Nederland: onderzoek naar productie van groenere waterstof uit plasmareactor

Een nieuwe manier voor het produceren van groene waterstof. Op de universiteit van Maastricht wordt onderzoek gedaan naar emissievrije waterstofproductie via een plasmareactor. Met een onderzoeksbudget van 5 miljoen euro gaan de onderzoekers de eerste testreactor van 10 kilowatt opschalen naar 50 en vervolgens 100 kilowatt. “Dat is onze specialiteit. Wereldwijd zijn we de enigen die dit voor elkaar krijgen.”

Groene emissievrije waterstof maken? Pers dan de elektrische energie van 2-3 grote windmolens en methaan samen in een buis van één meter en je maakt waterstof en andere grondstoffen voor de chemie, terwijl er geen CO2 vrijkomt. In het plasmalaboratorium van de Universiteit Maastricht krijgen Gerard van Rooij (foto onder) en zijn collega’s deze techniek aan de praat. Met een subsidie van GroenvermogenNL, TNO en Sitech op de Brightlands Chemelot Campus hebben de Limburgse onderzoekers een budget van 5 miljoen euro beschikbaar.

Traditioneel haalt de chemische industrie waterstof (H2) uit aardgas (methaan, CH4) waarbij koolstof (C) vrijkomt als broeikasgas, koolstofdioxide en juist daarvan willen we af. De ontwikkeling van de productie van groene waterstof kost schaarse tijd. De chemische industrie op bijvoorbeeld industriepark Chemelot in Geleen wil zo snel mogelijk vergroenen. Daarom kijken van onderzoeker en hoogleraar Gerard van Rooij en zijn collega’s naar een alternatieve, sneller realiseerbare route: de productie van waterstof met plasmachemie.

“Met groene elektrische energie maken we van methaan een plasma van zo’n 2000 graden Celcius . Het CH4-molecuul valt dan uit elkaar in zijn onderdelen, koolstof en waterstof”, legt van Rooij uit. In hun laboratorium onderzoeken de wetenschappers het plasma in realtime. “Dat is onze specialiteit. Wereldwijd zijn we de enigen die dit voor elkaar krijgen.” De hoogleraar vertelt zijn verhaal bij een experimentele reactor, een dunne glazen buis waarin een plasma oplicht als een lichtzwaard uit de film Star Wars.

“Met een plasma haal je makkelijk waterstof uit methaan, maar dan houd je puur koolstof over. Op grote schaal heeft die koolstof nauwelijks waarde.” Van Rooij wil de koolstof nuttiger gebruiken, bijvoorbeeld als grondstof voor de productie van kunststoffen. “We kunnen de plasmareactie sturen zodat niet koolstof, maar etheen ontstaat.  Etheen is de grondstof voor polyetheen, de meest gebruikte kunststof in de wereld. Je houdt dan minder waterstof over, maar krijgt er een waardevolle grondstof voor terug waar op grote schaal behoefte aan is.”

De vorming van etheen in een plasmareactor is een extreem moeilijke opgave die de onderzoekers in hun laboratorium onder de knie kregen. “Koolstof en waterstof kunnen allerlei nieuwe moleculen vormen, welke dat zijn, is afhankelijk van de temperatuur. Voor de vorming van etheen is essentieel om het plasma binnen 100 microseconden af te koelen tot de juiste temperatuur.” Ter vergelijking, één keer met je ogen knipperen duurt 1000 keer langer. 

De plasmareactor heeft nog lang niet de schaal die nodig is voor de industriële productie. De glazen testreactor heeft een vermogen van 10 kilowatt, wat overeenkomt met zo’n 10 keukenmagnetrons. In het lab leggen ingenieurs van de universiteit, en haar partners TNO en Sitech, de laatste hand aan een groter model met een vermogen van 50 kilowatt (foto) terwijl een 100 kilowatt magnetron onderweg is. “We schalen de proefinstallatie niet stap voor stap op, maar tegelijkertijd op meerdere niveaus, om op tijd voor 2050 klaar te zijn.”

Op industriële schaal is een vermogen van 10-50 megawatt nodig. “Dat is de energie die 2-3 grote windmolens maken.” Opschalen betekent overigens niet per se enorm groeien in formaat. Een industriële plasmareactor is een relatief klein instrument, een uit de kluiten gewassen uitlaat met een knalpot.

Bij het methaan dat de onderzoekers gebruiken, denk je onmiddellijk aan aardgas dat nog steeds een fossiele brandstof is. Om klimaatneutraal te worden, mikken de onderzoekers voor hun techniek op industriële reststromen, bijvoorbeeld methaan dat vrijkomt uit een naftakraker, uit de chemische recycling van kunststoffen of uit de productie van biogas. “Zonder plasmatechnologie zouden we al dit methaan blijven verbranden en daardoor CO2 uitstoten. Met plasmatechnologie wordt deze gebruikt als grondstof voor producten en wordt het systeem enorm duurzamer.”

Tekst: Universiteit Maastricht / Waterstof Magazine 

Lees ook: nederland-wereldrecord-bouw-van-nieuw-werkschip-op-waterstof-duurt-slechts-een-half-jaar