Algemeen

Fossiele energie zonder kooldioxide emissie

fossiele energie zonder kooldioxide emissie
Elementair koolstofpoeder ontstaat naast waterstof bij het kraken van methaan met het nieuwe proces (foto: KIT).

Energie uit aardgas zonder kooldioxide-emissies zou snel mogelijk kunnen zijn met een technologie die is ontwikkeld door onderzoekers van het Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) in Potsdam en het Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Beide instituten hebben onderzoek gedaan naar een innovatief proces voor het milieuvriendelijke en efficiënte winnen van waterstof uit methaan. Na twee jaar kon men de principiële haalbaarheid van een nieuw proces aantonen.

Het verbranden van fossiele brandstoffen voor het opwekken van elektrische energie voor de aandrijving van automotoren of voor het produceren van warmte vormt een belangrijke bron van schadelijke CO2-emissies. Vooral methaangas, het hoofdbestanddeel van aardgas, is een wijdverbreid gebruikte fossiele brandstof. Prognoses gaan er vanuit, dat wereldwijd de productie in de komende tientallen jaren nog flink zal worden verhoogd.

Zonder de juiste tegenmaatregelen zou het verder gebruik van milieuschadelijke conventionele fossiele brandstoftechnologieën de inspanningen voor de gevolgen van de klimaatverandering sterk bemoeilijken. Daarom hebben wetenschappers van het IASS en het KIT een alternatieve en duurzame aanpak onderzocht: het benutten van de energie-inhoud van methaangas in de vorm van waterstof zonder de gelijktijdige vorming van kooldioxide.

Van CH4 naar H2 en C

In plaats van de directe verbranding van het methaan (CH4) kunnen de moleculaire componenten waterstof (H2) en koolstof (C) bij het zogenaamde kraken worden gescheiden. Deze reactie verloopt bij temperaturen die ruim boven de 750 °C liggen; hierbij ontstaan geen schadelijke emissies.

Waterstof is een energiedrager, die bekend staat om zijn schone verbranding en hoge energiedichtheid per massa-eenheid. Het eerste element uit het periodiek systeem wordt als een van de belangrijkste componenten gezien voor duurzame energiesystemen van de toekomst.

Geplande toepassingen zijn onder andere brandstofcellen, opwekking van elektrische energie en door waterstof aangedreven voertuigen. Los van deze toepassingen is waterstof een belangrijke industriële grondstof, die in grote hoeveelheden wordt gebruikt voor de productie van ammoniak, dat een belangrijke basismateriaal is voor de productie van meststoffen.

Productie van waterstof

De productie van waterstof wordt tot nog toe voor het grootste gedeelte uitgevoerd met behulp van conventionele technologieën zoals de damp-methaan-reformering, waarbij aardgas als basismateriaal nodig is. Hierbij komen echter aanzienlijke hoeveelheden kooldioxide vrij. De CO2-emissies van de ammoniakindustrie alleen lopen al tegen de 200 miljoen ton per jaar. Ter vergelijking: voor heel Duitsland is dit circa 800 miljoen ton per jaar.

Bij het kraken van methaan ontstaat vaste, zwarte elementaire koolstof als nevenproduct. Ook van dit element stijgt het belang als industriële grondstof nog steeds. Koolstof wordt in grote hoeveelheden gebruikt in de productie van staal, koolstofvezels en veel op koolstof gebaseerde structuren en materialen.

De koolstof, die ontstaat bij de nieuwe vorm van het kraakproces, is van hoge kwaliteit en zuiverheid en heeft de vorm van een poeder. De waarde van het product op de markt draagt bij aan de economische haalbaarheid van het methaan kraken. Als alternatief zou de koolstof ook kunnen worden opgeslagen, wat eenvoudiger, veiliger en goedkoper is dan de opslag van kooldioxide.

Zonder kooldioxide

Het kraken van methaangas is geen nieuw idee. De laatste twintig jaar zijn bij diverse instellingen al verschillende proeven uitgevoerd om het bewijs te leveren van de technische haalbaarheid. Maar er ontstonden telkens weer verstoppingen in de installatie, waardoor de omzettingsgraad overeenkomstig gering was.

