Kan biochar de kosten van groene waterstof verlagen?

Het vinden van de juiste waterstofkatalysator

Waterstof zou in theorie een perfecte brandstof kunnen zijn om energie op te slaan en toepassingen van stroom te voorzien die moeilijk te elektrificeren zijn. Dit komt doordat het een aantal bijna ideale eigenschappen heeft:

– Brandstofcellen genereren elektriciteit zonder kooldioxide te produceren op het punt van gebruik.
– Waterstof kan de hoge temperaturen leveren die nodig zijn voor metallurgie en andere moeilijk te elektrificeren industriële processen.
– Elektrolyse kan waterstof uit water produceren met behulp van hernieuwbare elektriciteit.
– Waterstof bevat geen koolstof, hoewel de totale milieu-impact afhangt van hoe het wordt geproduceerd en gebruikt.

De opkomst van een op waterstof gebaseerde economie wordt echter belemmerd door de moeilijkheid om waterstof kosteneffectief te produceren. Dit komt doordat groene waterstof doorgaans wordt geproduceerd via elektrolyse, een proces waarvan de kosten en efficiëntie gedeeltelijk afhangen van de elektrodematerialen. PEM-elektrolyzers vertrouwen op schaarse en dure platina‑groepsmetalen, met name platina en iridium, terwijl alkalische systemen meer overvloedige nikkel‑gebaseerde katalysatoren kunnen gebruiken.

Zolang er geen betere productiemethode voor waterstof bestaat, is het onwaarschijnlijk dat we het op grote schaal fossiele brandstoffen zullen zien vervangen.

Daarom worden door wetenschappers vele alternatieven voor katalysatormaterialen onderzocht, zoals ijzernanorods, siliciumcarbide, of kobalt‑tungsten.

Een andere optie om groene waterstof te produceren zou koolstofgebaseerde katalytische materialen kunnen zijn, die ironisch genoeg een solide oplossing kunnen bieden om koolstofemissies te beperken.

Een nieuwe review van Indiase onderzoekers van Swami Rama Himalayan University en Graphic Era (Deemed to be University) onderzocht het gebruik van biochar‑afgeleide koolstofnanomaterialen voor dit doel. Biochar wordt geproduceerd door biomassa thermisch te ontleden onder zuurstofarme omstandigheden via processen zoals pyrolyse. Dit komt doordat biochar‑afgeleide koolstofnanomaterialen, waaronder mogelijk koolstofnanobuizen (CNT’s), grafeen en koolstof‑kwantumdots, nanosheets en nanoflakes, een groot oppervlak, aanpasbare structuren, uitstekende elektrische geleidbaarheid en gunstige elektrokatalytische eigenschappen bieden.

Ze publiceerden hun bevindingen in Next Energy¹, onder de titel “Biochar‑afgeleide koolstofnanomaterialen voor duurzame waterstofproductie: Synthese, elektrokatalytische prestaties en toekomstperspectief.”

Verbeteren van waterstofproductie

Als waterstofatomen het meest voorkomende element in het universum zijn, zijn ze op aarde over het algemeen gebonden aan andere elementen. Daarom moet zuiver H2‑gas worden geproduceerd, waarbij de algemeen geprefereerde optie afkomstig is van de elektrolyse van water (H2O). Maar dit wordt beperkt door de hoge spanning die nodig is om de kinetische barrières die gepaard gaan met waterstofsplitsing te overwinnen.

Het overwinnen van deze spanningsbeperking is de primaire taak van elektrokatalysator‑materialen.

De productieschaal die nodig is voor een functionele waterstofeconomie vereist dat dergelijke katalysatoren worden gemaakt van overvloedige en goedkope elementen. Vanuit dat perspectief zijn biomassa‑afgeleide koolstofnanomaterialen veelbelovende kandidaten, omdat ze relatief overvloedige grondstoffen kunnen combineren met een groot oppervlak, elektrische geleidbaarheid, chemische stabiliteit en aanpasbare elektrochemische eigenschappen.

Dit is echter geen eenvoudig proces; het omzetten van biomassa in bruikbare biochar en vervolgens in katalysatoren is niet alleen een kwestie van pyrolyse, maar vereist ook uitgebreide mechanische, thermische en chemische behandelingen.

Source: Next Energy

Helaas, ondanks de vooruitgang, is hoe men ruwe biomassa consistent en op industriële schaal kan omzetten in koolstofnanomaterialen nog steeds niet volledig begrepen.

“Ondanks de groeiende belangstelling is er nog steeds een gebrek aan systematisch inzicht in hoe biochar‑gebaseerde koolstofnanostructuren te ontwerpen en te optimaliseren als efficiënte, betaalbare elektrokatalysatoren voor waterstofproductie.”

