Milieuloket:
Waterstof

 

Waterstof

Waterstof (H2) is geen energiebron, maar een energiedrager. Dat wil zeggen dat het energie kost - meer dan we er daarna uithalen - om het te isoleren. Waterstof komt in een enorme verscheidenheid van stoffen voor, waar water de bekendste van is. Het kan dienen als brandstof voor verbrandingsmotoren, maar ook voor de brandstofcel.

Waterstof kunnen we maken door middel van elektrolyse, biologisch door gebruik van specifieke microŲrganismen, in kerncentrales, door middel van fotosynthese (omzetting door middel van licht). Daarnaast kunnen we ook waterstof maken uit fossiele brandstoffen, dit gebeurt tegenwoordig het meest. Waterstof is pas een duurzame brandstof als het gemaakt is met duurzame energie. Grootschalig maken van waterstof is daarom nog een probleem.

Naast de productieprobleem geeft het ook opslag en vervoersproblemen. Waterstof is ťťn van de kleinste stoffen in de wereld. Verschillende wetenschappers dragen hiervoor oplossingen aan, zoals opslaan onder hoge druk, het vloeibaar opslaan of speciale legeringen waar waterstof zich tijdelijk aan bindt. Geen van die oplossingen zijn ideaal. Daarnaast zijn veel infrastructurele aanpassingen nodig, waar overheid, bedrijven en kennisinstituten een belangrijk aandeel in hebben. De Nederlandse overheid ziet waterstof als oplossing voor de verre toekomst.


1.

Waterstof: duurzaam?

In ons zonnestelsel bestaan twee (bekende) plekken waar waterstof vrij voorkomt, namelijk op de zon en op de planeet Jupiter. Als waterstof op aarde in vrije vorm voorkwam, dan konden we het een energiebron noemen in plaats van een energiedrager. Puur gezien stellen we dat waterstof (H2) een schone brandstof is. Dat klopt ook, daar er bij verbranding van waterstof alleen puur water vrijkomt. Dit principe is al ongeveer 160 jaar bekend.

Het probleem zit in de productie van waterstof. Waterstof komt vrijwel niet in pure vorm voor in de (aardse) natuur. Wel komt waterstof in de natuur voor in een uiteenlopend scala aan verbindingen, waarvan water de bekendste is. Om de waterstof daaruit (vrij) te maken is energie nodig. Waterstof is daarom alleen duurzaam als de energie waarmee we waterstof maken van een duurzame bron, zoals bijvoorbeeld windenergie, zonne-energie, afkomstig is. Met andere woorden: waterstof is net zo schoon als de energie waar men het mee maakt.

2.

Toepassingen

Waterstofdistributie in de bebouwde omgeving

In de bebouwde omgeving gaat het vooral om het vervangen van aardgas. We kunnen dan ons huis verwarmen met waterstof en erop koken. Voordat het echter zover is, moeten we een tweetal knelpunten oplossen. Waterstof bestaat uit veel kleinere deeltjes dan aardgas, waardoor het gemakkelijker door de pijpleidingen heen lekt. Het aanpassen van de leidingen is een technisch mogelijke, maar tijdrovende en kostbare oplossing. Als tussenoplossing kunnen leveranciers aardgas bijmengen met waterstofgas.

De energetische inhoud van waterstof is lager dan van aardgas. Per volume-eenheid bevat waterstof minder energie dan andere (gangbare) brandstoffen. In vergelijking met aardgas bezit waterstofgas bij hetzelfde volume drie keer minder energie. Het transport van waterstof zou dan onder een hogere druk of door een groter volume moeten om dezelfde energie te verkrijgen dan uit aardgas.

Als brandstof in de transportsector

Waterstof als brandstof voor voertuigen, u heeft er vast van gehoord. Waterstof is hiervoor op meerdere manieren bruikbaar. Waterstof vormt met zuurstof een zeer brandbare combinatie. Zo kan waterstof prima een (aangepaste) verbrandingsmotor aandrijven. Een andere manier is met behulp van een brandstofcel.

Verbrandingsmotoren hebben echter een zeer lage efficiŽntie: slecht 15 procent tot 25 procent van de ingaande energie geeft stuwkracht, de rest gaat 'verloren'. Nog een nadeel van een verbrandingsmotor met waterstof als brandstof is het ontstaan van NOx, hetgeen schadelijk is voor het milieu. Een andere manier om waterstof als energiedrager te benutten is direct produceren van elektriciteit om bijvoorbeeld elektromotoren aan te drijven. Dat gebeurt door middel van een brandstofcel.

