het van grijze waterstof zal gaan winnen, zijn we naar verwachting minstens enkele tientallen jaren verder. De exacte tijdlijn blijft gissen, maar er worden voorspellingen gedaan van de productiemethoden die we tussen nu en 2050 zullen gaan zien. 

Voorspellingen van SINTEF

De onderstaande tabel is gebaseerd op de uitkomsten van de Hydrogen for Europe pre-study, en enigszins aangepast door SINTEF. De verschillende kleuren geven een voorspelling weer van de productiewijzen van waterstof in de komende decennia. 

Bron: SINTEF

De zwarte lijn

Allereerst wijst de zwarte stippellijn op de verwachte groei in de productie van waterstof in totaal. Er is geen twijfel over mogelijk: de vraag naar waterstof zal tussen nu en 2050 aanzienlijk stijgen.

De grijze lijn

De grijze lijn (H2 from natural gas) wijst op waterstof geproduceerd door middel van steam methane reforming. Terwijl in 2021 nog bijna alle waterstof op deze manier wordt geproduceerd, gaat de grijze lijn naar alle waarschijnlijkheid vanaf dit jaar sterk omlaag. Grijze waterstof is in 2021 nog veruit de snelste en goedkoopste optie, maar met blauwe en groene waterstof in opkomst, zal in de nabije toekomst steeds minder grijze waterstof nodig zijn. 

De blauwe lijn

De blauwe lijn wijst op blauwe waterstof. Blauwe waterstof is in principe grijze waterstof, waarbij de CO2 wordt afgevangen. Omdat de productieprocessen verder zo vergelijkbaar zijn, is blauwe waterstof een logische eerste stap richting duurzaamheid. De infrastructuren voor steam methane reforming bestaan immers al. De enige aanvulling die nodig is voor de productie van blauwe waterstof zijn de systemen voor carbon capture and storage (CCS) of carbon capture and usage (CCU).

De Groene Lijn

Terwijl blauwe waterstof als tussenvorm dient, is groene waterstof (geproduceerd met hernieuwbare bronnen en elektrolyse) binnen de meeste strategieën het einddoel. Groene waterstof en de bijbehorende processen zijn echter nog in de beginfase, waardoor de groene lijn de blauwe lijn waarschijnlijk binnenkort nog niet zal inhalen. 

De ontwikkelingen rondom de productie van groene waterstof zijn gelukkig in volle gang. Een flink aantal landen heeft geïnvesteerd in pilot projecten rondom de productie, opslag, het vervoer en natuurlijk de toepassing van groene waterstof (zie onze recente blog, ‘Waar wordt waterstof voor gebruikt?’). 

Om de gewenste groene waterstofeconomie te kunnen bereiken is echter nog meer investering, meer onderzoek en een verlaging van de kosten nodig. Dit kost tijd, wat duidelijk is terug te zien in de groene lijn.

De gele lijn

Als laatste is op de afbeelding een gele lijn te zien. Deze methode maakt gebruik van biomassa (en CCS) voor de productie van waterstof. In principe is het gebruik van biomassa duurzaam, zolang deze biomassa restafval betreft. Aangezien het opwekken van waterstof met biomassa echter een minder efficiënt proces is en er minder biomassa beschikbaar is, zal waterstofproductie met behulp van duurzame energie een groter aandeel hebben in de totale hoeveelheid geproduceerde waterstof.

Een toekomst zonder CO2-uitstoot

Wat betekenen deze ontwikkelingen voor de totale uitstoot van CO2 in Europa in de komende tientallen jaren? Dit moet uiteraard nog blijken, maar de voorspellingen zijn positief. Volgens SINTEF zou het gebruik van schone waterstof kunnen resulteren in een vermindering van meer dan 800 Mt CO2 per jaar in 2050. Dit is 19% van de huidige broeikasgasemissies. 

Voor deze aanzienlijke vermindering in CO2-uitstoot is natuurlijk wel de verwachte groei in groene waterstofproductie nodig. Een vertienvoudiging van de huidige marktomvang zelfs, allemaal geproduceerd op een duurzame manier.

Wilt u meer weten?

Demaco heeft al zo’n 30 jaar ervaring in het ontwerpen en produceren van de beste infrastructuren voor vloeibare waterstof. Heb je vragen over ons werk? Neem gerust contact met ons op of neem een kijkje tussen onze producten en projecten voor meer informatie.

Share on facebook
Share on linkedin
Share on email

Verwante berichten

Demaco 1

Alles over (vloeibare) waterstof

Duurzaamheid staat in de huidige samenleving centraal. Natuurrampen, verontrustende nieuwsberichten en de nodige druk vanuit de politiek zorgen

Neem contact met ons op voor meer informatie

Subscribe to Demaco