“De maatschappelijke relevantie is onmiskenbaar”, zegt Mohamed Halabi over zijn onderzoek. De transitie naar duurzame energie is onvermijdelijk en volgens de Jordaniër gaat waterstof als onuitputtelijke en schone energiedrager een voorname rol spelen in de energievoorziening. Daar komt bij dat de behoefte aan zuiver waterstofgas nu al aanzienlijk is, ondanks dat brandstofcellen -waarin waterstof wordt verbrand tot zuiver water- nog niet op grote schaal worden toegepast. Halabi: “Waterstof is momenteel al een belangrijke grondstof voor de petrochemische industrie en voor de productie van ammoniak.”

De gebruikelijkste productiemethode van waterstof -het meest voorkomende atoom in het heelal, maar op aarde slechts opgesloten in verbindingen te vinden- is via stoomreforming van aardgas. Hierbij wordt aardgas in contact gebracht met stoom bij een temperatuur van zo’n 850 graden Celsius en een druk tot 25 bar. In dit proces reageert aardgas (methaan) met de stoom (waterdamp) tot waterstofgas en CO₂. Waterstofproductie via stoomreforming is echter een energievretend proces waarbij in een tussenstap het zeer giftige koolstofmonoxide wordt gevormd en bovendien na afloop nog de CO₂ van de waterstof moet worden gescheiden.

In de groep Chemische Reactor Technologie van prof.dr.ir. Jaap Schouten wordt daarom onderzoek gedaan naar methoden om bij lagere temperatuur en druk waterstof te winnen uit aardgas. De gedachte is dat de kosten van de waterstofproductie lager zijn bij mildere omstandigheden, vertelt Halabi: “Zowel de bouwkosten van de installatie als de energie- en onderhoudskosten kunnen in principe worden teruggebracht als je niet meer bij zulke hoge temperatuur en druk hoeft te werken.”

Een tweede, wellicht nog belangrijkere doelstelling is te zorgen dat er geen CO₂ meer vrijkomt bij de reforming. “Op Europese schaal wordt gezocht naar manieren om waterstof te produceren zonder dat dit gepaard gaat met hoge uitstoot van het broeikasgas CO₂.” Op termijn is de oplossing waarschijnlijk om waterstof te winnen uit water met behulp van hernieuwbare energie, maar voorlopig is aardgas als grondstof nog een stuk efficiënter. Het loont dus de moeite om het proces van waterstofwinning uit aardgas te optimaliseren.

Halabi, die samenwerkte met het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN), heeft tijdens zijn promotieonderzoek de productie van waterstof gedemonstreerd via zogeheten ‘sorption enhanced catalytic reforming.’ Dit proces vindt plaats in een gepakt-bedreactor waarin naast een katalysator voor de stoomreforming ook een absorptiemateriaal aanwezig is om het geproduceerde CO₂ op te vangen. In een testreactor verliep de omzetting bij een druk van een paar atmosfeer en een temperatuur van slechts 450 graden. Op industriële schaal worden momenteel nikkelkatalysatoren toegepast die pas bij dubbel zo hoge temperatuur werkzaam zijn.

Halabi: “Het blijkt dat we in een kleine reactor met de juiste katalysator een omzettingsgraad kunnen halen van 99.9 procent. En het levert ook voor 99.9 procent zuiver waterstofgas op; het geproduceerde waterstofgas bevat minder dan honderd deeltjes CO₂ per miljoen.” Het gebruik van een kleine reactor en een lagere verhouding van katalysator en sorptiemateriaal maken het proces energiezuiniger en goedkoper dan conventionele methoden, ondanks het gebruik van het dure rhodium als katalysator.

Halabi probeerde in een testreactor in het lab een tweetal absorptiematerialen uit: hydrotalciet en lithiumzirconaat. Die laatste blijkt de grootste opnamecapaciteit te hebben. Toch ziet Halabi nog wel ruimte voor verbetering: “Lithiumzirconaat heeft een hoge opnamecapaciteit, maar de snelheid waarmee het CO₂ opneemt is lager dan bij hydrotalciet.” Dat betekent dat het materiaal de vorming van CO₂ niet bij kan houden als de reactie te snel verloopt. Je heb dus eigenlijk een materiaal nodig dat beide goede eigenschappen (grote capaciteit en hoge absorptiesnelheid) combineert, zegt Halabi. “Het zou een goede volgende stap zijn om dat nog beter uit te zoeken.”

In de testopstelling moet het proces nog onderbroken worden om de CO₂ uit het absorptiemateriaal te halen, maar in de toekomst zal -door gebruik van twee geschakelde reactoren- een continu proces mogelijk worden. Voor het afgevangen broeikasgas heeft Halabi grootse plannen. Waar men in het algemeen kiest voor opslag diep onder de grond, ziet hij er meer in om de CO₂ te benutten als grondstof voor koolstofhoudende producten, zoals plastic of vloeibare brandstoffen. Het is toekomstmuziek, geeft Halabi toe, maar het zou het proces nog duurzamer maken.

Het lijkt de Jordaniër heel mooi om in het vervolg van zijn professionele carrière te blijven werken aan een duurzame en schone energievoorziening. De komende jaren zit hij wat dat betreft goed: Halabi heeft inmiddels een aanstelling geaccepteerd in de groep van Jaap Schouten. Als postdoc gaat hij aan de slag met een gerelateerd project -voor vier jaar, uitzonderlijk lang voor een postdoc-aanstelling. Zichtbaar tevreden: “Blijkbaar heeft de professor vertrouwen in me.” (TJ)