Hoe ziet de waterstof toekomst eruit en wat kan er nú al?
Januari 2022 - Waterstof wordt al decennialang gebruikt als grondstof in de (chemische) industrie, maar het kan ook een belangrijke rol gaan spelen in de energietransitie. Bij de verbranding van waterstof komt voornamelijk water vrij, afhankelijk van de toepassing kunnen er ook stikstofoxiden (NOx) worden gevormd. Maar het is dus een CO2-vrije brandstof, precies wat we graag willen! Wat zijn de voor- en nadelen van waterstof, welke toepassingen zijn er nu al mogelijk en hoe ziet de waterstof toekomst eruit?
Inhoudsopgave
- Wat is waterstof?
- Waarvoor wordt waterstof al veel gebruikt?
- Welke soorten waterstof zijn er?
- Wat zijn de voordelen van waterstof?
- Wat zijn de uitdagingen met waterstof?
- Wat kan er nu al met waterstof?
- Gebruik van waterstof in de scheepvaart
- Gasgeneratorsets die draaien op een waterstofgehalte tot 25%
- De 100% waterstof motor
- De waterstof toekomst: grote plannen
- Meer lezen over alternatieve brandstoffen en de energietransitie
Wat is waterstof?
Waterstof is het meest voorkomende element in het heelal en het lichtste gas dat we kennen. Het is zo licht, dat het alleen in de buitenste lagen van onze atmosfeer voorkomt en dan ook nog eens in hele lage concentraties, ongeveer 0,5 parts per million (PPM).
Om waterstof te kunnen gebruiken, moet je het dus eerst maken (wat het een energiedrager maakt, het is geen energiebron). Dat kan met de processen die beschreven worden onder 'Welke soorten waterstof zijn er?'
Waterstof is kleur- en geurloos waardoor je apparatuur nodig hebt om het waar te nemen. Door het reukloze waterstof, net als aardgas, een herkenbare geur te geven, kunnen eventuele gevaarlijke situaties tijdig opgemerkt worden. Helaas kan dat niet met dezelfde odorant als in aardgas, want dan ontstaan er problemen als het gebruikt wordt voor brandstofcellen. Naar het gebruik van andere reukstoffen wordt onderzoek gedaan.
Daarnaast ontsteekt waterstof ongeveer 15 keer makkelijker dan aardgas en is het explosief in lucht bij concentraties van 4 tot 74%. Bij aardgas is dat 5 tot 15%. Verder moet je er rekening mee houden dat waterstof met een nauwelijks zichtbare vlam brandt, wat lastig is als je het moet bestrijden. Daarbij is het dan wel een voordeel dat waterstof zo licht is: het stijgt snel op en verspreidt zich snel. Bij kleinere lekkages is het gevaar daardoor minder.
Waarvoor wordt waterstof al veel gebruikt?
Waterstof wordt in veel industriële processen gebruikt, bijvoorbeeld voor kunststoffen en het produceren van methanol of ammoniak, wat weer nodig is om kunstmest te maken. Ook gebruiken oliemaatschappijen waterstof om zwavel uit de ruwe aardolie te verwijderen en om meer benzine uit aardolie te kunnen halen.
Welke soorten waterstof zijn er?
Er is maar één soort en dat is waterstof. Er zijn echter wel verschillende manieren om waterstof te produceren. Om dat aan te geven, worden er verschillende kleuren in de benaming gebruikt.
Grijze waterstof
Bijna alle waterstof die momenteel geproduceerd wordt, is 'grijze' waterstof. Het wordt zo genoemd, omdat het productieproces niet duurzaam is. Aardgas wordt onder hoge temperaturen omgezet in waterstof en daarbij komt het broeikasgas koolstofdioxide (CO2) vrij.
Blauwe waterstof
Bij 'blauwe' waterstof wordt de CO2 die uitgestoten wordt tijdens het productieproces voor 80 tot 90% afgevangen en opgeslagen, wat bijvoorbeeld zou kunnen in lege gasvelden onder de Noordzee. Blauwe waterstof wordt nog nergens op grote schaal geproduceerd.
Groene waterstof
'Groene' waterstof wordt geproduceerd door biomassa te vergassen of met duurzame elektriciteit door middel van elektrolyse. Elektrolyse is een chemische reactie waarbij water (H2O) met behulp van de 'groene' elektriciteit wordt gesplitst in zuurstof (O2) en waterstof (H2). In Nederland wordt geëxperimenteerd met elektrolysers op megawattschaal.