IAAS en KIT hebben op basis van de verkregen kennis een stap verder gedaan. Uitgangspunt was een op vloeibaar metaaltechnologie gebaseerde nieuwe reactor. Hierbij worden kleine methaangasbelletjes van onderaf in een met gesmolten tin gevulde zuil ingebracht. Tijdens het opstijgen in het vloeibare metaal vindt de kraakreactie plaats. De koolstof wordt aan het oppervlak van de bellen afgescheiden en bij het uiteenvallen van de gasbellen in het bovenste stuk van de reactor als poeder afgezet.

Tussen eind 2012 en het voorjaar van 2015 werden in het KArlsruhe Liquid Metal LAboratory (KALLA) van KIT meerdere testseries uitgevoerd. Daarbij werden verschillende parameterinstellingen en opties voor temperatuur, constructiemateriaal en stijgtijd onderzocht. Het resultaat was een 1,2 m hoge installatie van kwarts en edelstaal, waarbij zowel zuiver tin als een mengsel van tin en kwartsvulling kan worden gebruikt.

Tijdens de laatste proeven draaide de reactor zonder onderbreking gedurende twee weken. Het leverde waterstof op bij een omzettingsgraad tot 78% bij temperaturen van 1200 °C. Dit continubedrijf is elementair voor een in de toekomst industrieel gebruikte reactor. De reactor is bestand tegen corrosie. Verstoppingen treden niet op, omdat het ontstane micro-granulaire koolstofpoeder gemakkelijk kan worden afgescheiden. De reactor beschikt zodoende over de technische eisen, die noodzakelijk zijn voor een inzet als industriële reactor.

Opschaling

De op laboratoriumschaal uitgevoerde proeven maken het mogelijk om in te schatten, hoe het kraken van methaangas in toekomstige energiesystemen kan worden geïntegreerd en daarmee een bijdrage kan leveren aan duurzaamheid. Voor dit doel werkt het IASS nu ook samen met RWTH Aachen.

Onderwerp van deze samenwerking is de analyse van de levenscyclus van een hypothetische commerciële installatie op basis van het nu beproefde proces. Daarbij wordt ervan uitgegaan, dat een deel van de geproduceerde waterstof wordt gebruikt voor het opwekken van de noodzakelijke proceswarmte.

In het kader van de levenscyclusanalyse is dit kraakproces vergeleken met het proces van de damp-methaan-reformering (SMR) en de waterelektrolyse met hernieuwbare stroom. Met het oog op de emissie van kooldioxide-equivalenten per eenheid waterstof bleek, dat het kraken van methaangas met waterelektrolyse vergelijkbaar is en meer dan 50% schoner dan het SMR-proces.

De onderzoekers van het IASS hebben ook de economische aspecten van het kraken van methaangas onderzocht. De schattingen voor de kosten vertonen op dit moment nog grote verschillen, doordat het proces nog niet is uitgerijpt. Voorlopige berekeningen tonen aan, dat bij de huidige aardgasprijzen de kosten in de buurt liggen van €1,90 tot € 3,30 per kilogram waterstof, waarbij de mogelijkheid van de marktwaarde van de koolstof nog niet is opgenomen.

De resultaten van de onderzoeken en alle ecologische en economische analyses toonden aan, dat het kraken van methaan een mogelijke optie zou zijn voor de omschakeling van het huidige energiesysteem. Het proces zou de rol kunnen spelen van brugtechnologie. Hiermee kan de energiepotentie van aardgas worden benut. Tegelijkertijd wordt het klimaat beschermd en de invoering van een schone energiedrager als waterstof binnen ons energiesysteem gemakkelijker.

KIT en IASS willen nu de uitvoering van de reactor en ook van het proces voor de afscheiding van koolstof optimaliseren en opschalen om de prestaties te verhogen.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven