Waterstof: de groene energiedrager van de toekomst? Understand article

Vertaald door Piet Das. Waterstof kan de brandstof van de toekomst zijn, maar hoe kunnen we het duurzaam produceren ? Karin Willquist legt het uit.

Waterstof wordt ook wel ‘de energiedrager van de toekomst’ genoemd – omdat het kan worden geoxideerd in een brandstofcel om elektriciteit op te wekken, om bijvoorbeeld auto’s aan te drijven zonder dat er kooldioxide (CO₂) vrijkomt. Het kan worden geproduceerd in afgelegen gebieden zonder een elektriciteitsinfrastructuur. In tegenstelling tot de beschikbare bronnen als aardgas en benzine , moet waterstof worden geproduceerd , waardoor het een energiedrager is en geen brandstof.

Een energiesysteem waarin waterstof wordt gebruikt om energie te leveren – een waterstofeconomie – werd voorgesteld door John Bockris in 1970; in 1977 werd een internationale waterstof overeenkomst opgezet om dat te verwezenlijken^w1.

Waterstof wordt tegenwoordig meer gebruikt als een chemische reagens dan als energiedrager, maar het heeft zonder twijfel de potentie om onze vervoers- en energiesystemen volledig te veranderen. Het realiseren van die potentie is echter niet eenvoudig. De brandstoffen die momenteel gebruikt worden zijn vloeistoffen, vaste stoffen of gassen met een hoge energie per volume ( energiedichtheid) . Waterstof daarentegen heeft een lage energiedichtheid: bij een gegeven druk geeft het verbranden van een liter waterstof maar een derde van de energie die het verbranden van een liter methaan geeft. Hierdoor ontstaan problemen bij de opslag, distributie en gebruik, die worden aangepakt door wetenschappers (Schlapbach & Züttel, 2001)^w2. Een fundamenteel probleem is echter om waterstof op duurzame wijze te produceren . Hier zal ik mij in dit artikel op focussen.

Manieren om waterstof te maken

Waterstof is een veel voorkomend element op aarde. Het is meestal gekoppeld aan koolstof in koolhydraten (in planten) of aan zuurstof in water (H₂O). Waterstofgas (H₂), daarentegen komt alleen in kleine hoeveelheden op aarde voor. Een van de uitdagingen voor een duurzame productie van waterstof is het vrijmaken van H₂ uit de verbindingen met koolstof en zuurstof.

Op dit moment wordt H₂ voornamelijk geproduceerd uit fossiele brandstoffen (bijv. aardgas) met behulp van stoom: het verwarmen van brandstoffen bij hoge temperaturen met water^w2:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂                                              (1)

CO + H₂O → CO₂ + H₂                                                (2)

Deze methode is echter afhankelijk van fossiele brandstoffen en door de CO₂ – uitstoot geeft het dezelfde emissieproblemen als het verbranden van fossiele brandstoffen. Omzetting met behulp van stoom is alleen duurzaam als hernieuwbare koolwaterstoffen zoals biogas worden gebruikt, omdat de vrijkomende CO₂ al eerder opgenomen werd bij het ontstaan van koolwaterstoffen in planten.

H₂ kan ook worden geproduceerd door elektrolyse^w2, waarbij elektriciteit wordt gebruikt om H₂O in H₂ en zuurstof te splitsen:

2H₂O → 2H₂ + O₂                                                       (3)

Deze methode kan duurzaam zijn als de elektriciteit van hernieuwbare bronnen komt, zoals wind, water of zonne-energie. H₂ kan op deze manier worden gebruikt om energie op te slaan op winderige dagen als de windmolens meer elektriciteit produceren dan kan worden geconsumeerd.

Interessant is dat het splitsen van H₂O van nature voorkomt in de oceanen , omdat microscopische algen en cyanobacteriën zonne-energie gebruiken om water te splitsen in een proces genaamd biofotolyse (Reactievergelijking 3). De snelheid van de H₂ productie is echter uiterst traag.

Men heeft zich ingespannen om de productie te verhogen onder gecontroleerde omstandigheden met behulp van gemodificeerde micro-organismen, maar de processen zijn nog steeds te traag en te duur om een realistische bron van H₂ op korte termijn te zijn (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

Tot slot kan biowaterstof met behulp van bacteriën worden geproduceerd uit gewassen en van industriëel bos-en landbouwafval. Net als wij oxideren deze bacteriën plantaardig materiaal als bron van energie, maar anders dan wij leven ze in anaërobe omstandigheden ( tekort aan zuurstof). Bij aërobe verbanding gebruiken we bijvoorbeeld O₂ om suikers te oxideren.

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6 H₂O                            (4)

In tegenstelling hiermee: Om het substraat zoveel mogelijk te oxideren en daarmee energiewinst te optimaliseren, reduceren deze anaerobe bacteriën protonen die tijdens de oxidatie van het substraat ontstaan tot H₂ ( Reactievergelijking 6, hieronder).

“Hot bugs”

Tijdens mijn promotie heb ik onderzoek gedaan naar het waterstof-producerende vermogen van een van deze bacteriën, Caldicellulosiruptor saccharolyticus (figuur 1) die leeft in hete bronnen : anaërobe omstandigheden bij 70° C en kleine hoeveelheden beschikbare koolhydraten . Deze bacterie is met name van belang omdat het twee keer zo efficiënt is als de meeste bacteriën gebruikt voor de productie van H₂.

In tegenstelling tot mensen krijgt C. saccharolyticus energie uit een breed spectrum van plantaardige bouwstenen : niet alleen glucose, maar ook bijvoorbeeld xylose (Willquist et al., 2010).

