Waterstofproductie

Waterstofproductie is een proces dat over het algemeen koolwaterstoffen middels een chemische reactie omvormt tot waterstofgas. Deze methode wordt bijvoorbeeld toegepast bij de productie van waterstofgas als grondstof voor de productie van kunstmest (ammoniak). Hierbij komt CO2 vrij.

Waterstofgas kan ook verkregen worden middels biologische waterstofproductie in een algenbioreactor, of door het gebruik van grote hoeveelheden elektriciteit (door elektrolyse), hitte (thermolyse) of een tussenvorm (hogetemperatuurelektrolyse). Deze methoden zijn op dit moment niet kosteneffectief voor grote hoeveelheden. Productie van waterstofgas uit elektriciteit is momenteel alleen interessant als er een tijdelijk overschot is aan wind- of zonne-energie of waterkracht. Goedkope, massale productie met een duurzame oorsprong is een vereiste voor een gezonde waterstofeconomie.

Vanuit koolwaterstoffen

Waterstof kan worden verkregen uit de fossiele brandstoffen aardgas of steenkool. Waterstofgas kan verkregen worden uit aardgas met ongeveer 80% rendement, of vanuit andere koolwaterstoffen, waarbij het rendement varieert. Deze manier van het verkrijgen van waterstofgas stoot broeikasgassen uit, en staat daarom bekend als grijze waterstof. Omdat de productie op één plaats geconcentreerd kan worden, is het mogelijk deze gassen op een nette manier af te werken, bijvoorbeeld door deze terug te pompen in een olie- of gasveld, alhoewel deze methode nog niet vaak wordt toegepast. Een CO2-injectieproject is gestart door het Noorse bedrijf Statoil in het Sleipnerveld, gelegen in de Noordzee.

Stoomreforming

Waterstofgas wordt voor commerciële toepassingen vaak in grote hoeveelheden geproduceerd door middel van reforming van aardgas. Op hoge temperaturen (700-1100 °C), reageert stoom (H2O) met methaan (CH4). Deze reactie is endothermisch en heeft als product syngas.

CH4 + H2O → CO + 3 H2 - 191.7 kJ/mol

De vereiste hitte voor dit proces wordt gewoonlijk verkregen uit het verbranden van een deel van het methaan.

CO
Gasvorming

Meer waterstofgas kan worden verkregen uit het CO via water-gassplitsing, dat plaatsvindt op ongeveer 130 °C.

CO + H2O → CO2 + H2 + 40.4 kJ/mol

Hierbij wordt het zuurstofatoom vanuit het water gebruikt om koolmonoxide om te vormen naar kooldioxide, waarbij diwaterstof vrijkomt.

Steenkool

Steenkool kan worden omgezet in syngas (ook wel bekend als stadsgas) door middel van vergassing waarbij ook de ontstane CO omgezet kan worden in waterstofgas.

C + H2O → CO + H2

CO + H2O → CO2 + H2

Kværnerproces

Het kværnerproces is een in de jaren 80 door het Noorse Aker Solutions ontwikkelde methode voor de productie van waterstof uit koolwaterstoffen (CnHm), zoals methaan, aardgas en biogas.

Mierenzuur en methanol als opslag van waterstofgas

Mierenzuur is bij proeven toegepast als bron voor waterstof voor gebruik in een brandstofcel in auto's. Hierbij wordt het mierenzuur (HCOOH) met een katalysator omgezet in waterstofgas (H2) en CO2. Het zelfde geldt voor methanol (CH3OH). Bij deze toepassing kunnen mierenzuur en methanol eerst geproduceerd worden uit waterstof. Mierenzuur en methanol dienen hierbij dan ook als een vloeibare vorm van opslag van waterstofgas. Bij de productie van waterstof uit elektriciteit via mierenzuur gaat ongeveer 55% van de energie verloren, wat vergelijkbaar is met waterstofproductie uit elektrolyse. Het voordeel is dat mierenzuur en methanol vloeibaar zijn (mierenzuur al bij kamertemperatuur) en het volume in vergelijking met waterstofgas dus veel beperkter is. Mierenzuur is in tegenstelling tot methanol niet brandbaar. Mierenzuur heeft tegenover methanol weer als nadeel dat het erg corrosief is.

Vanuit water
Een algae-bioreactor voor waterstofproductie

Biologische productie

Onder bepaalde omstandigheden produceren algen waterstofgas. In 1997 werd ontdekt dat algen van de productie van zuurstof (via normale fotosynthese) overschakelen op de productie van waterstofgas als zwavel onthouden wordt. In 2007 werd de ontdekking gedaan dat het toevoegen van koper hetzelfde resultaat geeft.