Zin geven aan biochar‑onderzoek

Literatuuroverzicht

Het gebrek aan gesystematiseerde analyse over dit onderwerp is de reden waarom de onderzoekers wetenschappelijke literatuur hebben verzameld die is gepubliceerd van januari 2020 tot februari 2026, met nadruk op enkele thema’s:

• Productie van biochar en eigenschappen van de grondstoffen.
• Synthese en nanoschaalverwerking van biochar‑gebaseerde koolstofmaterialen.
• Fysische, chemische en structurele eigenschappen.
• Incorporatie/hybridisatie met metalkatalysatoren/andere katalysatormaterialen.
• Elektrokatalytisch proces van waterstofontwikkelingsreactie (HER) en zuurstofontwikkelingsreactie (OER).
• Elektrochemische prestaties.
• Stabiliteit, schaalbaarheid en toekomstperspectieven van milieuvriendelijke waterstofproductie

Productie van biochar

Biochar is een koolstofrijk materiaal dat wordt geproduceerd door biomassa, waaronder agrarische reststromen, houtafval en mest, te verhitten onder zuurstofarme omstandigheden. De pyrolysetemperatuur varieert afhankelijk van de grondstof en de gewenste eigenschappen, en de review beschrijft verwerkingscondities die buiten een enkel temperatuurbereik vallen.

Naast pyrolyse kan het proces ook worden ingezet om plantaardige biomassa om te zetten in biochar, bijvoorbeeld via vergassing en hydrothermale carbonisatie.

Naast de potentiële industriële toepassingen wordt biochar ook steeds vaker gebruikt om bodems voor de landbouw te verbeteren en koolstof vast te leggen.

Bron: Discover Soil

Biochar kan worden verwerkt tot koolstofnanomaterialen die geschikt zijn voor onderzoek naar waterstofproductie. Sommige voorgestelde katalysatoren zijn metaalvrij, terwijl andere biochar-afgeleid koolstof combineren met kobalt, ijzer, molybdeen of andere katalytische materialen. De benadering kan laagwaardige biomassa omzetten in materialen met een hogere waarde, hoewel het totale koolstofvoordeel afhangt van de bron van de grondstof, de energie die bij de verwerking wordt gebruikt, chemische behandelingen en de uiteindelijke levenscyclus van het materiaal.

Bron: Next Energy

Activatie voor waterstofproductie

De eerste stap in de behandeling van biochar is fysiek. Dit is nodig om de deeltjesgrootte te verkleinen terwijl de poriegrootte en het oppervlak worden vergroot. Dit kan met verschillende methoden, zoals microgolf-, ultrasoon- en mechanische afbraak (compressie, malen, malen, hakken en torrefactie).

Vervolgens wordt hogedrukstoom bij extreem hoge temperaturen gebruikt om de complexe plantaardige lignocellulosematrix af te breken tot een eenvoudigere structuur.

Chemische stoffen maken ook deel uit van het proces. Zuurbehandeling kan worden ingezet om de bruikbaarheid van cellulose te verbeteren. Deze behandelingen kunnen zuren gebruiken, waaronder zwavelzuur, zoutzuur, salpeterzuur, azijnzuur, oxaalzuur en fosforzuur, waarbij het gekozen reagens en de concentratie het resulterende materiaal beïnvloeden. Aan de andere kant van het pH-spectrum worden alkalische verbindingen zoals ammoniumhydroxide (NH4OH), natriumhydroxide (NaOH) en calciumhydroxide (Ca(OH)2) gebruikt om de chemische bindingen tussen polymeren en lignine op te lossen.

Deze processen kunnen ook worden gekoppeld aan modificatie van de chemische structuur van de biochar of aan de toevoeging van andere elementen om het elektrochemische potentieel te “dopen”.

“Zuurstofhoudende functionele groepen op het oppervlak, zoals hydroxyl-, carbonyl- en carboxylgroepen, verbeteren de hydrofiliciteit, de interfaciale contacten met elektrolyten en de reactiviteit van het oppervlak. Deze groepen kunnen ook deelnemen aan redoxreacties en de ladingsoverdrachtsprocessen vergemakkelijken.”

Bron: Next Energy

Stimulering van waterstofproductie

De voorgaande stappen worden uitgevoerd zodat de nanostructuur van biochar wordt aangepast om veel meer koolstofnanostructuren te bevatten: koolstofnanovezels, grafeen, koolstofnanobuizen, koolstofdots en koolstofnanosheets.

Op deze manier wordt het geoptimaliseerd voor een aantal sleutelkenmerken:

• Hoge elektrische geleidbaarheid, waardoor vrije elektronen kunnen stromen
• Chemische stabiliteit en een groot poreus oppervlak
• Geschikte waterstofadsorptie‑ en desorptie‑eigenschappen, die de waterstofontwikkelingsreactie beïnvloeden.

Bron: Next Energy

Biochar‑waterstof winstgevend maken

Een obstakel dat waterstof heeft weerhouden van een alledaagse brandstof is de kostprijs. Gedeeltelijk komt dit al lange tijd door dure katalysatoren die zeldzame en edele metalen gebruiken.

