Duurzaamheid is een centraal thema in de hedendaagse samenleving. Natuurrampen, verontrustende nieuwsberichten en de druk van politici eisen dat steeds meer industrieën alles in het werk stellen om duurzamer te werken.
In overeenstemming met de Europese Green Deal legt de Europese Klimaatwet ook de wettelijk bindende doelstelling op om de uitstoot van broeikasgassen tegen 2030 met 55% te verminderen ten opzichte van het niveau van 1990 en tegen 2050 klimaatneutraliteit in de EU te bereiken. Om deze doelstellingen te halen, wordt vandaag in vele bedrijfstakken om actie gevraagd. Het leidt tot veel onderzoek, discussie en, gelukkig, de ontwikkeling van veelbelovende hernieuwbare energiebronnen.
In deze blog richten we ons op waterstof als een essentieel onderdeel van de huidige duurzaamheidsdiscussie. Waterstof heeft een enorm potentieel om als duurzame energiedrager te dienen, mits het op de juiste wijze wordt geproduceerd en gebruikt.
Wat zijn precies de kenmerken van dit gas? Welke mogelijkheden biedt waterstof op het gebied van duurzaamheid? Wat zijn de belangrijkste toepassingen en welke waterstof-infrastructuren biedt Demaco? We zullen dit en nog veel meer in deze blog bespreken.
Wat is vloeibare waterstof?
Waterstof is het lichtste gas in het heelal. Onder normale omstandigheden is het een chemisch element met symbool H en atoomnummer 1, een kleurloos, reukloos en licht ontvlambaar gas. Het gas komt op aarde niet in geïsoleerde vorm voor, maar maakt deel uit van water. Een gebrek aan waterstof zal dus inderdaad geen probleem worden.
Waterstof wordt zowel in vloeibare als in gasvormige vorm gebruikt. Het gas heeft een dichtheid (kg.m-3) van 0,08988 en een kookpunt van -252,9 °C. Op dit kookpunt wordt de waterstof een vloeistof.
Vergeleken met de meeste andere gassen is het kookpunt van waterstof extreem laag. Alleen helium, met een kookpunt van -268,9 °C, heeft een nog lager kookpunt. De zeer lage temperatuur in combinatie met de hoge ontvlambaarheid van waterstof maakt het tot een relatief gevaarlijk materiaal. Zorgvuldige veiligheidsmaatregelen en geavanceerde waterstof- infrastructuren zijn dan ook noodzakelijk.
De geschiedenis van vloeibaar waterstof
Waterstof werd voor het eerst geproduceerd in 1671 door de wetenschapper Robert Boyle. Hij onderzocht de reactie van verschillende metalen door ze in zuur onder te dompelen. Terwijl de metalen hun respectieve reacties met het zuur aangingen, werd als neveneffect waterstof geproduceerd.
Pas in 1766 werd waterstof echter voor het eerst geïdentificeerd door Henry Cavendish. Hij bevestigde in een onderzoeksartikel dat waterstof een apart element was en ging verder in detail in op de extreme ontvlambaarheid van dit toen pas ontdekte gas.
Cavendish ontdekte ook dat waterstofgas water vormt wanneer het met vuur wordt gecombineerd. Deze ontdekking leidde tot de naam die Antoine Lavoisier enkele jaren later aan het gas gaf: hydrogenium (“hydro” en “genen” te vertalen als “watermaker” of “watervormer”).
Bron: Een machine van Cavendish die werd gebruikt om waterstof te maken.
De waterstofproductie kwam pas echt op gang toen William Nicholson en Sir Anthony Carlisle in 1800 een proces ontdekten om waterstof te produceren. De elektrolysemethode houdt in dat elektrische stroom op water wordt toegepast, waardoor waterstof en zuurstofgas ontstaan.
In die tijd was waterstof uitsluitend gasvormig. Pas tientallen jaren later begonnen verschillende wetenschappers wereldwijd met hun experimenten om gas vloeibaar te maken. Een van deze onderzoekers was Heike Kamerlingh Onnes, hoogleraar aan de Universiteit Leiden. Hij bouwde een koud laboratorium en streed ijverig met andere onderzoekers om als eerste vloeibare waterstof te produceren.