Hierdoor kan de bacterie H₂ produceren uit afvalstoffen zoals die bij de aardappel-, suiker- en wortelverwerking ontstaan en tevens uit industrieel afval van de pulp en papierproductie of uit landbouwafval zoals stro.

Dit is een veelbelovend begin maar zelfs C. saccharolyticus haalt slechts 33% van de potentiële H₂ die zou kunnen worden vrijgemaakt uit het substraat. Vergelijking 5 toont de mogelijke totale oxidatie van glucose waarbij 12 H₂ per molecuul glucose vrijkomt. Vergelijking 6 toont fermentatie in het donker door C. saccharolyticus die slechts 4 H₂ (33 % ) per molecuul glucose geeft. De rest van de energie komt vrij als acetaat ( CH₃COOH ).

Totale omzetting van glucose tot H₂: C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 12H₂ + 6CO₂       (5)

Fermentatie in het donker: C₆H₁₂O₆ + 2H₂O → 4H₂ + 2CO₂ + 2CH₃COOH           (6)

Om de rest van de H₂ vrij te maken uit het acetaat is energie van buitenaf nodig . Ook kan methaan (CH₄) – waaruit met behulp van stoom H₂ kan ontstaan (vergelijkingen 1 en 2) – uit acetaat worden gehaald. Gelukkig zijn er drie veelbelovende manieren om dit te doen (figuur 2).

1. Met zonlicht acetaat omzetten in H₂ met behulp van fotofermentatieve bacteriën ( reactievergelijking 7)^w3. Net zoals de productie van H₂ door algen is dit proces echter op dit moment te traag en te duur om commercieel levensvatbaar te zijn op de korte termijn (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

   2CH₃COOH + 4H₂O → 8H₂ + 4CO₂                                 (7)
    

2. Elektriciteit gebruiken om de reactie van acetaat tot H₂ in een microbiële brandstofcel met een mengsel van bacteriesoorten te versnellen (Vergelijking 7)^w4. Dit is een elegant concept maar de toepassing ervan wordt momenteel beperkt door een lage productie (Hallenbeck & Gush, 2009). (Om te leren hoe je je eigen microbiële brandstofcel op te bouwen, zie Madden, 2010.)
    
3. Methaan genereren met behulp van methaanproducenten (Archaea) die acetaat verteren (reactievergelijking 8). De combinatie van fermentatie in het donker ( reactievergelijking 6) en methaanproductie staat bekend als het “hythane” = waterstofmethaan proces en daarmee kan ongeveer 90% van het oorspronkelijke substraat omgezet worden in H₂ en methaan.

   CH₃COOH → CH₄ + CO₂                                                (8)

   De methaan kan met behulp van stoom worden omgezet in H₂.

Om het waterstofmethaanproces in het juiste perspectief te plaatsen: als vier mensen in een huis 10 kg aardappelproducten eten in één maand kan hun afval 0,5% van hun maandelijkse huishoudelijke energiebehoefte (3500 kWh) leveren, op voorwaarde dat de H₂ die wordt geproduceerd direct wordt gebruikt (om energieverlies te voorkomen) en dat het huis is uitgerust met een krachtwarmte-brandstofcel^w5. Meer waterstof kan uiteraard worden opgewekt uit ander afval – 0,5% is alleen van de aardappelen.

Dit is een ruwe schatting van het potentieel van de waterstofmethaanproces, op basis van a) 30% energieverlies in de productie van H₂ en CH₄ (waterstof en methaan) en b) 30% in vervolgens met stoom omzetten van CH₄ in H₂. De stoom-omzetting stap (b) wordt gebruikt bij de productie van waterstof uit aardgas en is een goed uitontwikkelde commerciële techniek. De productie van waterstofmethaan (a) is echter nog niet zo erg efficiënt, hoewel nog steeds onderzoek wordt gedaan om de efficiëntie van 70% (zoals in het voorbeeld) te verbeteren, en om op deze manier de productie van biowaterstof te laten concurreren met de stoom-omzetting van fossiele brandstoffen in waterstof .

Hoewel er recent enige vooruitgang^w6 is geboekt (zie kader), is het te vroeg om een betrouwbare schatting van de tijd te geven voor het tijdstip waarop de duurzame productie van H₂ een belangrijke rol zal kunnen spelen in het leveren van onze energie. Zoals de dichter Mark Strand echter ooit zei: ” De toekomst begint altijd nu.”

Onderzoek naar de waterstofopslag en -productie

Waterstof veilig en efficiënt opslaan is een van de belangrijkste technologische uitdagingen voor het aanvaarden van waterstof als energiedrager. Het Institut Laue – Langevin (ILL)^w7 his een sterke partij geworden bij grensverleggend onderzoek naar de waterstof-economie, daarbij gebruik makend van neutronendiffractie om hydrogenering en dehydrogeneringsreacties in potentiële materialen voor waterstofopslag te bestuderen. Bezoek de IBL website^w7 voor meer informatie.

De krachtige X-stralen van de Europese Synchrotron Radiation Facility (ESRF)^w8 hebben onlangs onderzoek gedaan naar de complexe mechanismen waarbij waterstof wordt geproduceerd door enzymen genaamd hydrogenasen. De meeste van deze enzymen werken onder anaerobe omstandigheden en worden in feite geremd door de aanwezigheid van zuurstof. Hydrogenasen die actief blijven onder aërobe omstandigheden , zijn daarom van groot belang voor technologieën zoals enzymatische brandstofcellen en de met behulp van licht opgewekte productie van waterstof . Een Duits team van wetenschappers heeft onlangs de kristallijne structuur van een van deze enzymen (Fritsch et al., 2011) ontraadseld- Misschien een stap op weg naar een waterstofeconomie ?

Zowel ILL als ESRF zijn leden van het EIROforum^w9, de uitgever van Science in School.

Download

Download this article as a PDF