De brandstofcel doet in feite het omgekeerde van elektrolyse. In plaats van water te scheiden, voegt het waterstof en zuurstof samen. Hierbij ontstaat energie - in de vorm van elektriciteit - en water. Door het samenvoegen van waterstof en zuurstof komen elektronen vrij waardoor een elektrische stroom ontstaat. De brandstofcel bestaat eigenlijk al vanaf 1839. De brandstofcel behaalt zeer hoge rendementen: de cel zet ongeveer 60 procent van de ingaande energie om in elektrische energie. Door het verlies dat optreedt bij de omzetting naar beweging is over het gehele proces een (hoog) rendement haalbaar van ongeveer 40 procent, tegenover ongeveer 25 procent voor een dieselmotor.

Opslagmedium voor elektriciteit

Brandstofcellen zijn niet gebonden aan een vaste vorm. Hierdoor kan waterstof zeer geschikt zijn voor vervanging van accu's en (oplaadbare) batterijen. We kunnen ze dan gemakkelijk gebruiken in portable apparatuur. Zodra de brandstofcel waterstof en zuurstof toegevoerd krijgt, levert zij elektrische energie. Lange oplaadtijden worden dan overbodig.

3.

Hoe kan waterstof geproduceerd worden?

Elektrolyse

Bij elektrolyse zorgt elektriciteit voor de splitsing van watermoleculen H2O) in waterstof (H2)en zuurstof (O). Twee elektroden steken in water. De elektrische stroom die door de elektroden loopt, splitst water op in waterstofgas en zuurstofgas.

Deze manier van waterstofproductie is duurzaam als de elektrische stroom afkomstig is van een duurzame bron. De omzetting van elektrische energie naar waterstof brengt energieverlies in de vorm van warmte met zich mee. In combinatie met een wkk-installatie of warmtewisselaar kunnen we deze warmte 'verliezen' nuttig gebruiken. De plaats van gebruik - bijvoorbeeld het huishouden - bepaald of we de benuttingsystemen wel kunnen gebruiken.

Waterstofproductie uit biomassa

Biomassa bestaat voor een groot deel uit waterstoffen: chemische verbindingen met waterstof als bestanddeel. In natuurlijke processen zetten verschillende microŲrganismen biomassa om in onder meer waterstof. Dit gebeurt bijvoorbeeld in moerassen, maar ook in de maag van een koe. In ons huiselijk afvoer- en verwerkingssysteem van biomassa - het riool en rioolwaterzuivering - gebeurt dit ook. De waterstof is alleen niet terug te vinden, omdat andere microŲrganismen het normaal gesproken onmiddellijk gebruiken als voedingsstof. Hierbij wordt methaan gevormd.

Inmiddels zijn er technieken beschikbaar die de waterstofproductie loskoppelt van de methaanproductie. In een project met als grondstof voor dit proces miscanthus (een energiegewas) en aardappelstoomschillen werd een kostprijs van deze waterstof berekend die kan concurreren met de nu gebruikte waterstofproductie uit fossiele brandstoffen.

Waterstofproductie in kerncentrales

Speciale kernreactoren kunnen water chemisch splitsen in waterstof en zuurstof. Zo hoeven we niet eerst elektriciteit te gebruiken, waarbij veel energie verloren gaat in de vorm van warmte. Deze splitsing bewerkstelligt men in zogenaamde Hoge Temperatuur Reactoren (HTR). Dit is een nieuwe generatie kernreactor met als kenmerken een verhoogde veiligheid en minder radioactief afval. De meest veelbelovende is de Hoge Temperatuur Gasgekoelde Reactor. In de Verenigde Staten bereid men de bouw van zo'n reactor voor, speciaal gericht op de productie van waterstof.

Fotosynthese

Een groep wetenschappers in Japan slaagde erin om direct waterstof te produceren met behulp van zonlicht. Door middel van een bepaalde stof en zonlicht wordt een reactie aan de gang gezet en gehouden. Hierbij verandert die stof (in dit geval titaniumdioxide) zelf niet. Zo'n stof noemen we een katalysator. Het systeem zet daarbij water (H2O) en koolstofdioxide CO2 om in waterstof en koolwaterstoffen, zoals methaan en alcoholen, zoals methanol.

Het klinkt haast te mooi om waar te zijn, maar het systeem werkt uitstekend. Alleen zet het systeem 'slechts' vier procent van het opvallende zonlicht om in bruikbare brandstof. Het heeft dus een zeer laag rendement. De onderzoekers hopen dit in de toekomst te verhogen, zodat het een goede bijdrage kan leveren in de waterstofproductie.

Waterstof uit fossiele brandstof

Ook uit fossiele brandstof kan men waterstof produceren. Een andere (verzamel)naam voor fossiele brandstoffen zijn koolwaterstoffen. Dat komt omdat de meeste chemische verbindingen van fossiele brandstof bestaat uit koolstofdeeltjes en waterstofdeeltjes. Bij verbranding reageren deze verbindingen met zuurstof uit de buitenlucht waardoor kooldioxiden ontstaan.

