Britse onderzoekers hebben een elektrolyser ontwikkeld die voedselafval inzet om groene waterstof én grondstoffen voor duurzamer plastic te produceren. Daarbij is geen kostbaar membraan meer nodig.
Waterstof maken kost veel elektriciteit. Plastic maken leunt nog altijd sterk op aardolie. Onderzoekers van Keele University denken beide problemen met één elektrochemisch proces te kunnen aanpakken. Hun nieuwe elektrolyser produceert groene waterstof en zet tegelijkertijd moleculen uit biomassa om in waardevolle grondstoffen voor duurzamere kunststoffen.
Het interessante zit vooral in wat de elektrolyser níét produceert: zuurstof. Daardoor kan een belangrijk en kostbaar onderdeel van conventionele elektrolysers achterwege blijven.
Waarom zuurstof een probleem is
Bij traditionele waterelektrolyse wordt met behulp van elektriciteit water gesplitst in waterstof en zuurstof. Aan de ene elektrode ontstaat waterstof, aan de andere zuurstof. Dat klinkt eenvoudig, maar beide gassen wil je absoluut niet met elkaar mengen. Een mengsel van waterstof en zuurstof kan immers explosief zijn. Daarom gebruiken veel elektrolysers een membraan of separator om de twee zijden van de elektrolyser van elkaar te scheiden. Zo’n membraan maakt de installatie complexer en duurder. Bovendien kan het materiaal degraderen en vormt het een extra weerstand in het systeem.
Onderzoekers Charlie Creissen en Lewis Cousins van de Britse Keele University kozen daarom voor een andere route. In plaats van aan de andere elektrode zuurstof te produceren, laten ze daar een organische stof reageren die uit biomassa kan worden verkregen. Daarmee verandert de functie van die helft van de elektrolyser volledig. De installatie maakt aan de ene kant nog steeds waterstof, maar produceert aan de andere kant een bruikbare chemische grondstof.
Van biomassa naar plasticgrondstof
Centraal in het onderzoek staat HMF, voluit hydroxymethylfurfural. Deze verbinding kan worden gemaakt uit suikers en andere koolhydraten uit biomassa. Dat maakt onder meer reststromen uit voedselproductie interessant als potentiële grondstof. De elektrolyser oxideert HMF tot FDCA, oftewel furaandicarbonzuur. Dat klinkt misschien als een obscure laboratoriumchemicalie, maar FDCA is juist interessant voor de kunststofindustrie. Het kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor de productie van PEF, een kunststof die wordt gezien als een biobased alternatief voor PET.
De onderzoekers krijgen zo twee bruikbare producten uit één elektrochemisch proces: waterstof en een bouwsteen voor kunststof. Dat is meer dan een aardige bonus. Bij conventionele elektrolyse heeft de geproduceerde zuurstof meestal een veel lagere economische waarde dan de waterstof. Door die zuurstofreactie te vervangen door de productie van een waardevolle chemische stof, kan de businesscase van elektrolyse er anders uit gaan zien.
Minder spanning nodig
Het weglaten van het membraan levert bovendien een technisch voordeel op. Volgens de onderzoekers kon hun systeem bij hoge stroomdichtheden van 500 milliampère per vierkante centimeter werken met een celspanning van minder dan 1,5 volt. Dat is relevant omdat de elektriciteitsrekening een belangrijke factor is bij de productie van groene waterstof. Hoewel elektrolysers steeds verder worden opgeschaald, is waterstof uit hernieuwbare elektriciteit momenteel nog aanzienlijk duurder dan waterstof die uit aardgas wordt geproduceerd.
Een lagere benodigde celspanning betekent dat er voor dezelfde hoeveelheid elektrische lading minder energie nodig is. Daar komt bij dat een membraanloze constructie in potentie eenvoudiger en goedkoper te bouwen is. De onderzoekers melden bovendien dat de omzetting van de organische grondstof plaatsvindt bij reactiesnelheden die relevant zijn voor industriële toepassingen. Daarmee gaat het niet alleen om een chemische reactie die onder ideale laboratoriumomstandigheden werkt.
Twee industrieën in één proces
Juist de combinatie maakt het onderzoek interessant. Groene waterstof wordt gezien als een mogelijke grondstof en energiedrager voor sectoren die lastig rechtstreeks te elektrificeren zijn. Denk bijvoorbeeld aan de staalindustrie, chemische industrie en delen van de scheepvaart. Tegelijkertijd zoekt de chemische industrie naar manieren om minder afhankelijk te worden van aardolie als bron voor kunststoffen. Biomassa kan daar een rol in spelen, zeker wanneer hiervoor reststromen worden gebruikt die anders weinig waarde hebben. Voedselafval bevat koolhydraten waaruit via verschillende chemische stappen verbindingen zoals HMF kunnen worden gemaakt.
Dat betekent overigens niet dat je etensresten rechtstreeks in de elektrolyser kunt gooien. Het afval moet eerst worden verwerkt tot geschikte chemische moleculen. Hoe efficiënt, goedkoop en schaalbaar die hele keten kan worden uitgevoerd, zal uiteindelijk mede bepalen of de technologie buiten het laboratorium interessant wordt. Ook de levensduur van elektroden, zuiverheid van de gebruikte grondstoffen en continuïteit van het proces worden belangrijk bij verdere opschaling.
Creissen noemt het onderzoek een stap richting kunststofproductie zonder fossiele grondstoffen en ziet vooral mogelijkheden in de combinatie met hernieuwbare elektriciteit. Cousins wijst daarnaast op iets dat bij elektrolyse soms onderbelicht blijft: niet alleen betere katalysatoren, maar ook de manier waarop een elektrolyser als geheel wordt ontworpen kan het energiegebruik en de economische waarde van het proces flink veranderen.
