Waterstof wordt voornamelijk gewonnen uit aardgas, overwegend via een proces dat stoomreforming wordt genoemd. Hierbij wordt onder hoge druk stoom toegevoegd aan het aardgas (voornamelijk methaan, CH4) waardoor een mengsel van waterstofgas (H2) en koolmonoxide (CO) ontstaat: syngas. In een volgende stap reageert de CO grotendeels met water tot CO2 en nog meer waterstof.

Deze grootschalige waterstofproductie kost veel energie, vertelt Arash Helmi. “Bovendien moet de waterstof nog worden gescheiden van de andere reactieproducten.” Als je waterstofgas wilt gebruiken als brandstof in een elektrochemische brandstofcel, bijvoorbeeld, dan mag het minder dan vijf moleculen CO op een miljoen bevatten, legt hij uit. “Anders vergiftig je als het ware de brandstofcel.”

Helmi ontwikkelde daarom met collega’s van de groep Chemical Process Intensification (faculteit Scheikundige Technologie) een zogeheten wervelbed-membraanreactor, waarin de reactie- en scheidingsstap worden gecombineerd met behulp van een speciaal membraan - een halfdoorlatend vlies met het metaal palladium als belangrijkste ingrediënt. Daarmee slaagden ze erin om op energiezuinige wijze waterstof met de juiste puurheid te maken, zegt de Iraniër. “De testreactor hier in Helix heeft negenhonderd uur continu gedraaid, met een output van een kubieke meter waterstofgas per uur, bij standaarddruk en kamertemperatuur. Als input gebruikten we syngas, maar deze technologie is ook geschikt om waterstof direct uit aardgas te winnen.”

Het is een unieke prestatie, volgens Helmi. De concurrentie - in Tokyo en Vancouver - is er nog niet in geslaagd om dergelijke lange looptijden te realiseren, zegt hij. “Bovendien gebruiken ze in Tokyo een minder efficiënte gepakt-bedreactor en zijn ze er in Vancouver nog niet in geslaagd om een cilindrisch membraan te maken, zoals wij. Ons membraan is door de vorm bestand tegen hogere drukken dan een vlak membraan, waardoor wij een hogere opbrengst kunnen bereiken.”

Met een micro-membraanreactor zou je
elektrisch kunnen rijden op biogas

Op dit moment wordt bij HyGear in Arnhem een pilot-reactor gerealiseerd, die een vijf keer zo hoge opbrengst moet hebben. “Dat is voldoende voor veel toepassingen in de chemische industrie. Fabrikanten kunnen zo’n reactor op hun eigen terrein neerzetten om zelf de waterstof te produceren die ze nodig hebben als grondstof voor hun producten.” Voor toepassing van waterstof als energiedrager, daarentegen, is juist miniaturisatie nodig. De gedachte is dat een microreactor wordt ingebouwd in de auto, waar hij ter plekke de waterstof produceert voor een brandstofcel. Op die manier kun je elektrisch rijden op bijvoorbeeld biogas.

Behalve een werkende testreactor, heeft Helmi’s werk ook veel inzicht opgeleverd in de werking van wervelbed-membraanreactoren. “We hebben samen met collega’s uit Delft zeer gedetailleerde metingen gedaan, en daarmee de eenvoudige modellen kunnen verbeteren die door de industrie worden gebruikt.”

Hoewel hij zijn promotietraject als succesvol beschouwt, plaatst Helmi nog wel een kritische kanttekening. “Een membraan op basis van palladium zal nooit op grote schaal kunnen worden toegepast, daarvoor is dat materiaal te duur en te schaars. Er wordt in onze groep dan ook gewerkt aan alternatieve membranen.”