Al was Kamerlingh Onnes op de goede weg, slaagde de Schotse natuurkundige James Dewar er als eerste in om waterstof vloeibaar te maken. In 1898 bereikte hij voor het eerst een temperatuur van -252,9 °C. Enkele jaren later, in 1906, produceerde Kamerlingh Onnes ook met succes vloeibare waterstof. Hij deed dit in zijn cryogeen laboratorium in Leiden, waar in die tijd de laagste temperaturen ter wereld werden bereikt.
Intussen werd ook het onderzoek naar de toepassing van waterstof gestaag voortgezet. Dit resulteerde in de ontwikkeling van de eerste gasbatterij in 1945 en kort daarna onderzoek naar de mogelijkheden van waterstof als energiedrager in een brandstofcel.
In de jaren negentig werd het potentieel van waterstof steeds duidelijker. Er werd geëxperimenteerd met schepen, vrachtwagens en vliegtuigen, en de lucht- en ruimtevaartsector werd al snel een belangrijke gebruiker.
Ook de duurzaamheidsvoordelen werden steeds duidelijker. In 1970 John O’M. Bockris creëerde de term “waterstofeconomie. Hij beschreef een economie waarin hernieuwbare waterstof de voornaamste energiedrager zou zijn, ter vervanging van onze fossiele brandstoffen.
De voordelen van vloeibaar waterstof
Hoewel de waterstofeconomie van Bockris nog geen werkelijkheid is geworden, staat duurzame waterstof wel degelijk in de belangstelling. De duurzaamheidsvoordelen zijn aanzienlijk:
- Ten eerste, waterstof is een alomtegenwoordig element. Dus ook al zijn er momenteel uitdagingen in verband met de waterstofproductie, er is geen tekort aan grondstoffen.
- Bovendien heeft waterstof, wanneer het op duurzame wijze wordt geproduceerd en gebruikt, geen nadelige gevolgen voor het milieu. De enige bijproducten zijn warmte en water, die gemakkelijk weer in de atmosfeer worden opgenomen.
- Tenslotte zijn voor de productie van waterstof geen grote stukken land nodig, wat bijvoorbeeld wel het geval is voor biobrandstof en waterkracht.
Naast duurzaamheid heeft waterstof ook praktische voordelen. Zo kan de opgewekte energie efficiënt voor langere tijd worden opgeslagen. Dit in tegenstelling tot stroom die wordt opgewekt uit windenergie. Deze stroom moet rechtstreeks aan het net worden toegevoerd en worden afgevoerd wanneer het net volledig is gevuld.
Maar is waterstof echt zo duurzaam als veel mensen denken? Dit hangt af van de manier waarop het wordt geproduceerd. Indien tijdens het productieproces hernieuwbare energie wordt gebruikt, is waterstof inderdaad een zeer duurzame optie.
Helaas is dit echter in de meeste gevallen nog niet het geval. Slechts 5% van de waterstof wordt momenteel geproduceerd met behulp van duurzame energie; in de rest van de gevallen worden nog fossiele brandstoffen gebruikt. En hoewel met goede bedoelingen, maakt deze productiemethode waterstof helemaal niet zo duurzaam.
Wil je meer weten over wat Demaco doet binnen waterstof? Bekijk de pagina hier. .
Wij vertellen je graag meer over onze expertise binnen waterstof.
De productie van waterstof
Omdat waterstof niet in zuivere vorm op aarde bestaat, moet het worden geproduceerd. Er zijn drie enigszins verschillende productieprocessen die op hetzelfde principe zijn gebaseerd.
Voor de productie van waterstof is een grondstof nodig die in contact wordt gebracht met een energiebron. Zowel de grondstof als de energiebron kunnen verschillen. In de praktijk zijn er drie verschillende productieprocessen:
Grijze waterstof
Grijze waterstof wordt geproduceerd met behulp van fossiele brandstoffen (zoals steenkool of aardgas) en stoom. Hierdoor wordt deze vorm van waterstofproductie ook wel steam methaan reforming genoemd. Het belangrijkste voordeel van deze productiewijze is dat de kosten relatief laag blijven en dat productie op grote schaal mogelijk is.
