Waterstof produceren uit plasticafval, met grafeen als bijproduct

Onderzoekers zijn erin geslaagd waterstof te winnen uit plasticafval. Een belangrijk voordeel hierbij is dat tijdens dit productieproces grafeen als bijproduct ontstaat. De methode kan hierdoor volgens de onderzoekers van de Amerikaanse Rice University ‘meer dan voor zichzelf betalen’.

Waterstof is een veelbelovende energiebron. Het is voor diverse doeleinden inzetbaar, variërend van het aandrijven van personenauto’s en vrachtverkeer tot industrieel gebruik als alternatief voor aardgas.

Vervuilend en kostbaar

Een belangrijke uitdaging is echter de productie van waterstof, iets dat normaliter veel energie kost. De productie kan hierdoor relatief veel CO2-uitstoot genereren bij het gebruik van fossiele brandstoffen als energiebron. Zo is in 2022 bijna 100 miljoen ton waterstof geproduceerd wereldwijd met behulp fossiele brandstoffen. Dit zorgde voor ongeveer 12 ton aan CO2-uitstoot per geproduceerde ton waterstof.

De productie van waterstof is daarnaast relatief kostbaar. Zo kost de productie van groene waterstof – waarbij duurzame energie wordt gebruikt voor het scheiden van water is zuurstof en waterstof – ongeveer 5 dollar voor zo’n 900 gram.

Gemixt plasticafval omzetten in waterstof

De onderzoekers verwachten dat hun uitvinding een oplossing kan bieden voor dit probleem. Zij zijn erin geslaagd plasticafval om te zetten in waterstofgas. De methode biedt belangrijke voordelen. Zo is het scheiden van plasticsoorten en het wassen van plasticafval niet nodig, iets dat bij recycling wel het geval is.

Een ander groot voordeel is dat bij het productieproces grafeen ontstaat als bijproduct. Grafeen is ruim tweehonderd keer sterker dan staal, flexibel, zeer dun en transparant. Daarnaast is het materiaal een uitstekende thermische en elektrische geleider. Een belangrijke toepassing van grafeen is elektronica. Denk echter ook aan waterzuivering en geneeskunde.

Gratis productie is mogelijk

“In dit werk hebben we plasticafval – inclusief gemixt plasticafval die niet gesorteerd hoeft te worden op soort of gewassen – in een waterstofgas met hoge opbrengst en waardevolle grafeen”, legt Kevin Wyss, een alumnus van de Rice University en hoofdauteur van het onderzoek, uit. “Indien de geproduceerde grafeen wordt verkocht voor slechts 5% van de huidige marktwaarde – een korting van 95%! – kan schone waterstof gratis worden geproduceerd.”

“De belangrijkste vorm van waterstof die vandaag de dag in gebruik is is ‘grijze’ waterstof. Dit is geproduceerd via stoomreforming, een methode die veel CO2 genereert”, aldus James Tour, als hoogleraar scheikunde en hoogleraar materiaalwetenschappen en nanotechnologie verbonden aan de Rice University. “De vraag naar waterstof stijgt de komende decennia naar verwachting explosief, dus indien we serieus zijn over het bereiken van netto nul uitstoot in 2050 kunnen we het niet blijven maken zodat we dat tot nu toe hebben gedaan.”

In korte tijd tot hoge temperatuur verwarmen

In het onderzoek is plasticafval in korte tijd verhit tot ongeveer 2.827 graden Celsius. Hierbij is gebruik gemaakt van een methode die ‘flash Joule heating’ heet en is ontwikkeld door de Rice University. De onderzoekers combineren hierbij gemalen plasticafval met een coke additief, wat zij tussen elektrodes in een tube plaatsen. Vervolgens passen zij een hoog voltage toe. Zo ontstaat in korte tijd een intense hitte, die kan oplopen tot 2.760 graden Celsius. Door de hoge temperatuur verdampt het waterstof dat aanwezig is in het plasticmateriaal, waarna grafeen achterblijft.

De methode is initieel ontwikkeld voor de productie van grafeen. Bij experimenten bleken echter diverse gassen vrij te komen, die de onderzoekers nader hebben onderzocht. Een van deze stoffen bleek waterstof te zijn. Verder onderzoek op dit vlak toont nu dus aan dat hier grote kansen liggen.

125 miljoen euro subsidie voor overstap op waterstof

De ontdekking van de methode komt kort na het moment dat het kabinet aankondigde 125 miljoen euro beschikbaar te stellen voor de overstap op waterstof als brandstof voor vrachtwagens en (bestel)auto’s Het bedrag is bedoeld om ondernemers te stimuleren de overstap te maken naar waterstof. Zij moeten hiervoor optrekken met tankstationhouders; in ieder plan moeten zowel een waterstoftankstation als voldoende zakelijke voertuigen om dit station rendabel te maken zijn opgenomen.

Daarnaast werkt Nederland aan grootschalige waterproductie op zee in het windenergiegebied ten noorden van de Waddeneilanden. Het park moet in 2031 operationeel zijn en zo’n 500 megawatt aan elektrolysecapaciteit bieden.

Restafval omzetten in groene waterstof

De Rice University is overigens niet de enige partij die werkt aan het winnen van groene waterstof uit afval. Begin dit jaar kreeg het Duitse RWE een Europese subsidie van 108 miljoen euro voor het omzetten van restafval in waterstof. Het gaat hierbij specifiek om niet-recyclebaar vast huishoudelijk afval, wat op dit moment nog wordt verbrand of op de vuilstort beland.

Meer informatie is hier beschikbaar.

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Foto: Roman via Pixabay