Stoomreforming van biogas en biomethaan tot waterstof: balans, CO₂ en rijpheid

Stoomreforming van methaan (SMR, steam methane reforming) is wereldwijd de meest gebruikte methode om waterstof uit aardgas te produceren. Zij kan ook worden toegepast op biomethaan of gezuiverd biogas: methaan reageert met waterdamp bij een temperatuur in de orde van 700–900°C op een nikkelkatalysator en levert een mengsel van waterstof en koolmonoxide (synthesegas), waaruit na CO-conversie en zuivering waterstof wordt verkregen. Als de grondstof duurzaam biomethaan is, heeft de CO₂ die bij het proces ontstaat een biogene oorsprong, en kan de waterstof een aanzienlijk lagere CO₂-voetafdruk hebben dan waterstof uit fossiel gas. De reformingtechnologie is volwassen, maar de toepassing ervan op kleinschalige biogasbronnen blijft in de demonstratiefase.

Reacties

1. Reforming: CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (endotherm, ΔH ≈ +206 kJ/mol; vraagt warmte).
2. CO-conversie (water-gas shift): CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (licht exotherm).
3. Totaal: CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂.

Stoichiometrie: uit 16 g CH₄ ontstaat 8 g H₂, dus uit 1 kg methaan – maximaal ca. 0,5 kg waterstof en 2,75 kg CO₂ (uit de totaalreactie). Extra CO₂ komt van de verbranding van de brandstof die de warmte voor de endotherme reactie levert.

Technologische keten

• Zuivering van de grondstof: verwijdering van zwavel (vergiftigt de katalysator), halogeniden, siloxanen.
• Reformingreactor met Ni-katalysator, oven met branders.
• CO-conversiereactor (een- of tweetraps).
• Waterstofzuivering: meestal PSA tot een zuiverheid van >99,9%.
• Verwerking van het restgas (tail gas) – vaak teruggevoerd naar de branders.
• Optioneel CO₂-afvang uit het synthesegas of uit de rookgassen.

Energie- en massabalans (voorbeeld)

Uitgangspunten: energetisch rendement (energie van H₂ in LHV / energie van methaan in LHV) 70% (typische waarde voor industriële installaties op grotere schaal, in kleine vaak lager), LHV van waterstof 33,3 kWh/kg, LHV van methaan 13,9 kWh/kg. Methaanbehoefte per 1 kg H₂: 33,3 / (0,70 × 13,9) ≈ 3,4 kg CH₄ (ca. 4,8 Nm³). Voor een installatie die 100 kg H₂/h produceert is dus ca. 340 kg CH₄/h (ca. 480 Nm³/h) nodig. Die hoeveelheid komt overeen met een biomethaaninstallatie van gemiddelde grootte. De CO₂-emissies van het proces bedragen ca. 3,4 × 2,75 ≈ 9,4 kg CO₂/kg H₂ (uit alle koolstof in het methaan), wat overeenkomt met de orde van grootte van de emissies van waterstof uit aardgas (ca. 9–10 kg CO₂/kg H₂ volgens de literatuur). Bij biomethaan heeft de CO₂ een biogene oorsprong.

Biogas rechtstreeks

In plaats van biogas op te werken tot biomethaan kan het rechtstreeks worden gereformeerd: de CO₂ is vanaf het begin aanwezig in het biogas en neemt deel aan de zgn. droge of gemengde reforming. Dit leidt tot een vereenvoudiging (geen opwerking), maar vraagt oplossingen die bestand zijn tegen verontreinigingen en een wisselende samenstelling. Dergelijke installaties bevinden zich in de fase van onderzoek en pilots.

CO₂-voetafdruk

Afhankelijk van de bron van het methaan en de aanwezigheid van CO₂-afvang kan de CO₂-voetafdruk van waterstof variëren van waarden die dicht bij die van fossiel gas liggen (wanneer de grondstof fossiel is, zonder afvang) tot zeer lage of negatieve waarden (biomethaan uit drijfmest met CO₂-afvang). In het EU-recht valt waterstof uit biomassa onder de regels voor brandstoffen uit biomassa (duurzaamheidscriteria), en niet onder de regels voor hernieuwbare brandstoffen van niet-biologische oorsprong. “Groene waterstof” (elektrolytisch uit hernieuwbare bronnen) mag niet worden verward met waterstof uit biomethaan.

Economie en schaal

Reforming is rendabeler op grote schaal, waar de vaste kosten worden gespreid over grote hoeveelheden waterstof. In kleine agrarische installaties stijgen de kosten per eenheid, en bovendien moeten de zuivering, compressie en distributie van waterstof worden meegerekend. Daarom zijn de reële toepassingen in de komende jaren bedrijven met een bestaande waterstofbehoefte en toegang tot grotere hoeveelheden biomethaan.

Voor- en nadelen

Voordelen: volwassen technologie, hoog rendement, mogelijkheid tot integratie met CO₂-afvang, benutting van bestaande gasinfrastructuur.

Nadelen: verbruik van biomethaan, dat ook andere toepassingen heeft; CO₂-emissies zonder afvang; noodzaak van zuivering van de grondstof; complexiteit op kleine schaal.

Wat u bij de beoordeling van projecten moet vermijden

Controleer bij de analyse van reformingaanbiedingen of het opgegeven rendement betrekking heeft op het hele systeem (met zuivering, compressie en verwerking van het restgas), wat het belastingbereik en de opstarttijd zijn en hoe de CO₂ wordt verwerkt. Een veelvoorkomende vereenvoudiging is het weglaten van de energie voor het comprimeren van waterstof tot transportdrukken (enkele honderden bar), die enkele tot enkele tientallen procenten kan toevoegen aan de in de waterstof vervatte energie. Evenzo moeten het verbruik van proceswater en hulpstroom worden meegerekend.

Samenvatting

Reforming van biomethaan is de voor de markt dichtstbijzijnde route naar waterstof uit biomassa, maar men moet bedenken dat zij een waardevolle energiedrager verbruikt. Zij wordt vooral gerechtvaardigd door lokale vraag naar waterstof en de mogelijkheid om de CO₂ te verwerken.