Een belangrijk nadeel is echter dat bij de productie CO2 vrijkomt. Hierdoor is grijze waterstof helaas schadelijk voor het milieu.
Momenteel wordt ongeveer 95% van de waterstof geproduceerd door stoomreforming van methaan. Dit gebeurt in grote reformers, die koolwaterstof splitsen in waterstof en koolstof.
Blauwe waterstof
De productie van blauwe waterstof is in principe hetzelfde als die van grijze waterstof, met één verschil. De grote hoeveelheid CO2 die bij het productieproces vrijkomt, wordt niet in de lucht opgenomen maar opgevangen of hergebruikt.
Hierdoor is blauwe waterstof een stuk duurzamer dan grijze waterstof. Het opvangen van de C02 kost echter energie, waardoor de uiteindelijke opbrengst in totale energie daalt.
Groene waterstof
Bij de productie van groene waterstof wordt gebruik gemaakt van groene energie en water. Door elektrolyse wordt het water omgezet in waterstof en zuurstof. Bij deze productiemethode komt geen CO2 vrij, wat groene waterstof tot de enige echt duurzame waterstof maakt.
Grootschalige productie van groene waterstof zou een belangrijke stap voorwaarts betekenen in de verduurzaming van brandstof en energie. Helaas is dit momenteel niet het geval omdat verschillende factoren de productie van groene waterstof problematisch maken:
- De productie van groene waterstof is zeer kostbaar in vergelijking met die van grijze waterstof. Elektrolysetechnologieën zijn duur, en groene stroom is (voorlopig) ook duurder dan grijze stroom.
- Elektrolyse verbruikt een relatief grote hoeveelheid energie. Critici vragen zich dan ook af of het niet efficiënter zou zijn de gebruikte elektriciteit rechtstreeks in het energienet te voeren. Met elektrolyse, heb je eigenlijk een efficiëntie van 70%. Dit betekent dat 30% van de opgewekte energie verloren gaat in het proces om waterstof te maken.
- Voor elektrolyse is water nodig. Momenteel wordt daarvoor hoofdzakelijk schoon water gebruikt, wat problemen kan veroorzaken in landen met watertekorten. Uit onderzoek blijkt echter dat ook zeewater en afvalwater kunnen worden gebruikt voor succesvolle elektrolyse. Dit biedt mogelijkheden voor de toekomst.
De hierboven genoemde redenen impliceren dat de productie van groene waterstof nog steeds traag op gang komt. Daarom zijn een aanzienlijke prijsdaling en veel steun van regeringen nodig om de grootschalige productie van groene waterstof mogelijk te maken.
Opslag en waterstoftransport
Hoewel waterstof in gasvorm relatief veel wordt gebruikt, is de opslag en het vervoer van gasvormige waterstof een uitdaging. Door zijn extreem lage dichtheid neemt waterstof in gasvorm bij atmosferische druk veel volume in. Dit maakt waterstoftransport in gasvorm relatief lastig.
Door het gas onder hoge druk te zetten (350-700 bar tankdruk) of het vloeibaar te maken, wordt dit probleem echter opgelost. In vloeibare vorm neemt de dichtheid van waterstof zelfs tot 800 keer toe. Dit betekent dat in een tank, dewar of container 800 keer meer waterstof kan worden getransporteerd.
Wat betekent dit voorwaterstoftransport? Over korte afstanden wordt waterstof vaak in vloeibare vorm vervoerd in optimaal geïsoleerde waterstof-transferleidingen,terwijl voor lange afstanden gebruik wordt gemaakt van grote cryogene tankwagens of treinen. Waterstof wordt ook in gasvormige vorm over de weg of per spoor vervoerd in hogedrukcilinders.