Elektrolyse
Aan boord van het schip Hydrogen Challenger gebeurt waterstofproductie d.m.v. elektrolyse m.b.v. windenergie

Wanneer er gebruik wordt gemaakt van een chemische energiebron, zal het produceren van waterstofgas altijd efficiënter zijn door middel van een directe chemische reactie. Maar wanneer een mechanische manier van energieopwekking zoals waterkracht of windenergie gebruikt wordt, kan het interessant worden om te kijken naar elektrolyse. Over het algemeen is de benodigde energie bij dit proces hoger dan de waarde van het geleverde waterstof, waardoor deze manier van productie niet vaak gebruikt wordt.

Wanneer de energiebron primair warmte levert (zoals bij zonne-energie of kernenergie), is het op dit moment alleen mogelijk waterstofgas te produceren door middel van lagetemperatuurelektrolyse. Daarnaast is er ook een proces dat bekendstaat als hogetemperatuurelektrolyse (HTE). Dit proces maakt gebruik van de hitte-energie uit de warmtebron om waterstof te verkrijgen. In potentie is hiermee 50% meer efficiëntie te behalen, doordat de energie niet eerst de stap van hitte naar elektriciteit hoeft te maken. HTE is inmiddels succesvol gedemonstreerd in laboratoria, maar nog niet op een schaal die commercieel aantrekkelijk is.

Hogedrukelektrolyse

Hogedrukelektrolyse is de elektrolyse van water (H2O) in zuurstofgas (O2) en waterstofgas (H2) onder druk op ongeveer 120-200 bar.

Hogetemperatuurelektrolyse
SOEC 60 cel stack

Het HTE-proces wordt normaal gesproken alleen overwogen wanneer er kernenergie als warmtebron beschikbaar is, omdat andere niet-chemische vormen van de vereiste warmte te onstabiel zijn (geconcentreerde zonne-energie) om de kosten van een HTE-installatie te verantwoorden. Het doel is dat onderzoek naar HTE- en hogetemperatuurkernreactoren uiteindelijk zal leiden naar een waterstofproductieproces dat kan concurreren met reforming, de techniek wordt niet verwacht voor 2030, daarbij is het niet duidelijk of het in veiligheid en productie kan concurreren met het decentrale opwekkings concept

Een solid oxide electrolyser cell (SOEC) is een solid oxide fuel cell (SOFC) in regeneratieve modus voor de elektrolyse van water op temperaturen van 500 tot 850 °C met een vast oxide of keramiek elektrolyt voor de productie van waterstofgas.[1]

Thermochemische productie

Er zijn meer dan 200 thermochemische processen bekend om waterstofgas te produceren.[2] Deze kunnen door hitte water ontbinden in waterstofgas en zuurstofgas zonder elektrische energie. Omdat de enige benodigde energie hiervoor in de vorm van hitte vrijkomt, kan dit proces nog efficiënter zijn dan HTE. Een dozijn van deze processen zoals de cerium(IV)oxide-cerium(III)oxidecyclus, zink-zinkoxidecyclus, zwavel-jodiumcyclus worden onderzocht en zijn in testfase, geen van deze thermochemische processen zijn gedemonstreerd op een massaproductie niveau, hoewel er verschillende demonstraties in laboratoria hebben plaatsgevonden.

Fotokatalytische productie

In plaats van het produceren van waterstof uit de elektriciteit uit bijvoorbeeld zonnecellen is het efficiënter om dit direct te doen. Er wordt op dit moment onderzoek gedaan naar deze nieuwe technologie, fotokatalytische waterstofproductie die gebaseerd is op de fotokatalyse reactie. De technologie maakt gebruik van een foto-elektrochemische cel.

Waterstofgas als nevenproduct

Waterstofgas is een nevenproduct bij de productie van chloorgas wanneer een oplossing van natriumchloride wordt geëlektrolyseerd.

In de chloorfabriek van Solvay bij Antwerpen wordt dit waterstofgas middels een brandstofcel benut voor de productie van elektriciteit en warmte (beiden 1 MW)[3]

Ongewenste waterstofvorming
  • Naast gewenste waterstofproductie bestaan er ook voorbeelden van ongewenste vorming van waterstofgas. In metaal kunnen bij zeer hoge temperaturen waterstofbelletjes ontstaan waardoor het metaal verzwakt wordt. Dit treedt op bijvoorbeeld in de reactorwand van kerncentrales. De ontploffingen in de kerncentrale bij Fukushima werden veroorzaakt doordat koelwater door de zeer hoge temperatuur ontleedde in zuurstof en waterstofgas.

Andere methode
  • Er bestaan theorieën over de aanwezigheid van waterstofgas in de aardkorst. Dit zou het boren naar waterstof mogelijk maken, zoals er op dit moment olie en gas geboord wordt. Zie externe bronnen.

Noten
  1. Durability of solid oxide electrolysis cells for hydrogen production
  2. Development of solar-powered thermochemical production of hydrogen from water
  3. https://web.archive.org/web/20170411054742/http://www.gawalo.nl/artikel/1126946-grootste-brandstofcel-ter-wereld-voor-chloorfabriek-antwerpen
Mediabestanden die bij dit onderwerp horen, zijn te vinden op de pagina Waterstofproductie op Wikimedia Commons.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.