Methaanpyrolyse, ook bekend als methaan kraken of turquoise waterstof, is de afbraak van methaan in waterstofgas en koolstof bij hoge temperatuur. Het concurreert rechtstreeks met blauwe waterstof, waterstof uit methaanreforming met stoom en koolstofafvang en -vastlegging (CCS) voor de productie van koolstofarme waterstof uit aardgas. Bij methaanpyrolyse wordt alle koolstof in het methaan in vaste vorm opgevangen in plaats van als koolstofdioxide uitgestoten.
Pyrolyse van methaan vereist ongeveer de helft van de hoeveelheid energie die nodig is voor stoomreforming om dezelfde hoeveelheid waterstof te produceren. Tot slot kan het vaste koolstofbijproduct op de markt worden verkocht als roet, waardoor de kosten van de geproduceerde waterstof worden gecompenseerd. Samen maken deze factoren methaanpyrolyse tot een veelbelovende technologische optie om koolstofarme waterstof te produceren.
Er zijn verschillende varianten van methaanpyrolyse en deze kunnen worden gecategoriseerd als thermische, plasmapyrolyse en katalytische pyrolyse. Ondanks de variaties hebben ze allemaal dezelfde technische uitdagingen; hoge procestemperaturen die nodig zijn voor hoge conversiesnelheden, zuiverheid van waterstofgas en scheiding van vaste koolstof uit de gasfase om vergiftiging van de katalysator (indien aanwezig) en blokkering van het reactorsysteem te voorkomen.
Om een uitgebreid overzicht te krijgen van het technologielandschap voor methaanpyrolyse en de verdeling van de spelers, analyseerden we de belangrijkste ontwikkelaars met historische patentactiviteit, academische publicaties, financiering in een vroeg stadium en lopende projecten. Deze informatie dient om toekomstige trends te definiëren en kansen te identificeren voor innovators die zich willen verbinden met spelers in methaanpyrolyse.
Noord- en Zuid-Amerika en EMEA zijn de regionale leiders in methaanpyrolyse
Dit is geen verrassing, aangezien methaanpyrolyse een vroeg stadium en complex technologieplatform is waarvan de ontwikkeling wordt gestimuleerd door het gebruik van aardgas voor koolstofarme waterstof. Dit vereist een sterke regionale drang naar decarbonisatie, bereidheid tot risicovolle investeringen en/of een overvloedige lokale aardgasvoorraad. De VS en Rusland zijn de twee toonaangevende landen op dit gebied.
Hoewel Japan en Zuid-Korea ambitieuze doelstellingen hebben voor het koolstofarm maken van de economie en Zuidoost-Azië en Australië een overvloedige aanvoer van aardgas hebben, heeft geen enkele regio in APAC de juiste omstandigheden gehad om de ontwikkeling van methaanpyrolyse te stimuleren. Wij verwachten echter dat China een belangrijke speler zal worden.
Startups worden steeds actiever in methaanpyrolyse
Methaanpyrolyse is grotendeels gedomineerd door grote bedrijven, maar het afgelopen decennium zijn er verschillende startups opgericht om technologieën voor methaanpyrolyse te ontwikkelen en in te zetten die oorspronkelijk ontwikkeld waren door onderzoeksinstellingen. In het algemeen is er nog geen duidelijke leider in methaanpyrolyse - hoewel Monolith Materials zijn platform heeft opgeschaald naar de demonstratiefase, zijn de prestaties van zijn technologie onduidelijk. Voor de rest bevinden zowel grote bedrijven als startups zich met hun platforms in een vergelijkbaar stadium van technologieontwikkeling.
De academische ruimte is actief maar zeer gefragmenteerd
Er zijn veel meer onderzoeksinstellingen dan bedrijven en starters op het gebied van methaanpyrolyse. Slechts twee, de Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek (TNO) en het Karlsruhe Institute of Technology (KIT), onderscheiden zich van de massa door hun technologie op te schalen naar proefinstallaties. Andere instellingen die actief zijn op het gebied van methaanpyrolyse zijn nog niet verder gekomen dan experimentele eenheden. Een aantal van deze instellingen is gevestigd in China en hun technologieën zullen waarschijnlijk worden overgenomen door Chinese bedrijven zodra ze klaar zijn om op te schalen.
- Plasma: De meest geavanceerde vorm van methaanpyrolyse maakt gebruik van een plasmatoorts waarbij methaangas pyrolyseert bij temperaturen tussen 1.000 °C (koud plasma) en 2.000 °C (heet plasma). Koud plasma leidt doorgaans tot een methaanconversie van minder dan 50% zonder katalysatoren, terwijl heet plasma doorgaans een conversie van meer dan 90% oplevert. Het Noorse bedrijf Kværner (nu Aker Solutions) implementeerde de eerste en enige methaanpyrolyse-installatie op commerciële schaal met gebruik van hete plasmatechnologie in 1997, waarbij de geproduceerde waterstof werd gerecirculeerd in de plasmatoorts. De faciliteit werd in 2003 buiten gebruik gesteld vanwege de ontoereikende kwaliteit van het roetproduct. Tegenwoordig is Monolith Materials het toonaangevende bedrijf. Het maakt gebruik van hete plasmatechnologie gebaseerd op het proces van Kværner en lanceerde zijn eerste demonstratiefaciliteit in de VS in 2020, waar roet wordt geproduceerd als het primaire product. Gazprom is het enige bedrijf dat nu actief is in plasmatechnologie voor methaanpyrolyse - zijn koude plasmatechnologie wordt ondersteund door een nikkelkatalysator om een methaanomzettingsrendement van 80% te bereiken, maar de technologie bevindt zich nog op laboratoriumschaal.