Evenals het vervoer is ook de opslag van waterstof beter beheersbaar wanneer deze zich in vloeibare vorm bevindt of onder zeer hoge druk wordt bewaard. Daarom wordt gasvormige waterstof gewoonlijk opgeslagen in speciale tanks die zijn gebouwd om deze hoge druk te weerstaan en te regelen. . Ook vloeibaar waterstof wordt opgeslagen in grote tanks, dewars of bewaarvaten. Deze zijn voorzien van optimale (vacuüm) isolatie, waardoor energieverliezen tot een minimum worden beperkt.
De mogelijkheid om in de toekomst de bestaande aardgasinfrastructuur te gebruiken voor het vervoer van waterstof wordt momenteel onderzocht. Deze optie lijkt haalbaar zonder al te veel aanpassingen aan de bestaande infrastructuren, maar ook hier zijn de kosten te hoog. Een ander punt is dat niet elke infrastructuur hetzelfde is, en dat elke infrastructuur afzonderlijk zal moeten worden geëvalueerd om de omvang van de vereiste aanpassingen te beoordelen.
De toepassingen van vloeibaar waterstof
Waar wordt waterstof precies voor gebruikt? Momenteel wordt (vloeibare) waterstof voornamelijk gebruikt en onderzocht in de volgende industrieën:
- De ruimtevaartindustrie, onder meer als drijfgas voor ruimteraketten. In combinatie met vloeibare zuurstof (als oxidatiemiddel) kan waterstof de enorme kracht opwekken die nodig is om een ruimteraket te lanceren.
- De maritieme industrie toont steeds meer belangstelling voor waterstof als duurzame energiedrager (via brandstofcellen). Om de doelstellingen van de EU inzake de vermindering van de CO2-uitstoot te halen, is een verschuiving van fossiele brandstoffen naar CO2-vrije brandstof verplicht voor deze industrie.
- De luchtvaartindustrie werkt hardnekkig aan modellen voor waterstof-aangedreven vliegtuigmotoren. De eerste proefmodellen zullen naar verwachting rond 2030 worden gebouwd, maar de nieuwe vliegtuigmodellen zullen niet voor 2040 in gebruik worden genomen.
- De sector wegvervoer, die zowel vracht- als passagiersvervoer omvat. Onlangs zijn enkele personenauto’s en vrachtwagens ontwikkeld die waterstof als energiebron gebruiken. Verwacht wordt echter dat het gebruik van waterstof voor vrachtvervoer niet vóór 2025 van de grond zal komen. Er worden ook proeven gedaan met het gebruik van waterstof als energiebron voor verbrandingsmotoren.
- de industriële sector, waar waterstof als fundamentele grondstof dient voor de productie van ammoniak en kunststoffen. Waterstof wordt ook gebruikt om aardolieproducten en methanol te maken.
- De energiesector, waarin waterstof kan worden gebruikt voor zowel de koeling van generatoren in elektriciteitscentrales als het stabiliseren van het elektriciteitsnet. Waterstof wordt opgeslagen en gebruikt in brandstofcellen, die een stabiele back-up van energie leveren, wat resulteert in een optimale uptime.
Hoewel bovengenoemde industrieën momenteel de meest prominente gebruikers van – en belangstellenden voor – waterstof zijn, wordt het veelzijdige gas ook in veel andere sectoren gebruikt. Zo gebruikt de voedingsindustrie waterstof om onverzadigde vetten om te zetten in verzadigde oliën en vetten.
De industriële sector gebruikt waterstof onder meer ook voor de productie van ijzer; waterstof wordt gebruikt voor het zogenaamde atomair waterstoflassen (AHW). De elektronica-industrie gebruikt waterstof voor diverse elektronische componenten, en in de medische sector wordt waterstof gebruikt om waterstofperoxide (H2O2) te maken.
Zoals eerder vermeld, wordt waterstof in veel industrieën in gasvorm gebruikt, maar in vloeibare vorm opgeslagen en vervoerd. Er zijn echter ook verschillende toepassingen voor vloeibare waterstof:
- De lucht- en ruimtevaartindustrie is een van de grootste gebruikers van vloeibare waterstof. Zoals eerder gezegd, gebruikt deze industrie vloeibare waterstof om raketten te lanceren.