In het geval van koolstofgebaseerde katalysatoren beïnvloeden andere kosten de potentiële toekomstige economische haalbaarheid van dit proces:

• Teelt, verzameling, transport en opslag van biomassa
• Pyrolyse en stoombehandeling, die zeer energie‑intensief zijn.
• Verbetering van biochar met chemische en mechanische processen, met de kosten van apparatuur en de uiteindelijke vervuiling in overweging.

Een ander probleem dat de huidige wetenschappelijke literatuur, die zich richt op resultaten verkregen in een laboratoriumomgeving, niet adequaat adresseert, is de duurzaamheid en regeneratiecapaciteit van biochar.

Hoewel sommige laboratoriumstudies veelbelovende elektrochemische stabiliteit rapporteren, stelt de review vast dat de langetermijdduurzaamheid, weerstand tegen vervuiling, regeneratiepotentieel en prestaties onder realistische industriële omstandigheden onvoldoende onderzocht zijn.

Een ander onopgelost vraagstuk is het gebrek aan homogeniteit in de eigenschappen van biochar. Er bestaan bijna ontelbare variaties, voortkomend uit verschillende biomassa‑bronnen, pyrolyse‑condities en nabehandelingen van de biochar.

Dus hoewel sommige formules veelbelovend zijn, ontbreekt nog een duidelijke test‑ of certificeringsmethode die de kwaliteit van het eindproduct garandeert, en die nodig zal zijn voor grootschalige industriële toepassingen.

“Het overwinnen van deze moeilijkheden vereist samenwerkingsinitiatieven die overheidswetgeving, industriële investeringen en academisch onderzoek omvatten. Beleidsmakers moeten ondersteunende kaders bieden die innovatie, commercialisering en langdurig gebruik van biochar in de energie-, milieu- en landbouwsectoren bevorderen.”

Desondanks maakt het potentieel om in één keer laagwaardige biomassa op te schalen, koolstof vast te leggen en de kosten van groene waterstof te verlagen, zonder dat er zeldzame elementen nodig zijn, deze technologie zeer aantrekkelijk.

Laboratoriumstudies hebben het technische potentieel van biochar-afgeleide koolstofnanomaterialen aangetoond, maar hun resultaten kunnen niet altijd direct worden vergeleken omdat testomstandigheden en rapportagemethoden verschillen. De volgende stappen zijn het standaardiseren van productie- en prestatietesten, het valideren van langdurige duurzaamheid, het voltooien van levenscyclus‑ en techno‑economische beoordelingen, en het doorvoeren van de sterkste kandidaten naar industriële pilotprojecten.

Investeren in groene waterstof

Plug Power

Plug Power (PLUG ) levert brandstofcellen, elektrolyseurs, waterstofopslagapparatuur, tankinfrastructuur en waterstofproductiediensten. Het bedrijf zegt meer dan 74.000 brandstofcelsystemen en meer dan 280 tankstations te hebben geïmplementeerd, terwijl zijn elektrolyseurs op zes continenten zijn ingezet.

Plug blijft ook een speculatieve investering. Het heeft zijn waterstofproductie‑ en elektrolyseuractiviteiten uitgebreid, maar blijft geconfronteerd worden met financiële, uitvoerings‑, financierings‑ en commercialiseringsrisico’s. Doorbraken die de kosten van waterstofproductie verlagen, kunnen haar adresseerbare markt ondersteunen, maar zij zouden op zichzelf de financiële uitdagingen van het bedrijf niet oplossen.

Bron: Plug Power

De relevantie voor dit onderzoek komt voornamelijk voort uit de elektrolyseractiviteiten van het bedrijf. Plug produceert proton‑uitwisselingsmembraan‑elektrolyseurs, een technologie die momenteel afhankelijk is van katalysatoren uit de platina‑groepsmetalen. Als biochar‑afgeleide materialen of verwante koolstof‑metaal‑hybriden uiteindelijk de katalysatorbehoefte verminderen, de elektrode‑prestaties verbeteren of de systeemkosten verlagen, kunnen elektrolyserfabrikanten profiteren van deze verbeteringen.

De beoordeelde biochar‑materialen bevinden zich echter nog op laboratoriumniveau, en er is geen aanwijzing dat Plug Power ze momenteel gebruikt of van plan is te gebruiken. Het bedrijf moet daarom worden beschouwd als een downstream‑exposure aan de bredere uitbreiding van groene waterstof in plaats van directe blootstelling aan biochar‑afgeleide katalysatoren.

Bron: Plug Power

(U kunt lees meer over Plug Power in ons speciale investeringsrapport over het bedrijf.)

Laatste Plug Power (PLUG) aandelennieuws en ontwikkelingen

Gerefereerde studie

^{1. Vishal Rajput. Biochar-afgeleide koolstofnanomaterialen voor duurzame waterstofproductie: synthese, elektrocatalytische prestaties en toekomstperspectief. Next Energy. Volume 13, oktober 2026, 100995. https://doi.org/10.1016/j.nxener.2026.100995}