We kunnen fossiele brandstoffen ook chemisch ontleden in koolstof en waterstof. In de industrie gebeurt dit al op grote schaal. Uit aardgas is waterstof vrij simpel te maken. Er zijn zelfs brandstofcelauto's waar je aardgas moet tanken. In de auto zet een zogenaamde 'reformer' of 'omvormer' dit om in waterstof. Dit dient dan weer als brandstof voor de brandstofcel. Wel heeft de auto dan niet alleen water als uitlaatgas, maar ook de andere componenten van aardgas.

4.

Waterstof en de maatschappij

Overheid

De overheid ziet waterstof als een oplossing voor de verre toekomst. Dat komt vooral doordat de voorzieningen, zoals tankstations en pijpleidingen, maar ook de technieken die energie verbruiken, geheel moeten worden aangepast. Dit kost immens veel tijd, daar niet iedereen zomaar even een nieuwe (waterstof)auto koopt. Ook fabrikanten gaan niet massaal 'zomaar' waterstofauto's fabriceren, simpelweg omdat het (voorlopig) geen geld oplevert of niet rendabel is. Ook is de infrastructuur daarvoor nog niet geschikt. Aan de andere kant kunnen we ook stellen dat fossiele brandstoffen simpelweg nog te goedkoop zijn, al brengt dit het milieu soms (onherstelbare) schade toe. Ook dit houdt een snelle maatschappelijke omschakeling tegen.

Een belangrijke taak van de overheid ligt in het stimuleren van relevante bedrijven, zoals energiebedrijven en (auto)fabrikanten. In het energiebeleid spreekt de overheid van 'nieuw gas' en alternatieve transportbrandstoffen. Een andere taak is het stellen van randvoorwaarden in de vorm van wetten en regels. Op die manier kan de overheid bewerkstelligen dat we waterstof veilig en betrouwbaar invoeren.

Veiligheid

Het omgaan met energie houdt altijd veiligheidsrisico's in, of we nu bezig zijn met elektriciteit, benzine of aardgas. Tegenwoordig vinden we het vrij vanzelfsprekend om te gaan met die energiesoorten. Aangezien waterstof relatief onbekend is kunnen we misschien angstig tegenover het gebruik ervan staan. Toch is waterstof in vergelijking met andere energiesoorten geen uitzonderlijk gevaarlijke brandstof.

Brandweer en verzekeringsmaatschappijen schatten de risico's voor waterstof niet hoger in dan aardgas en LPG. Daarnaast maken overheden afspraken om veiligheidsrisico's te beperken. Omdat waterstof van nature geurloos is en het onzichtbaar brand, zullen energiebedrijven er een geurstof aan toevoegen en een stof om de vlam zichtbaar te maken, zoals koolstof.

Bedrijven

Bedrijven hebben een enorm grote rol in de ontwikkeling van het gebruik van waterstof. Zij zijn, naast universiteiten, degenen die nieuwe technieken ontwikkelen die bijvoorbeeld waterstof produceren en distribueren, en ook gebruiksvoorwerpen ontwerpen die gebruik maken van deze energiedrager.

Momenteel werken bedrijven en industrieŽn keihard aan de ontwikkeling van brandstofcellen. Verschillende demonstraties en tests getuigen daarvan. Vooral in de auto-industrieexperimenteert men er lustig op los, omdat sommige autofabrikanten in waterstof dť brandstof van de toekomst zien. Daardoor investeren verschillende grote autofabrikanten in de technologie. Ze richten zich daar bijvoorbeeld op het soort aandrijving; een verbrandingsmotor of juist de brandstofcel. Daarnaast is ook opslag van waterstof een punt van aandacht, verderop in de tekst wordt daar dieper op in gegaan.

De autofabrikanten nemen de waterstoftechnologie op voortouw. Dat betekent bijvoorbeeld dat integratie in de bebouwde omgeving afhankelijk is van de technische ontwikkeling en prijs van de brandstofceltechnologie in de auto-industrie.

5.

Milieuaspecten en knelpunten

Opslag en vervoer van waterstof

Waterstof is een van de kleinste deeltjes op aarde. Hierdoor is het erg moeilijk om het in een geÔsoleerde omgeving te houden. Een ijzeren of plastic buis is wanneer we het zeer uitvergroten een soort zeef, waar waterstofgas langzaam doorheen kan. Daarom is het ook erg moeilijk zonder lekkages te transporteren. Wetenschappers steken erg veel tijd in het oplossen van dit probleem.