- Momenteel is er een groeiende belangstelling voor supergeleiding (de toestand waarin materiaal vrijwel geen weerstand heeft bij het transport van elektriciteit), waarbij vloeibare waterstof een belangrijke rol speelt. Dit is een ander potentieel gebruik voor het vloeibare gas.
- Tenslotte wordt bij de ontwikkeling van zwaardere vrachtwagens en schepen met grotere actieradius ook het gebruik van vloeibare waterstof in de tanks overwogen.
Wil je meer weten over de toepassingen van vloeibaar waterstof? Bekijk onze webinar.
De risico’s van vloeibaar waterstof
Het gebruik van waterstof, hetzij in gasvorm, hetzij in vloeibare vorm, is niet zonder risico. Wanneer waterstof met de juiste hoeveelheid zuurstofgas reageert, komt een enorme hoeveelheid energie vrij, waardoor een explosie ontstaat. Bovendien heeft waterstof een relatief lage verbrandingstemperatuur en is daardoor zeer ontvlambaar.
Omdat waterstof bovendien kleurloos en reukloos is, is een lek in een systeem moeilijk op te sporen. Zelfs een waterstofvlam is bijna onzichtbaar, en dus moeilijk te doven. Vloeibare waterstof is ook extreem koud (-252,9 °C) en zal bij contact bevriezing veroorzaken. Tenslotte kan zuurstof condenseren als de waterstof onvoldoende geïsoleerd is, waardoor een verhoogd brandgevaar ontstaat.
Er is enige discussie over de vraag hoe de bovengenoemde risico’s zich verhouden tot andere brandstoffen. Uit onderzoek blijkt zelfs dat waterstof een iets groter brandrisico vormt dan benzine of aardgas. Wat dit verhoogde risico betekent voor de toekomst van waterstof valt nog te bezien. Alle andere brandstoffen zijn echter ook niet zonder gevaren, en met de juiste infrastructuur en informatie kan waterstof goed en veilig worden beheerd.
Gelukkig wordt waterstof al lange tijd in diverse industrieën gebruikt en zijn de infrastructuur en de veiligheidsmaatregelen de afgelopen decennia aanzienlijk verbeterd. Er bestaan inmiddels geavanceerde sensoren die een lek in een waterstof- infrastructuur direct aangeven. Waterstoftanks, pijpleidingen en toepassingen zijn ook onderworpen aan strenge testnormen. Deze apparatuur wordt blootgesteld aan hoge druk en extreme temperaturen voordat zij in gebruik kan worden genomen.
Met de juiste infrastructuur kan waterstof zonder problemen veilig worden beheerd, mits ook de eindgebruiker op verantwoorde wijze met het gas omgaat. In dit verband speelt het verstrekken van correcte informatie een belangrijke rol. Hoe beter de gebruiker de instructies opvolgt en op mogelijke gevaren wordt gewezen, hoe kleiner het risico zal zijn.
Isolatie voor vloeibare waterstof
Vloeibare waterstof vereist een hogere kwaliteit van isolatie dan sommige andere vloeibare gassen. De belangrijkste reden hiervoor is de extreem lage temperatuur van het gas. Wordt waterstof bijvoorbeeld vervoerd in een pijpleiding met foam-isolatie en ontstaat er een scheurtje in het foam? Dan is de kans groot dat de omringende zuurstof condenseert vanwege de extreme kou die de vloeibare waterstof afgeeft. Als deze gecondenseerde zuurstof in contact komt met waterstof of een ander brandbaar materiaal, ontstaat er brand of een explosie.
Gelukkig is er een vorm van isolatie die een optimale isolatie biedt. De vacuümtechnologiemethode is de oplossing voor het veilig transporteren, opslaan en gebruiken van vloeibare waterstof. Vacuümisolatie is tot 15 keer beter dan andere isolatiematerialen (bijvoorbeeld PIR/PUR, of Foamglas, Armaflex, Perlite, en Misselon) en kan worden gebruikt voor leidingen, maar ook voor fittingen, tanks en cryogene apparatuur.