Turquoise waterstof
'Turquoise' waterstof wordt gewonnen uit aardgas via de Molten Metal Pyrolyse technologie, die zich nog in de laboratorium fase verbindt. Als aardgas door gesmolten metaal geleid wordt, komen waterstof en vaste koolstof vrij. Die koolstof kan gebruikt worden in bijvoorbeeld autobanden. Maar deze technologie staat echt nog in de kinderschoenen. [bron: TNO]
Wat zijn de voordelen van waterstof?
Geen CO2 uitstoot
In tegenstelling tot aardgas en olie bevat waterstof geen CO2. Bij de verbranding van waterstof wordt er dus geen CO2 uitgestoten. Wanneer het in een motor, een ketel of een oven wordt gebruikt, komen er wel stikstofoxiden (NOx) vrij. Elektriciteit produceren door waterstof in een brandstofcel te laten reageren met zuurstof is schoner, daarbij is de enige ‘emissie’ water.
Verbrandt op hoge temperaturen
Voor veel processen in hoogovens, raffinaderijen en in de chemische industrie is een hoge temperatuur nodig. Nu wordt die bereikt door aardgas te verbranden. Daarmee kan een maximumtemperatuur van ongeveer 1880°C bereikt worden, maar met waterstof kan die oplopen tot circa 2045°C. Logisch dus dat dit voor voornoemde processen interessant is.
Grondstof voor alcohol brandstoffen
Met waterstof en CO2 kun je onder andere methanol produceren. Methanol, de eenvoudigste alcohol die we kennen, is geschikt als brandstof voor daarvoor aangepaste verbrandingsmotoren. Daarnaast is vloeibare methanol makkelijker te transporteren dan waterstof, omdat er geen hoge druk voor nodig is om het vloeibaar te houden. Groene methanol is dan ook een goede oplossing om CO2 neutraal te kunnen rijden of varen.
Grondstof voor ammoniak
Ook voor ammoniak is waterstof een grondstof. Het wordt onder hoge druk gemaakt uit waterstof en stikstof, met behulp van een katalysator. De opslag van ammoniak in vloeibare vorm is vergelijkbaar met LPG (autogas). Er gelden wel zeer zware veiligheidseisen voor omdat het zo giftig is. Het is brandbaar en systemen voor gebruik als scheepsmotor brandstof worden momenteel ontwikkeld.
Wat zijn de uitdagingen met waterstof?
Relatief groot conversie- en totaalverlies
Waterstofproductie uit elektriciteit heeft een conversieverlies van circa 35%. Als je daar de energie bij optelt die nodig is voor het comprimeren of vloeibaar maken en het transport, dan komt het totaalverlies al snel uit op 50% of meer. Daarna moet je er weer elektriciteit van maken, wat ook weer een verlies met zich meebrengt: 50 tot 60%. In het beste geval blijft er van iedere 100 kWh waar je mee begon slechts 20 tot 25 kWh over!
Een veelbesproken idee is daarom het omzetten van overschotten wind- en/of zonne-energie in waterstof. De benodigde electrolyzers & compressoren en de opslag van waterstof vergen echter een behoorlijke investering. Of de baten van deze oplossing kunnen opwegen tegen de kosten voor de paar uur per dag dat er daadwerkelijk een elektriciteitsoverschot is, is voorlopig nog de vraag. Als de overschotten in de toekomst groter worden, er meer uren een overschot is en daardoor de elektriciteitsprijs lager, dan wordt dit interessanter.
3 keer zoveel volume nodig voor hetzelfde vermogen
Waterstof wordt, net als aardgas, berekend in kilo's en niet in liters. Het gewicht van een gas is namelijk onafhankelijk van druk en temperatuur. Met rekenen in liters zou je anders op steeds wisselende hoeveelheden energie uitkomen.
Hieronder een voorbeeld, om je een indruk te geven van het volumeverschil tussen aardgas en waterstof. Voor dezelfde hoeveelheid energie heb je 3 kg Gronings aardgas versus 1 kg waterstof nodig, maar in volume (1 bar, 0°C) is dat precies andersom: bijna 3 m3 waterstof voor 1 m3 Gronings aardgas.
| Gronings aardgas | Waterstof |
| 1 m3 Gronings aardgas weegt +/- 840 gram | 1 m3 waterstof weegt +/- 90(!) gram |
| de energie in 840 gram Gronings aardgas is 31,7 megajoule (MJ) | de energie in 90 gram waterstof is 10,8 megajoule (MJ) |
| omgerekend naar kilo’s heeft 1 kg Gronings aardgas bijna 38 MJ | omgerekend naar kilo’s heeft 1 kg waterstof bijna 120 MJ |
Wat kan er nu al met waterstof?