Het kan bijvoorbeeld op locatie gemaakt worden. We hoeven het dan niet op te slaan. Wel brengt dit andere problemen met zich mee, zoals grondstof-opslag en keuze. Een andere oplossing waar men aan dacht is het vloeibaar opslaan. Waterstof wordt - net als andere gassen - vloeibaar onder een bepaalde druk en temperatuur. Bij waterstof leidt vloeibare opslag van het gas (zoals bij LPG) echter tot een energieverlies van dertig procent. Vandaar dat dit een nadelige manier van opslag is. Naast vloeibaar opslaan proberen onderzoekers waterstof (tijdelijk) te binden aan metalen. Ook hier treden echter verliezen op.

Even leek er een technische doorbraak te zijn: het gebruik van bepaalde koolstofstructuren, waarmee zeer compact waterstof opgeslagen zou kunnen worden. Het bleek in de praktijk toch tegen te vallen. Wel zijn soortgelijke doorbraken nodig om het probleem op te lossen

Grote maatschappijen zoals de Gasunie denken na over het bijmengen van waterstofgas in de aardgasleidingen. Hoe hoger dit percentage, hoe minder CO2 emissies door aardgasgebruik. Toch gaat dit niet geheel op. Waterstof is een zeer klein molecuul en zou zo door de leidingwanden heen kunnen bewegen. Alleen lage bijmenging voorkomt dit. Daarnaast zou mťt lekdichte leidingen een veel hogere druk of grotere leidingdiameter nodig zijn. Dat komt door de relatief lage energiewaarde van waterstof (10,8 GJ per m3 van het gas tegenover bijvoorbeeld 31,65 GJ per m3 van aardgas).

Waterdamp is toch een broeikasgas?

Waterdamp is inderdaad een broeikasgas. Het toevoegen van waterdampgassen aan de atmosfeer heeft hetzelfde effect als kooldioxide: het versterkt het broeikaseffect omdat het warmte van de zon opneemt. Wanneer we echter netto geen waterdamp toevoegen aan de atmosfeer is er geen sprake meer van 'versterkt' broeikaseffect. Wanneer we echter fossiele brandstoffen gebruiken voor de productie van waterstof voegen we wel gassen toe aan de atmosfeer. Het is dus zorg om een evenwicht te creŽren, zodat we geen extra stoffen aan de atmosfeer toevoegen.

Technical fixes

De gedachtegang dat een waterstofeconomie de milieuproblemen oplost noemen we een 'technical fix' . We suggereren dan dat de technologie de oplossing vormt voor problemen die we met technologie hebben gecreŽerd. Dergelijke oplossingen brengen nog een ander probleem met zich mee: het 'rebound effect' . Dit betekent dat wanneer iets zuiniger is met energie, we het meestal langer gaan gebruiken. Zo gaan we misschien wel langer onder de douche staan omdat we 'toch' een spaardouchekop hebben. Hetzelfde kan gebeuren met energie.

6.

Internationaal

De industrie werkt keihard aan de ontwikkeling van brandstofcellen, waterstofproductie en nieuwe toepassingen in bijvoorbeeld vervoer, verwarming en energieopslag. Ter stimulering heeft de Europese Unie honderden miljoenen euros vrijgemaakt voor research op het gebied van waterstof en brandstofcellen.

"De Verenigde Staten investeren 1,2 miljard dollar in de ontwikkeling van waterstof, zodat Amerika een leidende rol heeft in de ontwikkeling van een schone, waterstofeconomie" sprak president George Bush januari 2003. Inmiddels hebben wereldwijd veel landen zich gebonden aan de snelle ontwikkeling van de waterstofeconomie. Een overzicht van investeringen:

  • De Verenigde Staten 1,7 miljard voor de eerstkomende vijf jaar, met name voor de ontwikkeling van waterstof infrastructuur (waterstofproducenten, pijpleidingen, afneempunten, etc), brandstofcellen en hybride technologieŽn;
  • De Europese Unie investeert 2 miljard euro de komende vijf jaar om onderzoek en ontwikkelingen te forceren op het gebied van hernieuwbare (duurzame) energiebronnen en technologieŽn;
  • Japan investeert sinds 1995 steeds meer in de waterstof technologie;
  • Landen als AustraliŽ, Canada, IJsland, ItaliŽ, Engeland, China, India en Singapore hebben allemaal programma's en intenties om een waterstofeconomie te realiseren.

Om efficiŽnt de waterstoftechnologie en ontwikkeling om te zetten naar de samenleving is internationale samenwerking onontbeerlijk. Voor het definiŽren van standaarden voor de opslag, productie, transport, verspreiding en het gebruik is een taak die multinationaal vastgesteld moet worden. Internationale energie agentschappen hebben een belangrijke taak in het in goede banen leiden van de ontwikkeling.

7.

Meer weten?

Algemene informatie

Projecten

Maatschappelijk

 
  • Contact
  • Home