Vacuümtechniek maakt gebruik van vacuüm of hoogvacuüm om transferleidingen of -systemen optimaal te isoleren. Een vacuümomgeving wordt gecreëerd door deze leidingen of systemen in te kapselen met een dubbele wand en de ruimte tussen de twee wanden te vacumeren. Het vacuüm zorgt ervoor dat er geen warmteoverdracht kan plaatsvinden (aangezien de meeste moleculen zijn onttrokken) tussen de warme buitenkant en de koude binnenkant.
Vacuümisolatie voor waterstofsystemen is niet alleen veilig, maar voldoet ook aan de strenge eisen voor waterstofinfrastructuren. Zo wordt van vloeibare waterstof-transferleidingen op schepen verwacht dat deze zijn uitgerust met een double-containment voor extra veiligheid (mocht de procesleiding een lek krijgen is er altijd nog de double-containment om dit op te vangen). Indien de pijpleidingen zijn voorzien van vacuümisolatie, fungeert de vacuümbuis ook direct als dubbele insluiting. Met vacuümisolatie slaat u dus twee vliegen in één klap.
Demaco’s oplossingen voor vloeibare waterstof
Bij Demaco geloven we in de toekomst van groene waterstof. In feite lopen wij voorop bij het onderzoek naar de beste waterstofinfrastructuur. Decennialang hebben wij geëxperimenteerd met prototypes, ons beziggehouden met baanbrekende projecten en proof of concept geleverd voor geavanceerde projecten en producten.
Wij werken samen met grote spelers op de waterstofmarkt en zijn aangesloten bij Hydrogen Europe. Deze vereniging vertegenwoordigt de belangen van de waterstof- en brandstofcelindustrie en zet zich, samen met honderden bedrijven en verenigingen, in voor de toekomst van waterstof in een uitstootvrije maatschappij. Door onze samenwerking met Hydrogen Europe volgen wij niet alleen alle ontwikkelingen op de voet, maar zijn wij ook actief betrokken bij onderzoek en besluitvorming. Hierdoor zijn en blijven wij experts op het gebied van waterstof.
Demaco is ook een turnkey-leverancier voor waterstofprojecten over de hele wereld. Wij zijn betrokken vanaf het eerste concept en bieden ondersteuning vanaf de eerste conceptuele schets, het gedetailleerde ontwerp, de engineering, de productie, de levering, de montage, het toezicht, de inbedrijfstelling en ten slotte het onderhoud en de certificering van de infrastructuur en de uitrusting.
Vanzelfsprekend worden al onze projecten uitgevoerd met de beste materialen, zijn ze grondig vacuüm geïsoleerd, en volgen ze strikte technische ontwerpnormen betreffende potentiële explosiegevaren onder atmosferische omstandigheden (ATEX). Daardoor kunnen wij de genoemde risico’s in verband met waterstof tot een minimum beperken. Bovendien is Demaco DNV-gecertificeerd voor toepassingen aan boord van schepen.
Momenteel bieden wij de waterstofmarkt de volgende producten en oplossingen aan:
- A. Vulstations en laadperrons voor vrachtwagens
- B. Vacuümgeïsoleerde laadarmen voor schepen
- C. Vacuümgeïsoleerde verbindingsleidingen tussen een tank of liquefier en de toepassing aan boord van schepen en aan land.
- D. Vacuüm geïsoleerde verdeelkasten
- E. Waterstofzuiveraars
- F. Kleinschalige waterstofliquefiers
Wij zijn trots op de kennis en ervaring die wij in de afgelopen decennia hebben opgedaan. Omdat wij al zo lang met waterstof werken, zijn onze methoden, producten en infrastructuren uitgebreid getest en geoptimaliseerd. Wij zijn in staat beproefde technologie aan te bieden telkens wanneer een (nieuwe) klant bij ons aanklopt voor een oplossing.
Er is nog een lange weg te gaan voordat Bockris’ waterstofeconomie werkelijkheid zal worden. Maar wij zijn er klaar voor!
Heb je meer vragen rondom waterstof? Neem dan gerust contact met ons op.
Meer weten?
Voor meer informatie over ons werk, bekijk onze producten en diensten. Voor meer informatie over vloeibare waterstof kunt u een kijkje nemen op onze pagina over vloeibare waterstof.