Momenteel wordt er vooral gekeken naar groene waterstof als vervanging van aardgas en autobrandstof. De toepassing van waterstof is vooralsnog kleinschalig, omdat voor het gebruik ervan veel nieuwe technieken toegepast moeten worden. Daarnaast wordt er niet genoeg groene waterstof geproduceerd, omdat de productiecapaciteit nog onvoldoende is. Dit neemt echter niet weg dat er nu al behoorlijk wat mogelijkheden zijn om waterstof, of brandstoffen die waterstof als basiscomponent hebben, te gebruiken. Zo zijn er bijvoorbeeld al auto’s op de markt die op pure waterstof rijden.
Gebruik van waterstof in de scheepvaart
In de scheepvaart zijn veel voorbereidingen gaande in verband met de omschakeling van dieselolie naar methanol, maar er wordt ook naar waterstof gekeken. Voor lokaal scheepvaartverkeer zoals havenslepers en veerponten, die frequent kunnen bijtanken, kan waterstof een mogelijkheid zijn.
Gedeeltelijk overstappen op waterstof met bijvoorbeeld alleen de hulpmotoren, wat ook bijdraagt aan het decarboniseren van de transportsector, is een andere optie.
In de komende jaren worden er meerdere waterstof demoprojecten in de scheepvaart uitgerold, zoals een containerschip dat gebruikmaakt van brandstofcellen, batterijen en vloeibare waterstofopslag.
Gasgeneratorsets die draaien op een waterstofgehalte tot 25%
Ook Caterpillar zit niet stil. Nu al kunnen gasmotoren geschikt gemaakt worden om tot 25% volume waterstof bij te mengen (voor de CG132B / TCG 3016, CG170B / TCG 3020 & CG260 / TCG 2032 series). Om bestaande generatorsets met een waterstofgehalte tot 25% te laten werken, zijn kleine ontwerpwijzigingen ten opzichte van het vorige ontwerp noodzakelijk. De vereiste wijzigingen zitten in een "upgradekit", die naar verwachting vanaf eind 2022 beschikbaar zal zijn.
De 100% waterstof motor
Caterpillar is in het 4e kwartaal van 2021 gestart met het op een 'design-to-order'-basis aanbieden van generatorsets die op 100% waterstof kunnen draaien.
Qua uiterlijk lijkt deze motor sterk op een 'gewone' gasmotor, maar veel onderdelen zijn aanzienlijk aangepast. Dat is nodig vanwege de extreem snelle verbranding (hoge vlamsnelheid) van waterstof en het feit dat het zo makkelijk kan worden ontstoken.
Als officiële dealer van Caterpillar machines, motoren en power systemen zijn wij natuurlijk trots en blij met de ontwikkeling van deze nieuwe waterstof motor. Het is weer een volgende stap in de energietransitie.
De waterstof toekomst: grote plannen
Rotterdam heeft een plan ontwikkeld om in 3 stappen een duurzame industriecluster te worden. De bedoeling is om vanaf 2030 op grote schaal waterstof te distribueren.
Voor het industriecluster Rotterdam-Moerdijk wordt met name gekeken naar het uitbreiden van de energie-infrastructuur. Denk aan warmtenetten, CO2-transport & opslaginfrastructuur, stoomnetten, verzwaring van het elektriciteitsnet voor elektrificatie van de industrie en het uitbreiden van het waterstofnet.
De Gasunie heeft plannen om het grootste groene waterstofproject van Europa te bouwen in Eemshaven. De aldaar geproduceerde waterstof zal voornamelijk aan de industrie geleverd worden.
Een paar cijfers op een rij
15x
Waterstof ontsteekt ongeveer 15 keer makkelijker dan aardgas.
4 tot 74%
Waterstof is explosief in lucht bij concentraties van 4 tot 74%.
2045°C
Met waterstof kan een maximumtemperatuur van +/- 2045°C bereikt worden.
30%
Waterstofproductie uit elektriciteit heeft een conversieverlies van +/- 30%.
1/3
Omdat waterstof zo licht is, bevat een m3 slechts 1/3 van de energie die in een m3 aardgas zit.
-254°C
Om waterstof vloeibaar te houden moet je het onder -254°C gekoeld opslaan.
MEER INFORMATIE?
Wil je meer weten of heb je vragen over dit artikel? Neem dan contact op met je account manager of laat een bericht achter via onderstaand formulier.
Tijdens kantooruren kun je ons ook bellen op +31 (0)78 642 0420