Groene waterstof geldt al jaren als een veelbelovende vervanger voor fossiele brandstoffen, maar de hoge productiekosten blijven een probleem. Amerikaanse onderzoekers denken daar iets op gevonden te hebben. Met staalslakken, steenkoolas en CO2 produceren ze niet alleen waterstof, maar leggen ze tegelijkertijd koolstofdioxide permanent vast in een bruikbaar mineraal. Volgens hun berekeningen kan de waterstof daardoor minder dan één dollar per kilogram kosten.
Onderzoekers van de Ohio State University hebben een methode ontwikkeld die twee industriële afvalstromen combineert met de productie van waterstof. Centraal staan restmaterialen zoals staalslakken en as uit kolencentrales. Die materialen kunnen reageren met koolstofdioxide en blijken daarbij een onverwacht nuttige rol te spelen in het productieproces van waterstof.
De onderzoekers beschrijven hun methode in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Energy Letters. Het interessante aan de techniek is dat CO2 niet alleen wordt afgevangen. Het gas wordt chemisch gebonden en omgezet in calciet, een mineraal dat hoofdzakelijk uit calciumcarbonaat bestaat.
Calciet is bepaald geen exotisch materiaal. Het wordt op grote schaal gebruikt in onder meer bouwmaterialen, landbouwproducten en verschillende industriële toepassingen. Afgevangen CO2 verandert daarmee van een afvalproduct in een mogelijke grondstof.
Minder elektriciteit nodig
Dat zou op zichzelf al interessant zijn, maar de onderzoekers ontdekten nog een tweede voordeel. De chemische reacties tijdens het vastleggen van CO2 kunnen worden gekoppeld aan elektrochemische waterstofproductie en verlagen daarbij de benodigde elektrische energie. Normaal gesproken wordt groene waterstof geproduceerd via elektrolyse. Daarbij wordt water met behulp van elektriciteit gesplitst in waterstof en zuurstof. Wanneer die elektriciteit afkomstig is van bijvoorbeeld windturbines of zonnepanelen, spreken we doorgaans van groene waterstof.
Het probleem is dat elektrolyse veel elektriciteit vraagt. Elektriciteit vormt daardoor een belangrijk deel van de productiekosten. De methode van Ohio State pakt juist dat onderdeel aan. De energie die samenhangt met het mineraliseren van CO2 wordt benut om de elektrochemische productie van waterstof gemakkelijker te laten verlopen.
Volgens hoofdonderzoeker Tomaz Neves Garcia wordt CO2 in dit proces daarom niet simpelweg behandeld als iets dat moet worden opgevangen en opgeslagen. De chemische eigenschappen van het gas worden daadwerkelijk onderdeel van het productieproces. Dat heeft bovendien gevolgen voor de totale uitstoot. Volgens de onderzoekers kan hun methode onder bepaalde omstandigheden waterstof met netto negatieve CO2 emissies produceren, zelfs wanneer daarvoor gewone elektriciteit uit het stroomnet wordt gebruikt. De hoeveelheid CO2 die permanent in mineralen wordt vastgelegd kan dan groter zijn dan de uitstoot die ontstaat bij het opwekken van de gebruikte elektriciteit.
Waterstof voor minder dan één dollar
Misschien nog opvallender is de berekende prijs. Wanneer de economische waarde van het geproduceerde calciet wordt meegenomen, schatten de onderzoekers de productiekosten op minder dan één dollar per kilogram waterstof. Daarmee zou de methode kunnen concurreren met waterstof die uit aardgas wordt gemaakt. Dat is belangrijk, omdat juist de prijs een van de grootste obstakels vormt voor grootschalige toepassing van groene waterstof.
De onderzoekers benadrukken daarbij dat hun proces geen bijzondere of kostbare materialen nodig heeft voor het afvangen van CO2. Staalslakken en steenkoolas zijn juist in grote hoeveelheden beschikbaar als restproduct van bestaande industrieën. Voor staalproducenten ontstaat daardoor een interessante combinatie. Een afvalstroom die normaal moet worden verwerkt of opgeslagen, krijgt een nieuwe toepassing, terwijl tegelijkertijd CO2 wordt vastgelegd en waterstof wordt geproduceerd. Die waterstof zou vervolgens weer binnen de industrie gebruikt kunnen worden, bijvoorbeeld als grondstof of als vervanger van fossiele brandstoffen bij processen die moeilijk rechtstreeks te elektrificeren zijn.
Potentieel van honderden miljoenen tonnen CO2
De onderzoekers hebben ook geprobeerd het maximale klimaatpotentieel van hun methode in kaart te brengen. Wanneer de technologie op grote schaal in verschillende gekoppelde industriële sectoren wordt toegepast, zou volgens hun berekeningen jaarlijks ongeveer 500 miljoen ton CO2 uitstoot kunnen worden vermeden of vastgelegd. Dat cijfer moet voorlopig vooral als theoretisch potentieel worden gezien. De techniek is gedemonstreerd, maar grootschalige toepassing stelt heel andere eisen aan installaties, logistiek en beschikbaarheid van geschikte afvalstromen. Ook de uiteindelijke prijs van de waterstof zal afhangen van lokale omstandigheden en van de marktwaarde van het geproduceerde calciet.
Juist die combinatie van processen maakt het onderzoek echter interessant. Veel technieken voor CO2 afvang kosten extra energie en leveren vervolgens een opgeslagen afvalstroom op. Hier proberen de onderzoekers de chemische reactie zelf economisch nuttig te maken. Daardoor ontstaat een soort industriële driehoek: CO2 wordt permanent vastgelegd, afval uit zware industrie krijgt een nieuwe bestemming en tegelijkertijd ontstaat waterstof. Wat ooit uit de schoorsteen kwam en op de afvalberg belandde, wordt zo onderdeel van hetzelfde productieproces.
