Omzetting van waterstof in methanol maakt vervoer gemakkelijker

Waterstof staat centraal bij de energietransitie. Het is de bedoeling dat zowel de mobiliteit als de industriële processen duurzaam worden. Er is echter nog steeds een gebrek aan beschikbaarheid, aangezien het vervoer van waterstof duur is. De omzetting van waterstof in methanol kan een oplossing bieden. Dit komt omdat methanol niet alleen veel gemakkelijker te vervoeren is dan waterstof, maar ook bijna onbeperkt kan worden opgeslagen, het Fraunhofer Gesellschaft in een persbericht.

Op die manier kan bijvoorbeeld groene waterstof worden geproduceerd in zonnige streken, worden omgezet in methanol en worden vervoerd. De kooldioxide die nodig is voor de productie van methanol kan ofwel uit de atmosfeer worden gehaald ofwel afkomstig zijn van industriële processen, zoals cementproductie. Bovendien biedt methanol een zeer hoge energiedichtheid van ongeveer 4,8 kilowattuur energie per liter – een orde van grootte hoger dan die van gecomprimeerde waterstof.

Ook het Internationaal Energieagentschap voorspelt zeer aantrekkelijke kosten voor methanol van ongeveer zes cent per kilowattuur. Om de in methanol opgeslagen energie te gebruiken, wordt deze met behulp van een methanolreformer met toevoeging van waterdamp weer omgezet in waterstof en kooldioxide – daar waar de waterstof nodig is, bijvoorbeeld in de auto. De totale kooldioxide-balans is derhalve neutraal.

Er zijn echter nog enkele problemen met conventionele hervormers. Bijvoorbeeld met de katalysatoren die nodig zijn voor de reacties. Zij bestaan uit koper-zinkoxidepoeder, dat – geperst tot pellets – in de reactor wordt gegoten. Dit veroorzaakt echter slijtage van de katalysator die de brandstofcel vervuilt. Bovendien wordt het katalysatormateriaal niet volledig benut en verloopt de reactie vrij traag bij betrekkelijk lage temperaturen. Een andere uitdaging ligt in het warmtebeheer: er moet warmte naar de reactor worden gevoerd om de reactie van de stoomreforming aan te drijven – maar daarbij gaat veel efficiëntie verloren. Ook de warmte van het uitlaatgas van de brandstofcel kan niet efficiënt worden gebruikt.

Warmtemanagement

Onderzoekers van Fraunhofer IMM ontwikkelen daarom methanolreformers die deze uitdagingen overwinnen in verscheidene door de overheid gefinancierde en industriële projecten. Zo biedt de reformer die zij voor mobiele toepassingen ontwikkelen, verschillende voordelen. Ten eerste neemt hij slechts een zesde, of ongeveer 17 procent, in van de ruimte die in de handel verkrijgbare reformers in dezelfde vermogensklasse innemen – beslist een belangrijk punt voor mobiele toepassingen. De onderzoekers hebben ook de katalysatortechnologie geoptimaliseerd. “We vertrouwen op katalysatorcoatings die edelmetalen bevatten, die geen slijtage veroorzaken – vergelijkbaar met de katalysator van de auto,” zegt Dr Gunther Kolb, adjunct-directeur van het instituut en hoofd van de afdeling bij Fraunhofer IMM. “Er is dus minder katalysatormateriaal nodig. Aangezien onze katalysatormaterialen ook een hogere activiteit hebben, daalt de vereiste katalysatormassa opnieuw, evenals de kosten.” Terwijl conventionele katalysatoren in toenemende mate bijproducten zoals koolmonoxide produceren tijdens de werking met deellast – d.w.z. wanneer de reformer niet op volle capaciteit werkt – is dit niet het geval met de katalysator van Fraunhofer IMM.

Prototype

Het onderzoeksteam heeft ook de warmtehuishouding – en dus de energie-efficiëntie van de reformer – geoptimaliseerd: Hij bekleedt platenwarmtewisselaars met het katalysatormateriaal en voegt ze samen tot stapels van maximaal 200 platen. Wanneer het gas daarover stroomt, komt het niet alleen in contact met de katalysator, maar wordt het ook zeer efficiënt verwarmd in de kleine kanalen. “Door gebruik te maken van de afvalwarmte bereiken we een zeer goede warmte-integratie en een hoog systeemrendement”, legt Kolb uit.

De onderzoekers hebben ook een mogelijke serieproductie op het oog. De reactoren kunnen op soortgelijke wijze worden vervaardigd als hogedruk-warmtewisselaars voor motorvoertuigen, zodat gebruik kan worden gemaakt van gevestigde procédés die geschikt zijn voor massaproductie. De onderzoekers bouwen momenteel een prototype met een vermogen van 35 kilowatt, dat medio 2022 klaar zou moeten zijn.

“Het project is ontworpen voor de langere termijn, en verschillende prototypes zullen op testbasis in landvoertuigen worden geïntegreerd,” zegt Kolb. Voor maritieme toepassingen, bijvoorbeeld, ontwikkelen de onderzoekers een reformer met een vermogen van 100 kilowatt. Op lange termijn is het ook denkbaar dat de reformers, die momenteel van staal zijn gemaakt, worden vervaardigd van lichtgewicht materialen zoals titanium – een belangrijke benadering voor toepassingen in auto’s en dergelijke om het gewicht en dus het energieverbruik laag te houden.

Ook interessant: Drie keer zoveel waterstof opslaan met ‘tanks’ van grafeen