- Thermisch: Bij thermische pyrolyse valt methaan uiteen in waterstof en koolstof bij temperaturen tussen 1.000 °C en 1.500 °C. Het verschil zit hem in het type reactor dat in het proces wordt gebruikt. BASF gebruikt een elektrisch verwarmde schuifbedreactor waarin koolstofkorrels tegen de gasfasen in stromen en methaan bij 1400 °C rechtstreeks op de korrels pyrolyseert. KIT laat methaan door een reactor met vloeibare tinbellenkolom stromen bij 1200 °C, waar de gevormde vaste koolstof boven op de vloeistof drijft en op niet nader genoemde manieren kan worden afgescheiden. TNO gebruikt ook een gesmolten metaalreactor die werkt boven 1.000 °C en scheidt de roet uit het vloeibare metaal met behulp van gesmolten zout. Momenteel bevinden alle technologieplatforms voor thermische pyrolyse zich op laboratoriumschaal en is het onwaarschijnlijk dat ze voor 2030 commerciële schaal zullen bereiken.
- Katalytisch: Bij katalytische pyrolyse wordt methaan afgebroken in waterstof en koolstof boven een metalen katalysator, meestal op nikkel- of ijzerbasis, bij temperaturen van minder dan 1000 °C. Momenteel is Hazer Group de toonaangevende speler op dit gebied - het bedrijf gebruikt een wervelbedreactor met een ijzerertskatalysator, die werkt bij 850 °C. Het bevindt zich momenteel op pilotschaal, zonder duidelijke doelstellingen voor commercialisering. C-Zero is de nieuwste nieuwkomer in de methaanpyrolysesector. Hoewel de technologie onduidelijk blijft, lijkt het erop dat het bedrijf een katalytisch proces gebruikt, maar ook gesmolten zouten om de vaste koolstof te scheiden.
Over het algemeen is het technologielandschap voor methaanpyrolyse gefragmenteerd tussen technologieën, zonder zekere weddenschappen. Hoewel Monolith Materials bijna commercieel lijkt te zijn met zijn plasmatechnologie, weerhoudt het gebrek aan details over zijn project en de slechte commerciële geschiedenis van het Kværner-proces ons ervan om plasma al de duidelijke winnaar in methaanpyrolyse te noemen.
BASF en TNO zijn actief bezig met de ontwikkeling van hun thermische pyrolyseplatforms, maar hebben toegegeven dat een installatie op commerciële schaal onwaarschijnlijk is voor 2030. Van de vele startups die actief zijn op dit gebied, zijn de doelstellingen voor het op de markt brengen vaak zeer ambitieus en ze moeten nog de nodige partners of financiering vinden om hun technologieën op te schalen.
#LuxTake
Gezien het vroege stadium van methaanpyrolyse en het scala aan beschikbare technologieën, ontbreekt nog een economische evaluatie van het proces. Academische literatuur en gesprekken met technologieontwikkelaars geven aan dat methaanpyrolyse duurder zal zijn dan blauwe waterstof. Voorstanders van de technologie wijzen er echter snel op dat de verkoop van het koolstofbijproduct op de markt het goedkoper zal maken dan blauwe waterstof. Toch moeten innovators voorzichtig zijn, want zo'n veronderstelling kan zeer verraderlijk zijn.
De wereldwijde markt voor carbon black wordt momenteel geschat op 15 miljoen ton per jaar. Als al deze carbon black geleverd zou worden door methaanpyrolyse, zou dat overeenkomen met een waterstofproductie van 6 miljoen ton per jaar. Dit komt overeen met slechts 8% van de wereldwijde waterstofmarkt. Daarom zal de wereldwijde toepassing van methaanpyrolyse leiden tot een crash van de carbon black-markt en deze in wezen waardeloos maken.
Ervan uitgaande dat de technologie met succes wordt opgeschaald en de roet niet op de markt wordt verkocht, zal de beslissing om een methaanpyrolyse-installatie of een blauwwaterstofinstallatie te bouwen grotendeels afhangen van de behandeling van de koolstofhoudende bijproducten en de invloed daarvan op de economische aspecten van waterstofproductie. Wil methaanpyrolyse winnen, dan moeten de kosten van de behandeling van de vaste koolstof goedkoper zijn dan de kosten van het comprimeren, transporteren en vastleggen van de CO2-emissies van een blauwe waterstofinstallatie.
Geïnteresseerden moeten de ontwikkelingen op het gebied van methaanpyrolyse in de gaten houden, maar zich ervan bewust blijven dat deze pyrolyse wel een deel van de koolstofarme waterstofmarkt zal veroveren, maar waarschijnlijk niet alle blauwe waterstof uit de mix zal verdrijven.